Uno degli obiettivi del Green Deal [1] è ridurre le emissioni di gas serra di almeno il 50% entro il 2030 rispetto agli anni Novanta, con l’obiettivo di raggiungere la neutralità climatica in Europa entro il 2050. Grazie all’alto contenuto energetico e all’assenza di emissioni di gas climalteranti, se utilizzato come vettore energetico, l’idrogeno ha il potenziale per mitigare il rapido cambiamento climatico e raggiungere gli obiettivi previsti nel suddetto accordo.
Il crescente uso di idrogeno richiederà, tuttavia, una distribuzione massiccia dai siti di produzione ai consumatori finali, per cui sarà necessario prendere in considerazione diversi metodi di stoccaggio e trasporto per ottimizzarne i costi di utilizzo.
A tal proposito, l’idrogeno può essere trasportato su strada, ferrovia, mare e mediante gasdotti; il trasporto intermodale, che consiste nell’impiego di più modalità di trasporto, rappresenta anch’esso una valida alternativa [2].
Comunque, per essere trasportato, l’idrogeno deve essere compresso o liquefatto a causa della sua bassissima densità e pertanto volumi e distanze determinano la competitività di ciascuna modalità di trasporto e stoccaggio.
A tal riguardo, il trasporto tramite gasdotti rappresenterebbe la soluzione migliore sia dal punto di vista dell’efficienza che della sicurezza, ma lo sviluppo di una nuova rete di gasdotti richiederebbe investimenti notevoli e tempi lunghissimi dal momento che quella già esistente sul territorio non sarebbe in grado di resistere alle elevate pressioni necessarie per il trasporto di idrogeno.
Nel medio-breve termine, invece, il trasporto di idrogeno su strada rappresenta la principale soluzione ed in particolare il suo trasporto sotto forma liquida all’interno di autocisterne piuttosto che in forma gassosa.
Infatti, nonostante i maggiori costi operativi dovuti al processo di liquefazione, in tali condizioni è possibile trasportare per singola tratta una quantità di idrogeno fino a dieci volte superiore rispetto al suo trasporto sotto forma gassosa, il che rende tale soluzione l’opzione più conveniente per la penetrazione sul mercato nel breve-medio termine.
Tuttavia, l’idrogeno liquido, che è tipicamente trasportato a temperature estremamente basse all’interno di serbatoi criogenici, presenta rischi differenti da quelli associati all’idrogeno compresso, più comunemente impiegato. Un eventuale rilascio di idrogeno liquido comporterebbe, infatti, la formazione di una miscela altamente infiammabile che, in presenza di ossigeno e di una minima fonte di energia, potrebbe innescarsi con conseguenze catastrofiche.
A tal proposito, la dimensione di tale nube risulterebbe di gran lunga superiore a quella che potrebbe generarsi da un eventuale rilascio di idrogeno gassoso a causa della maggiore densità dell’idrogeno liquido e al processo di vaporizzazione.
Inoltre, le conseguenze di un eventuale rilascio di idrogeno liquido sarebbero molto più severe in spazi confinati come le gallerie stradali, dal momento che la miscela infiammabile potrebbe accumularsi e incrementare il rischio di esplosione.
Pertanto, l’analisi accurata dello sviluppo della nube di idrogeno a seguito di un eventuale rilascio accidentale, dovuto ad esempio ad un incidente stradale, rappresenta un elemento chiave per la determinazione del rischio dovuto al trasporto di idrogeno in galleria.
Ad oggi, gli studi riportati nella letteratura internazionale si sono prevalentemente focalizzati sull’investigare gli effetti del rilascio di idrogeno in spazi aperti, mentre pochissimi studi hanno esaminato i potenziali effetti negativi sugli utenti in spazi chiusi quali le gallerie stradali in caso di un rilascio accidentale di grandi quantità di idrogeno liquido da una autocisterna.
Alla luce delle considerazioni sopra esposte, in questo studio si riportano i primi risultati di una ricerca basata sulla modellazione fluidodinamica, per la cui risoluzione si è utilizzato il software ANSYS Fluent, finalizzata a investigare il rischio dovuto al trasporto di idrogeno liquido nelle gallerie stradali.
Descrizione della galleria investigata
In questo studio è stata investigata una galleria stradale a doppio fornice nella quale ciascuno ha una lunghezza pari a 1 km circa ed è utilizzato per traffico unidirezionale con due corsie. La galleria è localizzata sulla rete autostradale italiana, ha pendenza longitudinale nulla e il traffico nell’ora di punta risulta pari a circa 1.200 veicoli/ora per corsia con una percentuale di mezzi pesanti pari al 25% (di cui il 2% autobus).
In accordo con la Direttiva 2004/54/CE [3], recepita dal D.Lgs. 264/06 [4], secondo cui il sistema di ventilazione meccanica non è obbligatorio per gallerie stradali di lunghezza uguale o inferiore a 1 km, nella galleria in questione è stata considerata la sola ventilazione naturale dovuta all’effetto pistone dei veicoli in movimento, applicando una differenza di pressione positiva pari a 5 Pa tra il portale di ingresso e quello di uscita. La galleria è comunque dotata di una uscita di emergenza posta a metà della sua lunghezza (Figura 2).
Gli scenari di pericolo investigati
In uno dei due fornici si è assunto che si verifichi l’evento incidentale con conseguente rilascio di idrogeno. In particolare, nello studio sono state simulate cinque diverse posizioni di incidente stradale, lungo il fornice interessato, che vedono associato a ciascuna di esse il rilascio di idrogeno liquido da una autocisterna trasportante tale sostanza.
In particolare, in questa prima fase dello studio si è pensato ad un approccio semplificato basato nel suddividere la lunghezza del fornice in sei parti uguali e nell’assumere in seguito all’incidente che l’autocisterna si potesse fermare con una stessa probabilità di accadimento (P = 0,2) a una distanza pari rispettivamente a 165, 335, 500, 665 oppure 830 m dal portale di ingresso del fornice.
Si è considerato che l’idrogeno, in seguito all’incidente, sia rilasciato da un foro del diametro di 5 cm ubicato sul retro dell’autocisterna. A tal proposito, si rappresenta che l’idrogeno liquido è assunto di essere contenuto in un’autocisterna di volume pari a circa 45 m3 per cui, considerando che la densità dell’idrogeno sotto forma liquida è pari a 70,9 kg/m3 e assumendo un grado di riempimento dell’autocisterna pari all’80%, la massa totale di idrogeno trasportata risulta pari a circa 2.500 kg.
Veicoli in coda e numero di utenti
In seguito a un incidente che vede coinvolta un’autocisterna trasportante idrogeno liquido, si è considerato che:
- i veicoli a valle dell’autocisterna ferma nel fornice lascino il fornice stesso tramite il portale di uscita;
- nessun veicolo (su entrambe le due corsie) a monte dell’incidente sorpassi l’autocisterna;
- il primo veicolo in coda (su entrambe le corsie) si fermi ad una distanza di 10 m dal retro dell’autocisterna incidentata;
- la distanza di sicurezza tra i veicoli fermi nella coda sia di 2 m.
La rappresentazione schematica dei veicoli in coda e dello scenario incidentale, per esempio quello dell’autocisterna ferma in mezzeria della lunghezza del fornice che rilascia idrogeno liquido dal foro ubicato a tergo, è riportata in Figura 3.
Il numero medio di veicoli in coda a monte della zona di rilascio è stato computato per essere pari a 18, 39, 60, 81 e 101 per corsia, quando l’autocisterna trasportante idrogeno si ferma per l’incidente nelle sopramenzionate posizioni dal portale di ingresso del fornice.
Considerando la composizione del traffico (75% autovetture, 23% veicoli pesanti, 2% autobus e un tasso di occupazione rispettivamente pari a 1,7 persone per autovettura, una persona per veicolo pesante, e 30 persone per autobus) si stima un tasso di occupazione medio di due persone/veicolo.
Quindi, il corrispondente numero totale di utenti nei veicoli in coda, dietro l’autocisterna ferma a seguito di un incidente nelle posizioni menzionate e che rilascia idrogeno, è pari a 72, 156, 240, 324, oppure 404.
Ipotesi semplificate sulla procedura di esodo
Si è considerata una procedura semplificata di esodo come di seguito riportato:
- quando il veicolo trasportante idrogeno si ferma nella prima metà della lunghezza del fornice oppure in corrispondenza dell’uscita di emergenza che è ubicata in mezzeria, si è ipotizzato che gli utenti ubicati a monte dell’autocisterna evacuino dirigendosi tutti verso il solo portale di ingresso del fornice;
- quando il veicolo che rilascia idrogeno è fermo a valle della menzionata uscita di emergenza posta a metà lunghezza del sistema galleria, si è assunto approssimativamente che gli utenti posizionati tra il portale di ingresso e fino a una distanza di 400 m dal portale stesso evacuino proprio attraverso il portale, mentre i rimanenti utenti presenti nel fornice evacuino utilizzando la menzionata uscita di emergenza intermedia;
- il tempo medio di pre-movimento degli utenti è stato assunto pari a 90 s;
- la velocità media di movimento degli utenti è stata considerata di 0,5 m/s.
La modellazione fluidodinamica
Tra i diversi codici di calcolo disponibili per la modellazione fluidodinamica, gli autori della presente nota hanno utilizzato la versione 2022 R1 di ANSYS Fluent.
Il suddetto codice di calcolo è ampiamente utilizzato in letteratura per essere sufficientemente appropriato nel simulare il rilascio di idrogeno liquido sia in spazi aperti sia in quelli confinati.
Infatti, a differenza di altri software conosciuti nel campo della modellazione fluidodinamica, esso è in grado di simulare, in particolare, il processo di vaporizzazione dell’idrogeno dalla fase liquida a quella gassosa a seguito di un suo rilascio accidentale e il conseguente processo di dispersione.
I principali dati di input del suddetto codice sono: geometria della galleria, localizzazione e dimensione del veicolo trasportante idrogeno, dimensioni del foro da cui è assunto la fuoriuscita dell’idrogeno liquido e suo relativo tasso di rilascio, posizione dei veicoli in coda e loro dimensioni, e differenza di pressione ai portali della galleria.
La calibrazione del codice di calcolo
Il codice di calcolo è stato preliminarmente calibrato attraverso un confronto con risultati sia sperimentali sia di simulazioni numeriche riportate in letteratura, al fine di mostrare che esso fosse sufficientemente affidabile nel riprodurre abbastanza accuratamente il rilascio di idrogeno liquido.
In particolare, l’utilizzo di ANSYS Fluent, in spazi confinati quali le gallerie stradali, ha mostrato che in seguito al rilascio di idrogeno liquido, la dimensione della conseguente nube di idrogeno infiammabile (cioè, in concentrazioni comprese tra il 4 e il 75% di idrogeno in aria) era paragonabile a quella di uno studio riportato in letteratura con un errore ≤ 5%.
Calibrato il codice di calcolo, si è successivamente proceduto alla schematizzazione dell’autocisterna e allo sviluppo del dominio computazionale con la relativa mesh di calcolo.
La schematizzazione dell’autocisterna e del dominio computazionale
L’autocisterna, dalla quale si è assunto fuoriesca idrogeno liquido a seguito dell’incidente, è stata schematizzata come un cilindro di lunghezza pari a 12 m e diametro di 2,2 m.
Il foro di diametro pari a 5 cm, da cui si è considerato fuoriesca l’idrogeno, è assunto di essere posizionato sul retro dell’autocisterna e ad una altezza di 0,5 m dal piano viabile, mentre il tasso di rilascio è stato computato per essere pari a 7,7 kg/s per una durata totale di circa 5,4 minuti (tempo necessario affinché l’autocisterna si svuoti).
Il domino computazionale è rappresentato dall’intera lunghezza del fornice investigato. Ai fini della determinazione della mesh ottimale è stata svolta un’analisi di sensibilità. Essa ha portato ad individuare come mesh ottimale celle tetraedriche di lato pari a 2,5 cm nell’intorno della zona di rilascio di idrogeno (per una estensione pari a circa 2 m) e celle tetraedriche di dimensioni pari a 1 m lontano dalla zona di rilascio e per tutta la lunghezza del fornice.
Nella zona di transizione, le dimensioni delle celle aumentano Automaticamente passando dalla mesh più fine a quella più grossolana. In Figura 4 è riportata l’autocisterna e una parte del modello sviluppato con la mesh computazionale ottimizzata.
I principali risultati
I principali risultati hanno mostrato che le condizioni peggiori, in termini di dimensioni della sopramenzionata nube infiammabile, si verificano quando l’autocisterna ferma che rilascia idrogeno è a metà della lunghezza del fornice. Ciò è, ovviamente, dovuto al fatto che tale posizione è quella più distante dagli spazi aperti ai portali.
La Figura 5 sopra mostra la corrispondente evoluzione della nube di idrogeno infiammabile nel tempo: in essa si può notare che l’idrogeno liquido evapora per la differenza di temperatura tra l’ambiente circostante e quella alla quale è contenuta all’interno dell’autocisterna e che esso a causa della sua bassissima densità tende ad accumularsi in altissime concentrazioni in sommità del fornice, dove si registra quindi un più forte incremento della probabilità del rischio di esplosione.
A tal proposito, si rappresenta che l’energia minima necessaria per l’innesco di miscele di idrogeno e aria è di gran lunga più piccola di quelle formate con combustibili tradizionali a base di gas, e pertanto anche una piccola scintilla generata dall’incidente stesso potrebbe innescare un’esplosione con conseguenze catastrofiche.
È possibile notare, inoltre, come lo sviluppo della nube di idrogeno infiammabile non è simmetrica a monte e a valle della posizione del rilascio a causa della ventilazione naturale che spinge la miscela verso il portale di uscita del fornice. La Figura 5 mostra anche la posizione dell’ultimo utente in fuga, quello più vicino all’autocisterna, il cui esodo verso il portale di ingresso del fornice è comparato alla propagazione della nube di idrogeno infiammabile.
Da questo confronto si può osservare che in tempi brevi dall’istante del rilascio di idrogeno (t ≤ 100 s) la nube di idrogeno infiammabile può investire l’utente in fuga, mentre per t > 100 s tale utente non è più investito dalla nube di idrogeno perché essa si è propagata prevalentemente verso valle per effetto della ventilazione naturale. Tuttavia, è da considerare il menzionato rischio di esplosione.
La sovrappressione generata da una eventuale esplosione della nube di idrogeno
Sulla base della sopramenzionata entità della nube infiammabile di idrogeno, e quindi della massa di idrogeno contenuta all’interno della miscela, si è stimato mediante metodi di calcolo semplificati presenti in letteratura, l’entità della sovrappressione che può essere generata da una potenziale esplosione e il relativo livello di danno agli utenti in fuga; maggiori approfondimenti in merito possono essere trovati in [5 e 6].
Assumendo che una potenziale esplosione possa verificarsi dopo 90 s dal menzionato rilascio di idrogeno dall’ autocisterna ferma a metà della lunghezza del fornice, la Figura 6 mostra una stima della probabilità di registrare un determinato numero di vittime per emorragia polmonare causate dalla sovrappressione generata dalla menzionata esplosione. Per esempio, si è trovato una probabilità del 50 e del 90% di registrare rispettivamente 11 oppure quattro vittime nel caso esaminato.
Conclusioni e futuri sviluppi della ricerca
Questo studio è stato motivato dalla necessità di sviluppare un modello fluidodinamico in grado di simulare il rilascio accidentale di idrogeno liquido da un’autocisterna in caso di un evento incidentale all’interno di una galleria stradale.
Tra le varie posizioni dell’incidente simulate lungo la lunghezza del fornice investigato, la condizione peggiore in termini di dimensione della nube di idrogeno infiammabile è risultata essere quando il rilascio accidentale avviene a metà della lunghezza del fornice a causa della maggiore distanza dagli spazi aperti ai portali.
La nube di idrogeno infiammabile può investire l’ultimo l’utente in fuga, quello più vicino all’autocisterna, in un tempo breve a partire dall’istante in cui c’è il rilascio di idrogeno liquido, cioè per t ≤ 100 s.
L’entità della sovrappressione che può essere generata da una potenziale esplosione della nube di idrogeno può causare severe conseguenze agli utenti in esodo, con una probabilità del 50 o del 90% di registrare rispettivamente 11 oppure quattro vittime nel caso dell’autocisterna ferma a metà della lunghezza del fornice.
I primi risultati sopra esposti hanno mostrato che il trasporto di idrogeno nelle gallerie stradali può rappresentare un elemento di rischio aggiuntivo per gli utenti, il che giustifica la necessità di ulteriori studi a che dovrebbero riguardare soprattutto lo sviluppo di un modello specifico per la stima delle sovrappressioni generate dall’eventuale esplosione della nube di idrogeno infiammabile in galleria. Un’indagine approfondita
dovrebbe essere anche condotta, a livello internazionale, per una stima della frequenza degli incidenti che vede coinvolti i veicoli alimentati a idrogeno e/o trasportanti tale sostanza.
Bibliografia
[1]. European Commission – “The European Green Deal, Brussels”, 11 December 2019.
[2]. C. Caliendo, P. Russo, P. Ciambelli – “Hydrogen safety, state of the art, perspectives, risk assessment, and engineering solutions”, Utilization of Hydrogen for Sustainable Energy and Fuels, De Gruyter, Berlin, vol. 3, pp. 433-449.
[3]. European Parliament and Council – “Directive 2004/54/EC of the European Parliament and of the Council”, L.167, Bruxelles, April 2004, Bruxelles, Belgium: Official Journal of the European Union.
[4]. Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti – “Attuazione della Direttiva 2004/54/CE in materia di sicurezza per le gallerie della rete stradale transeuropea”, D.Lgs. 264, 5 Ottobre 2006.
[5]. C. Caliendo, G. Genovese – “Quantitative risk assessment on the transport of dangerous goods vehicles through unidirectional road tunnels: an evaluation of the risk of transporting hydrogen”, Risk Analysis, vol. 41, pp. 1522-1539, https://doi.org/10.1111/risa.13653, 2020.
[6]. C. Caliendo, G. Genovese, F. Markert, P. Russo – “A model for assessing the risk of liquid hydrogen transport through road tunnels”, Accepted by the International Conference on Hydrogen Safety (ICHS), Quebec, Canada, 19-21 September 2023.
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