Idrogeno e sistemi avanzati di accumulo
L’idrogeno rappresenta una delle principali linee di ricerca e sviluppo di Spike Renewables. Attraverso progetti europei e attività interne di sviluppo tecnologico, studiamo soluzioni per la produzione, lo stoccaggio e l’integrazione dell’idrogeno in sistemi energetici e industriali complessi. Nell’ambito del progetto Horizon Europe MAST3RBoost, dedicato allo sviluppo di materiali ultraporosi per lo stoccaggio dell’idrogeno a basse pressioni e temperature variabili, Spike Renewables ha curato l’analisi termofluidodinamica, la progettazione numerica e lo sviluppo del Digital Twin del sistema di accumulo tramite Metal–Organic Frameworks (MOF) e Activated Carbons (ACs).

Modellazione dell’adsorbimento tramite materiali MOF e ACs
Il Digital Twin si basa su un modello avanzato di adsorbimento applicato a MOF e ACs. I MOF sono materiali cristallini ultraporosi costituiti da nodi metallici e leganti organici, caratterizzati da una superficie specifica estremamente elevata e da una struttura regolare che consente elevata capacità di adsorbimento. Gli ACs sono materiali carboniosi con struttura microporosa eterogenea, adatti ad adsorbire gas a basse temperature grazie alla loro alta area superficiale e alla favorevole interazione fisica con le molecole di idrogeno.
Queste proprietà rendono MOF e ACs particolarmente idonei allo stoccaggio dell’idrogeno mediante adsorbimento fisico, consentendo di operare a pressioni ridotte rispetto ai serbatoi convenzionali e migliorando la sicurezza complessiva del sistema.
Il modello numerico implementa isoterme di adsorbimento (come il modello Modified Dubinin–Astakhov, MDA) con l’obiettivo di descrivere in modo accurato l’interazione tra idrogeno, materiale adsorbente e condizioni operative. Questa struttura modellistica consente di prevedere temperatura, pressione, quantità di idrogeno adsorbita, potenza termica generata e comportamento dinamico del sistema durante le fasi di carica e scarica.

Il Digital Twin del sistema di accumulo
Il Digital Twin sviluppato da Spike Renewables è uno strumento di simulazione avanzato che replica il comportamento del serbatoio durante le fasi operative, integrando fenomeni termici, fluidodinamici e di adsorbimento. Consente di analizzare l’effetto dei parametri geometrici, delle proprietà dei materiali MOF e ACs e delle condizioni di processo, restituendo informazioni utili al dimensionamento degli scambiatori termici, alla definizione delle pressioni operative e alla valutazione della capacità di accumulo.
Il modello è stato implementato in COMSOL Multiphysics tramite Application Builder, permettendo un controllo semplificato dei parametri senza esporre l’utente alla complessità del modello numerico sottostante. Il Digital Twin offre la possibilità di valutare rapidamente scenari alternativi, confrontare materiali differenti e definire le configurazioni più idonee per i prototipi fisici.

Applicazione a geometrie complesse
La prima versione del Digital Twin utilizza una geometria assialsimmetrica semplificata per accelerare il processo di validazione numerica, ma la sua architettura è pensata per essere estesa a geometrie tridimensionali complesse. Questa capacità permette di simulare serbatoi con forme reali, componenti interni irregolari e configurazioni specifiche dei prototipi sperimentali. L’estensione a geometrie 3D consente inoltre di studiare distribuzioni locali di temperatura, percorsi preferenziali di flusso e zone di adsorbimento differenziato, migliorando la capacità predittiva dello strumento.

Dalla simulazione alla realizzazione del prototipo
Le attività di Digital Twin sono integrate con la progettazione meccanica del serbatoio, degli ausiliari e dello scambiatore termico, fornendo indicazioni su flussi, potenze termiche e accumulate energetiche durante il processo di riempimento e di esercizio. I dati ricavati dalla simulazione vengono utilizzati direttamente nella definizione del banco prova e del dimostratore fisico previsto dal progetto MAST3RBoost, garantendo coerenza tra il comportamento simulato e quello reale.
I componenti progettati: serbatoio, scambiatore termico e parti ausiliarie sono stati realizzati e assemblati, e saranno oggetto di una campagna sperimentale su banco prova presso i laboratori di EDAG Engineering GmbH in Germania, partner del progetto MAST3RBoost.

Elettrolizzatori innovativi e stoccaggio dell’idrogeno
Oltre allo stoccaggio mediante adsorbimento, Spike Renewables è coinvolta nello sviluppo di tecnologie basate su elettrolizzatori innovativi progettati per operare con flessibilità in sistemi ibridi e integrati. L’attenzione è rivolta alla produzione di idrogeno in condizioni che favoriscano l’interazione con i sistemi di accumulo basati su MOF e ACs, riducendo consumi, pressioni di esercizio e impatti termici.

Estensione del Digital Twin alla cattura della CO₂
La modellazione dell’adsorbimento implementata nel Digital Twin, basata su equazioni termo–cinetiche e modelli MDA per MOF e ACs, può essere ricalibrata per simulare l’adsorbimento della CO₂ su materiali microporosi o funzionalizzati. Ciò consente di estendere lo strumento alle tecnologie di cattura della CO₂, analizzando isoterme, prestazioni termiche, cinetiche di adsorbimento e condizioni operative ottimali per processi CCUS. Questa versatilità rende il Digital Twin uno strumento utile non solo per lo stoccaggio dell’idrogeno, ma anche per lo studio di soluzioni innovative di cattura della CO₂ in contesti industriali.

Esperienza nell’idrogeno industriale: interventi strutturali su gasometri
Oltre alle attività di ricerca e sviluppo, Spike Renewables opera anche nel settore dell’idrogeno industriale con competenze ingegneristiche avanzate. Tra gli interventi più recenti rientra il ripristino strutturale di alcuni componenti del gasometro di idrogeno S690 presso Altair Chemical S.r.l. L’intervento ha compreso rilievi tridimensionali, analisi deformative, sostituzione dei controventi strutturali, verifica della funzionalità meccanica della campana mobile e definizione di un piano di monitoraggio strutturale periodico.
Questo lavoro testimonia la nostra capacità di integrare ricerca avanzata e ingegneria applicata, intervenendo tanto sui nuovi sistemi di accumulo quanto su infrastrutture industriali esistenti.

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