Obiettivo 2: Stoccaggio,
trasporto e trasformazione in derivati ed e-fuels
REFERENTE/I
Eugenio Giacomazzi – ENEA
eugenio.giacomazzi@enea.it
Attività
L’idrogeno è un vettore chiave per la decarbonizzazione: può essere usato puro, in miscela con gas naturale tramite la rete esistente, oppure come ammoniaca o syngas. Queste soluzioni consentono combustioni a basse emissioni nei turbogas, utili per backup e stabilizzazione della rete, e nei settori hard-to-abate come cemento, ceramica, vetro e aviazione. Per rispettare i limiti di NOx e CO servono però tecnologie di combustione dedicate.
La ricerca propone lo sviluppo di modelli SubGrid Scale (SGS) per LES, per progettare strategie di combustione efficienti e sostenibili, e di modelli capaci di prevedere i precursori delle instabilità termo-acustiche, integrabili nel controllo delle turbine a gas. Nella fase iniziale, simulazioni e prove sperimentali serviranno a validare SGS in grado di rappresentare gli effetti di alte concentrazioni di H2 su piccola scala. Diagnostiche laser al nanosecondo e al femtosecondo, insieme a simulazioni di cinetica chimica e studi sul trasferimento radiativo, supporteranno lo sviluppo dei modelli. Definite le specifiche per turbine a gas, microturbine, sCO2 e forni industriali, l’obiettivo sarà di favorire combustione volumetrica o distribuita in condizioni EGR/MILD, con accensione facile, temperature contenute, basse emissioni e minori instabilità.
Figura 1
Rappresentazione tridimensionale di una fiamma diffusiva di un getto di NH3 iniettata ortogonalmente in una corrente di aria: distribuzione della concentrazione di NH3, della temperatura e del rilascio di calore (HRR
Risultati
- Nel progetto sono stati ottenuti risultati significativi sia sul fronte numerico sia su quello sperimentale. Sono stati sviluppati e validati modelli LES/SGS per descrivere la combustione di miscele idrogenate e H2-carrier, con particolare attenzione agli effetti di elevata concentrazione di idrogeno, al trasferimento radiativo e alla formazione di NOx. Le simulazioni DNS e RANS hanno permesso di studiare fiamme premiscelate, getti swirlati e combustori MILD, evidenziando il ruolo della pressione e confermando l’efficacia di soluzioni a combustione distribuita per contenere le emissioni. Sul versante ammoniaca, sono state analizzate configurazioni a doppio stadio ricche/magre, utili a favorire la conversione in H2 e a ridurre gli inquinanti. In parallelo, le campagne sperimentali hanno fornito dati su fiamme Bunsen e swirlate fino a pressioni sovratmosferiche, utili per la validazione dei modelli. Sono inoltre state messe in opera diagnostiche laser avanzate e sviluppate tecniche di analisi per individuare precursori di instabilità termo-acustiche, con prospettive di controllo real-time.
Figura 2
Effetto della diffusione preferenziale dell’idrogeno in una fiamma premiscelata di NH3/H2/N2/Aria sulla produzione degli NO: ove le curvature del fronte di fiamma sono positive la miscela diventa localmente più ricca, aumentando le temperature e gli NO.
Figura 3
distribuzione tridimensionale della temperatura e del radicale OH in un combustore ciclonico diffusivo alimentato con aria e idrogeno
Figura 4
visualizzazione tridimensionale di una fiamma non premiscelata di una miscela di ammoniaca e idrogeno proveniente da un primo stadio di combustione: iso-superficie di temperatura a 1400 K colorata con la distribuzione di NO; la distribuzione di NO all’uscita del combustore, le isolinee di concentrazione di H2 all’ingresso, la distribuzione di quantità di moto ai quattro ingressi di aria in crossflow.
Team di ricerca
Marta Antonelli – ENEA
Nunzio Arcidiacono – ENEA
Andrea Assetati – ENEA
Salvatore Attanasi – ENEA
Giorgio Calchetti – ENEA
Simone Carpenella – ENEA
Donato Cecere – ENEA
Viviana Cigolotti – ENEA
Matteo Cimmini – ENEA
Antonio Di Nardo – ENEA
Francesca Rita Famà – ENEA
Eugenio Giacomazzi – ENEA
Emanuele Giulietti – ENEA
Giuliano Guidarelli – ENEA
Michele Marrocco – ENEA
Giuseppe Messina – ENEA
Daniele Mirabile Gattia – ENEA
Massimo Moncada – ENEA
Silvera Scaccia – ENEA
Caterino Stringola – ENEA
Guido Troiani – ENEA
Francesco Vergani – ENEA
In collaborazione con:
Documenti
1.“Gas Turbine Combustion Technologies for Hydrogen Blends”, D. Cecere, E. Giacomazzi, A. Di Nardo, G. Calchetti, Energies, Section A5 “Hydrogen Energy”, MDPI, vol. 16, issue 19, pp. 6829 (1-29), 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/en16196829.
2.“Hydrogen Combustion: Features and Barriers to its Exploitation in the Energy Transition”, E. Giacomazzi, G. Troiani, A. Di Nardo, G. Calchetti, D. Cecere, G. Messina, S. Carpenella, Energies, Special Issue “Advances in Hydrogen Energy III”, MDPI, vol. 16, issue 20, pp. 7174 (1-29), 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/en16207174.
3.“Direct Numerical Simulation of a Reacting Turbulent Hydrogen/Ammonia/Nitrogen Jet in an Air Crossflow at 5 bar”, E. Giacomazzi, D. Cecere, M. Cimini, S. Carpenella, Energies, Special Issue “Computational and Data-Driven Modeling of Combustion in Reciprocating Engines or Gas Turbines, Volume II”, MDPI, vol. 16, issue 23, pp. 7704 (1-17), 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/en16237704.
4.“Effects of hydrogen blending and exhaust gas recirculation on NOx emissions in laminar and turbulent CH4/Air flames at 25 bar”, D. Cecere, S. Carpenella, E. Giacomazzi, A. Stagni, A. Di Nardo, G. Calchetti, International Journal of Hydrogen Energy, Elsevier, vol. 49 Part B, pp. 1205-1222, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.10.172.
5.“DNS of a non-premixed CH4/O2 flame in a supercritical CO2 environment”, D. Cecere, E. Giacomazzi, N.M. Arcidiacono, Fuel, vol. 362, issue ??, pp. 130709 (1-14), 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.130709.
6.“Composition and Injection Angle Effects on Combustion of a NH3/H2/N2 Jet in an Air Cross-Flow”, D. Cecere, M. Cimini, S. Carpenella, Jan Caldarelli, E. Giacomazzi, Energies, Special Issue “Computational and Data-Driven Modeling of Combustion in Reciprocating Engines or Gas Turbines, Volume II”, MDPI, vol. 17, issue 20, pp. 5032 (1-21), 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/en17205032.
7.“Online Characterization of the Dynamicla State of Industrial Combustion”, E. Giulietti, E. Giacomazzi, C. Stringola, C. Romano, Applied Thermal Engineering, vol. 278(Part C):126927 (1-11), 2025. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.126927.
8.“Non-inertial physics of action-angle variables of non-trivial periodic motion“, F. Vergari, M. Marrocco, European Journal of Physics, vol. 46(5):055006, 2025. DOI https://doi.org/10.1088/1361-6404/adffcc.
9.Spatial Phase Coherence in Femtosecond Coherent Raman Scattering, A. Hosseinnia, M. Marrocco, F. Vergari, M. Raveesh, S. Riewer, A. Jena, A. Kushwaha, F. Mazza, M. Linne, J. Bood, I. Boxx, Physical Review Letters, 136, pp. 163801, 2026. DOI: https://doi.org/10.1103/r98z-7bwj
10.“Direct Numerical Simulation of a Lean Premixed NH3/H2/N2/Air Jet in Crossflow at Micro-Gas Turbine Relevant Conditions”, D. Cecere, M. Cimini, E. Giacomazzi, Energies, Special Issue “Computational and Data-Driven Modeling of Combustion in Reciprocating Engines or Gas Turbines, Volume III”, MDPI, submitted on 19/05/2026.
