e-SHyIPS e LincoSim: un matrimonio di interesse per l’adozione dell’idrogeno in ambito navale

Introduzione

Nei numeri  89 e 100 di questa rivista abbiamo presentato l’esperienza di utilizzo, le statistiche di LincoSim e la sua prima validazione per monoscafi plananti ([1], [2]), una applicazione web innovativa sviluppata nell’ambito del progetto LINCOLN finanziato dall’Unione Europea. Ad oggi esistono due lavori di validazione di questo applicativo che mostrano come sia uno strumento affidabile per lo studio di scafi plananti e di catamarani (vedi [4], [5]). Grazie alla qualità di questi risultati e grazie alla sua interfaccia interattiva, che permette di preparare, verificare, sottomettere ed infine analizzare le simulazioni numeriche CFD complesse in ambito navale anche da utenti non esperti, LincoSim è oggi uno degli strumenti tecnologici che il progetto e-SHyIPS utilizzerà per lo studio dell’utilizzo dell’idrogeno in ambito navale.

Il progetto e-SHyIPS

L’industria del trasporto marittimo di passeggeri svolge un ruolo chiave nello sviluppo di un sistema di trasporto competitivo ed efficiente sotto il profilo delle risorse nell’Unione europea (UE). Di recente, l’Organizzazione marittima internazionale (IMO) ha adottato una strategia per ridurre le emissioni dei trasporti marittimi internazionali del 50% fino al 2050, rispetto al 2008. Ciò offre nuove opportunità per l’adozione di combustibili privi di carbonio, tra cui l’idrogeno è il più promettente. Data la crescita della flotta fino al 2050 e le esigenze di un trasporto marittimo globale, la riduzione delle emissioni di CO2 richiede infatti nuove tecnologie efficienti dal punto di vista energetico, che altri combustibili comunemente usati possono supportare solo in una certa misura. Gli standard e le regole internazionali per certificare la sicurezza a bordo e gli standard di sicurezza ambientale delle navi alimentate a idrogeno, tuttavia, non sono ancora disponibili nel contesto del trasporto passeggeri. Il progetto e-SHyIPS [3] mira a definire le nuove linee guida per un’efficace introduzione dell’idrogeno nel settore del trasporto marittimo di passeggeri e a promuovere la sua adozione all’interno della strategia globale e dell’UE per un ambiente pulito e sostenibile, verso la realizzazione di uno scenario di navigazione a emissioni zero.

Attraverso un approccio ecosistemico, in cui saranno coinvolti tutti i principali stakeholder dei settori marittimo e dell’idrogeno, della ricerca e dell’industria, il progetto e-SHyIPS integrerà attività di ricerca teorica pre-normativa sugli standard con simulazioni ed esperimenti di laboratorio, al fine di fornire le necessarie conoscenze per progettare un processo di certificazione appropriato e individuare future attività di standardizzazione per migliorare il panorama normativo dell’UE.
L’obiettivo del progetto e-SHyIPS è quello di passare dall’idea all’applicazione, così da colmare il vuoto esistente nelle conoscenze normative e tecniche riguardanti tutti gli aspetti correlati all’idrogeno nel settore del trasporto marittimo.
Il principale ostacolo allo sviluppo e alla certificazione di navi passeggeri sicure, affidabili, robuste, economicamente sostenibili ed ecocompatibili con combustibili a base di idrogeno è la mancanza di un quadro normativo basato su un database completo di conoscenze e una campagna di dati sperimentali completa.
Il progetto e-SHyIPS mira a contribuire allo sviluppo di un quadro normativo basato su obiettivi sull’uso dell’idrogeno e dei combustibili alternativi a base di idrogeno per il trasporto su acqua.
Attraverso un approccio metodologico, lean-agile, il progetto identificherà e assicurerà la corretta gestione dei rischi in tutti gli aspetti relativi alla progettazione e all’esercizio delle navi passeggeri.
Uno degli obiettivi fondamentali del progetto è sviluppare modelli CFD e strumenti per la progettazione navale e la valutazione della sicurezza, sfruttando le potenzialità di applicativi di Simulazione di Sistemi Complessi e dell’HPC, in sinergia con EuroHPC Joint Undertaking [6].
LincoSim, per soddisfare questi obiettivi deve crescere ed integrare nuove modellazioni e funzionalità. Di seguito presenteremo le nuove modellazioni che potrebbero vedere la luce nella nuova versione di LincoSim.

LincoSim 2.0

Nonostante il progetto e-SHyIPS sia da poco iniziato si stanno definendo in maniera chiara le ipotesi di sviluppi richiesti a LincoSim. In particolare, sono stati identificati dei casi di studio pratici che andranno analizzati con gli strumenti già esistenti sia nella configurazione attuale che nella loro ‘H2-enabled’ ovvero con propulsione ad idrogeno al fine di comparare come le prestazioni degli scafi varieranno una volta introdotto il nuovo sistema di propulsione. Questo tipo di analisi non saranno un problema per LincoSim grazie alle campagne di validazione sin qui effettuate. Tuttavia, oltre a queste attività consolidate dal punto di vista della modellistica, essendo la sicurezza uno dei nodi fondamentali per l’adozione dell’idrogeno in ambito navale, anche nuove attività legate alle sollecitazioni in presenza di onde sono state preventivate. Questo tipo di analisi, dette nel gergo di ‘sea keeping’, non sono mai state affrontate prima in LincoSim e presuppongono l’introduzione di diverse novità modellistica di cui una su tutto la presenza di modelli per le onde che interagiscono sia con scafi in movimento che con scafi fermi (ovvero in fase di rifornimento e/o di rimessaggio).
Il motore di calcolo di LincoSim è OpenFOAM [7], pertanto per soddisfare le esigenze della nuova modellazione sarà necessario indagare a fondo diversi aspetti:
se e come sia possibile introdurre questi problemi all’interno del toolbox;
quanto queste soluzioni modellistiche siano robuste per poter essere automatizzate;
quanto queste soluzioni modellistiche siano accurate per poter essere usate con sicurezza.
Oggi in CINECA stiamo effettuando esattamente questo tipo di analisi e valutazioni su alcuni casi di test con il supporto degli sviluppatori del toolbox.
Di seguito riportiamo alcune visualizzazioni di analisi preliminari effettuate per prendere confidenza con le soluzioni modellistiche esistenti. In Figura 2 viene mostrato il campo di velocità per onde incidenti a vari angoli. Si può osservare come sia possibile orientare la direzionalità delle onde rispetto allo scafo per modellare condizioni di interesse.

Conclusioni e sviluppi futurì

Oggi siamo nel vivo dello sviluppo delle nuove funzionalità di LincoSim per supportare le attività di e-SHyIPS. Non siamo ancora in grado di valutarne i frutti ma la sfida è entusiasmante e ci sono tutti i presupposti per poter dire ancora una volta che strumenti open source, HPC e attività di ricerca finalizzata sono una favolosa occasione di crescita per tutti.

Bibliografia

https://aec-analisiecalcolo.it/pubblicazioni/aec/89/677/
https://aec-analisiecalcolo.it/pubblicazioni/aec/100/lincosim-validazione-di-una-applicazione-web-la-pr/
e-SHyIPS project web site: https://e-shyips.com/
Ponzini, R.; Salvadore, F.; Begovic, E.; Bertorello, C. Automatic CFD analysis of planing hulls by means of a new web-based application: Usage, experimental data comparison and opportunities. Ocean Engineering 210, 2020.
Francesco Salvadore, Raffaele Ponzini, Javier Hernández Duque, Cristian Alcántara Reinaldos, Jordi Mas Soler, CFD analysis of a multiplatform catamaran by means of a web-based application: Experimental data comparison for a fully automated analysis process, Applied Ocean Research, Volume 116,2021,102886,ISSN 0141-1187,https://doi.org/10.1016/j.apor.2021.102886.
euroHPC Joint Undertaking site: https://eurohpc-ju.europa.eu/
The OpenFOAM Foundation Ltd, OpenFOAM. https://openfoam.org/

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