Studio numerico sulle prestazioni di un sistema di ventilazione forzata in caso di perdita di idrogeno in una sala macchine sotterranea

Mantenere sicuro l'idrogeno sottoterra

L'idrogeno è spesso presentato come un combustibile pulito del futuro, ma è anche altamente infiammabile e molto leggero, il che lo rende incline ad accumularsi sotto i soffitti se perde in ambienti chiusi. Con le città che cercano di collocare apparecchiature e stazioni di rifornimento di idrogeno sotto terra per risparmiare spazio e migliorare la sicurezza a livello stradale, sorge una domanda urgente: come evitare che l'idrogeno fuoriuscito si accumuli fino a livelli esplosivi in locali sotterranei angusti? Questo studio usa simulazioni al computer dettagliate per valutare quanto efficacemente diverse disposizioni di ventilatori e bocchette possano rimuovere l'idrogeno fuoriuscito da una compatta sala macchine sotterranea.

Perché spostare i sistemi a idrogeno sottoterra?

Le stazioni di idrogeno in superficie devono essere separate da abitazioni, scuole e altri edifici da ampie distanze di sicurezza. Nelle città dense, trovare ampie aree libere per tali strutture è difficile, rallentando la diffusione dei trasporti a idrogeno. Interrare le apparecchiature chiave può ridurre l'impatto di un’esplosione sulle strutture vicine e rendere più semplici i punti di rifornimento. Ma andare sottoterra elimina le brezze naturali e introduce limiti strutturali su quante aperture si possano praticare in pareti e soffitti. Gli autori si concentrano su una stanza di cemento realisticamente piccola, di pochi metri per lato, per osservare come si diffonderebbe l'idrogeno in caso di perdita e come la ventilazione forzata potrebbe smaltirlo.

Come sono state testate al computer la perdita e la ventilazione

Il team ha costruito un modello tridimensionale di una stanza sotterranea con un ugello di idrogeno a pavimento, una piccola bocchetta laterale vicino al pavimento, una più ampia bocchetta di immissione principale e una o due ventole di aspirazione a livello di soffitto. Utilizzando software commerciale per il flusso di fluidi, hanno simulato l’idrogeno che esce a getto dal pavimento e si mescola con l'aria stagnante, per poi essere rimosso quando le ventole vengono attivate. Nove casi “what-if” hanno variato tre fattori principali: il numero di ventole attive, se la bocchetta di immissione principale fosse aperta o chiusa, e la velocità della perdita di idrogeno. Le simulazioni hanno monitorato come la concentrazione di idrogeno cambiava in molti punti della stanza e, cosa importante, quanto tempo impiegava il valore medio per attraversare soglie di sicurezza chiave legate all’infiammabilità.

Cosa succede quando l'idrogeno perde all'interno

In tutti i casi di perdita è emerso lo stesso schema: l'idrogeno proiettava verso l'alto come un getto stretto, urtava il soffitto e poi si propagava lateralmente formando uno strato di gas che si addensava gradualmente e scendeva. Punti alla stessa altezza hanno mostrato concentrazioni simili, mentre le posizioni più alte sono diventate pericolose prima. A portate di perdita realistiche, ampie parti della stanza hanno raggiunto un intervallo chiaramente infiammabile in meno di un minuto e, senza alcuna ventola in funzione, gran parte dello spazio ha superato il 10 percento di idrogeno entro cinque minuti. Aprire una bocchetta verso l'esterno ha fornito un certo sollievo naturale, ma non abbastanza per mantenere i livelli al di sotto del limite inferiore di accensione.

Come la disposizione delle ventole modifica i margini di sicurezza

Quando i ricercatori hanno attivato la ventilazione forzata dopo una perdita, la disposizione di ventole e bocchette ha fatto una differenza notevole. Se la bocchetta di immissione principale restava chiusa, anche aggiungere una seconda ventola di scarico accelerava la diluizione solo in modo modesto. Al contrario, aprire la bocchetta di immissione in modo che l'aria fresca potesse entrare liberamente ha ridotto il tempo necessario perché l'idrogeno vicino al soffitto scendesse al di sotto del limite infiammabile di circa il 75–90 percento. Posizionare la bocchetta di immissione e quella di scarico sulla stessa parete ha funzionato meglio che metterle su pareti opposte, poiché disposizioni sfavorevoli creavano sacche stagnanti vicino a un ingombro del soffitto dove l'idrogeno ristagnava. Nelle configurazioni migliori, la parte superiore della stanza è scesa sotto il livello infiammabile in pochi secondi; nelle peggiori, poteva richiedere più di un minuto.

Una semplice regola pratica

Parallelamente alle simulazioni dettagliate, gli autori hanno sviluppato un semplice modello matematico che tratta l'intera stanza come se il gas fosse perfettamente miscelato. Questo modello utilizza solo il volume della stanza, la portata di perdita e le portate di immissione e scarico delle ventole per stimare come il livello medio di idrogeno aumenta e diminuisce nel tempo. Quando la stanza simulata si comportava in modo abbastanza uniforme—senza forti sacche di alta o bassa concentrazione—il modello semplice ha previsto il tempo per raggiungere o scendere sotto le soglie di infiammabilità con un errore di circa il 7 percento. Nei casi con forte stratificazione o zone stagnanti, l'errore cresceva intorno al 15 percento, ma forniva comunque una prima stima ragionevole. Ciò rende il modello utile nelle fasi di progettazione iniziale, riservando le simulazioni dettagliate per le verifiche finali.

Cosa significa per le sale idrogeno sotterranee

Per chi progetta sale macchine per idrogeno sottoterra, il messaggio dello studio è chiaro: la disposizione delle bocchette può contare tanto quanto, o più di, la potenza delle ventole. Assicurare un'ampia presa d'aria fresca e posizionare questa immissione in modo coordinato con la ventola di scarico—idealmente sullo stesso lato e orientata a spazzare le aree dove si accumula l'idrogeno—può ridurre il tempo in cui la stanza rimane in uno stato infiammabile fino al 90 percento. Gli autori dimostrano che con una geometria intelligente e portate d'aria moderate, le sale sotterranee possono rispettare severi obiettivi di sicurezza dell'idrogeno senza praticare ampie aperture che indebolirebbero la struttura di pareti e soffitti.

Citazione: Shin, HC., Hwang, I. & Seo, H. Numerical study on the performance of a forced ventilation system under hydrogen leakage in an underground hydrogen equipment room. Sci Rep 16, 10782 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43773-5

Parole chiave: sicurezza dell'idrogeno, rifornimento sotterraneo, progettazione della ventilazione, dispersione di gas per fuga, dinamica dei fluidi computazionale