09242018po

Transport a skladování vodíku

Skladování vodíku I

Vývoj bezpečného, cenově dostupného a energeticky efektivního způsobu uskladnění vodíku je klíčový pro budoucnost vodíkových technologií a palivových článků. Vodík má ze všech paliv nejmenší hustotu a nejnižší bod varu, což značně komplikuje jeho skladování.

Technologie pro skladování vodíku můžeme dle stupně výzkumu a vývoje v zásadě rozdělit na konvenční a alternativní. Ke konvenčním technologiím patří především tlakové nádoby pro plynný vodík a kryogenní nádoby pro zkapalněný vodík. Zástupcem alternativních technologií je např. skladování vodíku v metalydridech, komplexních hydridech, v nanostrukturách uhlíku a jako součást chemických látek.

Abychom mohli porovnat jednotlivé možnosti uskladnění vodíku, zaměříme se na sledování několika parametrů.

Prvním parametrem je hmotnostní kapacita, která je definována jako poměr hmotnosti vodíku vzhledem k hmotnosti celého systému, obvykle se udává v procentech [%hm], (v anglické literatuře je označována jako gravimetric density [%mass]).

Další parametr - objemová kapacita - je definována jako poměr hmotnosti vodíku ku objemu systému, jednotkou je kgH2/m3 příp. gH2/l (v anglické literatuře je označován jako volumetric density ).

Různá paliva mají různé hodnoty výhřevnosti. Pokud tedy porovnáváme systémy s různými palivy je vhodnější místo objemové kapacity sledovat parametr hustota energie, jednotkou je kWh/l popř. kJ/l.

Skladování vodíku v plynné fázi:

Pro statické aplikace se obvykle používá ocelových bezešvých lahví z nízkouhlíkaté nebo legované oceli. Vyrábějí se v objemech od několika litrů až do přibližně 50 l pro běžné aplikace.V mobilních aplikacích se obvykle používá kompozitních tlakových nádob. Vyrábějí se v objemech od desítek litrů až přibližně do 300 l. Typickým provozním tlakem je 350 bar, v nejnovějších aplikacích potom 450 až 700 bar (současný technologický limit je 1000 bar). V mnoha aplikacích je válcový tvar mírně deformován v závislosti na potřebách zástavby do úložného prostoru vozidla. Vnitřní povrch kompozitních lahví tvoří obvykle tenká vrstva kovu případně speciálního polymeru, která zabraňuje úniku plynu přes strukturu kompozitu.

storage

Pokud chceme skladovat vodík ve vysokotlakých nádržích musíme jej nejprve stlačit na požadovaný tlak. Pro stlačování vodíku se používá zejména pístových kompresorů. Energie potřebná na stlačení vodíku na 350 bar dosahuje přibližně 30 % energie v palivu.

Skladování vodíku v kapalné fázi:

Běžně využívaná fosilní paliva je možné skladovat v kapalném stavu za běžných teplot a při relativně nízkých tlacích, oproti tomu kapalný vodík je skladován při teplotě -253 ºC; s tím souvisejí zvýšené nároky na použité materiály a vysoké energetické nároky na zkapalnění.

storage

Vodík je ze zásobníku čerpán jako kapalina - pro spalovací motory nebo jako plyn - pro palivové články.

Pro uskladnění se používají vícevrstvé nádoby s velmi dobrými izolačními vlastnostmi s maximálním přetlakem 5 barů. Tyto nádoby musejí být vybaveny přetlakovým mechanismem, kterým je regulován maximální přípustný přetlak. Při skladování vodíku v kryogenních nádobách dochází vlivem přestupu tepla z okolí k postupnému odpařování a tedy zvyšování tlaku uvnitř této nádoby. Aby nedošlo k destrukci nádrže, musí být přebytečný tlak regulován odpouštěním odpařeného vodíku. Pro běžně používané nádrže dosahují ztráty až 3 % z obsahu na den.V některých aplikacích je takto unikající vodík jímán a stlačován do přídavných tlakových lahví.

Zkapalňování vodíku je technologicky i energeticky náročný proces. Energie potřebná ke zkapalnění dosahuje přibližně 40 % energie v palivu.

Závěr:

Následující obrázek (klikněte pro zvětšení) zobrazuje hmotnostní a objemové kapacity současných skladovacích systému, včetně cílů jež si vytyčilo americké ministerstvo dopravy U.S DOE (United States Department Of Energy).

 

show preview

Na následující obrázku jsou naznačeny hmotnostní a objemové parametry pro plnou nádrž, která je schopna pojmout 6 kg H2, což je hmotnost zajišťující osobnímu vozu střední třídy dojezd přibližně 500 km.(ekvivalentní benzínová nádrž cca 55 kg, 45 l)

storage

Vozidlo s dojezdem 500 km bude mít tedy přibližně čtyřikrát až šestkrát objemnější nádrž oproti vozidlu spalující benzín a dvakrát až třikrát vyšší hmotnost nádrže (v případě ocelových lahví až sedmkrát !).

Konveční způsoby skladování vodíku jsou bezpečné a lety provozu ověřené systémy, jejich technologický potenciál je však téměř vyčerpán. Hmotnostní kapacita je závislá především na materiálu skladovací nádoby, vhodným materiálem tedy můžeme tento parametr mírně zlepšit. Naproti tomu objemová kapacita je závislá na skladovacím tlaku a teplotě vodíku (dolní limit určuje hustota zkapalněného vodíku) a je limitující pro oba tyto systémy. Energie potřebná ke stlačení a zkapalnění se pohybuje v rozmezí 20 - 40 % z LHV vodíku dle způsobu uskladnění.

Pro naplnění cílů U.S. DOE pro rok 2010 bude tedy nutné nalézt alternativní způsoby uskladnění vodíku. (článek v přípravě)

související články:

Akce aktuální

16 10. 2018
Fuel Cell conference at fair eMove 360°

16.-18. October 2018, Messe München

23 10. 2018
27 1. 2019

Facebook

členové platformy

ČVUT FS
ÚJV Řež a.s.
VŠCHT Praha
UNITED HYDROGEN, a.s.
Centrum výzkumu Řež s.r.o.
Unipetrol
Pražská plynárenská, a.s.
Leancat s.r.o.
Český plynárenský svaz (ČPS)
GREEN REMEDY, s.r.o.
DEVINN – Development Innovation
Projekt ČESKÁ VODÍKOVÁ TECHNOLOGICKÁ PLATFORMA 2020 je spolufinancován Evropskou unií

Tento web používá k poskytování služeb a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte.