Ενεργειακή διερεύνηση υλοποίησης θερμοκρασιακού ελέγχου σε δοχείο αποθήκευσης υδρογόνου τεχνολογίας μεταλλικών υδριδίων.

Abstract

Το υδρογόνο αποτελεί μια νέα μορφή ενέργειας, πολλά υποσχόμενη καθώς έχει υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο, είναι φιλικό προς το περιβάλλον και αποτελεί το 90% του σύμπαντος. Ωστόσο, υπάρχουν και μειονεκτήματα στη χρήση του υδρογόνου ως φορέα ενέργειας, τα σημαντικότερα από τα οποία είναι η ασφαλής και αποτελεσματική αποθήκευση του και το αυξημένο κόστος των διαφόρων ενεργειακών διατάξεων που χρησιμοποιούνται για την αξιοποίησή του σαν καύσιμο (κυψέλες καυσίμου).

Το υδρογόνο δεν αποτελεί τη μοναδική εναλλακτική λύση έναντι των παγκόσμιων κλιματικών αλλαγών και της μείωσης των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων. Υπάρχουν και άλλες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν παράλληλα και αποτελεσματικά με το υδρογόνο καλύπτοντας έτσι τις ενεργειακές ανάγκες μιας περιοχής.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή θα διερευνηθεί πειραματικά η συμπεριφορά του δοχείου μεταλλικών υδριδίων για αποθήκευση υδρογόνου που υπάρχει στο εργαστήριο γεωργικής μηχανολογίας. Η ποσότητα που μπορεί να αποθηκεύσει το δοχείο εξαρτάται εκτός από τα γεωμετρικά του χαρακτηριστικά και την χημική σύνθεση του μεταλλικού υδριδίου από την θερμοκρασία του δοχείου και την πίεση που αναπτύσσεται εντός αυτού. Κατά την πλήρωση του δοχείου με υδρογόνο η χημική αντίδραση ρόφησης υδρογόνου στο μεταλλικό πλέγμα είναι εξώθερμη και το μεταλλικό υδρίδιο ζεσταίνεται και η πίεση αυξάνεται μειώνοντας την χωρητικότητα σε υδρογόνο. Κατά την εκρόφηση υδρογόνου από το δοχείο η αντίδραση είναι ενδόθερμη και έτσι παρατηρείται πτώση της θερμοκρασίας. Λόγω της πτώσεως της θερμοκρασίας μειώνεται η αποδέσμευση του υδρογόνου και έτσι δεν μπορεί να αξιοποιηθεί πλήρως η αποθηκευμένη ποσότητα. Επομένως γίνεται κατανοητό ότι είναι θεμιτή η ψύξη του δοχείου κατά την πλήρωση με υδρογόνο και η θέρμανση κατά την κατανάλωση του υδρογόνου. Σε αυτόνομα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας θα πρέπει αρχικά να μελετηθεί η ενεργειακή βιωσιμότητα της ψύξης και της θέρμανσης του δοχείου αυτού. Η παραπάνω πειραματική μελέτη πραγματοποιήθηκε σε ένα μεταλλικό υδρίδιο τύπου ΑΒ5 το οποίο βρίσκεται στο εργαστήριο γεωργικής μηχανολογίας και αποτελεί μέρος του πειραματικού συστήματος αυτόνομου μικροδικτύου. Από την ανάλυση των πειραματικών τιμών που συγκεντρώθηκαν γίνεται αντιληπτό ότι σε ένα αυτόνομο σύστημα που η σωστή διαχείριση της παρεχόμενης ενέργειας είναι πρωταρχικώς σκοπός, η ψύξη του υδριδίου δεν είναι ενεργειακά συμφέρουσα. Αντιθέτως η θέρμανση του μεταλλικού υδριδίου είναι απαραίτητη και προτείνεται να γίνεται μέσω της ανάκτησης της απόβλητης θερμότητας της κυψέλης καυσίμου.

Hydrogen is considered to be the most promising alternative energy carrier, because it has high energy content, it is environment -friendly and makes up to 90% of the universe. However, although hydrogen possesses significant advantages, it also exhibits major drawbacks in its utilization. The most important of them being its safe and effective storage and the cost of the parts and catalysts used in fuel cells, via which energy production takes place. Hydrogen is not the only alternative solution to global climate change and declining fossil fuel reserves. There are other forms of renewable energy that can be implemented in parallel and effectively with hydrogen in order to satisfy the energy needs of a region.

This master thesis will investigate the behavior of the metal hydride for hydrogen storage that experimentally exists in agricultural engineering laboratory,. The amount of hydrogen that can store the hydride apart from the geometrical characteristics of the container and the chemical composition of the material depends on the temperature of the container and the pressure developed therein. When filling the container with hydrogen, the reaction of hydrogen sorption in a metal matrix is exothermic and the metal hydride is heated and the pressure is increased by reducing the capacity in hydrogen. On the contrary the desorption of hydrogen from the container is an endothermic reaction and thus there is a fall in temperature. Due to the drop in temperature the released hydrogen decreases and thus we cannot take full advantage of the stored quantity of hydrogen. Consequently it is understood that cooling off during the filling with hydrogen and heating the vessel consumption it is desirable. In autonomous renewable energy systems the energy sustainability of cooling and heating this container will be studiedinitially.

The above experimental study was conducted in a metal hydride type AB5 located in agricultural engineering workshop and is part of the test system of an autonomous microgrid.

From the analysis of the experimental values it can be seen that at an autonomous system, where the proper management of the supply energy is the primary aim, the cooling of hydride is not advantageous. However the heating of the metal hydride is required and proposed through the recovery of the fuel cell’s waste heat.