Производителност по енергийна плътност: Гравиметрични и обемни реалности за съхранение на зелен водород

Гравиметрични ограничения на металните хидриди спрямо системите за компресиран газ

Проблемът с твърдото състояние на водородното съхранение е, че то просто тежи твърде много. Повечето метални хидриди постигат само около 4,5 масови процента капацитет за съхранение, което е недостатъчно спрямо целите на Министерството на енергетиката на САЩ за 2025 г. (тяхната цел е 5,5 мас. %). Тази разлика от около 20 % се дължи на факта, че тези решения за съхранение изискват сравнително тежки метали, за да абсорбират водорода. Разглеждайки нещата от друг ъгъл, днешните системи за компресиран газ при налягане 700 бара могат да съхраняват водород с ефективност от приблизително 5,7 мас. % и не изискват допълнителни материали освен тези, необходими за самото компресиране.

Обемни предимства на сферичните резервоари при налягане 700 бара в приложения за зелен водород на мащаба на електроенергийни системи

Сферичните резервоари работят изключително добре, когато пространството е ограничено. Съхранението на водород чрез метални хидриди теоретично може да побере около 80 килограма на кубичен метър, но в реални системи обикновено се постига само около половината от тази стойност, след като се вземат предвид всички необходими контейнери и системи за охлаждане. Зелените водородни заводи, които работят с тези сферични резервоари под налягане от 700 бара, всъщност съхраняват около 40 кг/м³ и изискват значително по-прост контрол на температурата. Разликата има голямо значение и днес. Тези кръгли резервоари позволяват на операторите да съхраняват приблизително с 30 процента повече водород в същата физическа площ в сравнение с твърдотелните алтернативи за големи мащаби. Наскоро публикувано проучване в списание „Energy Reports“ потвърждава това наблюдение с доста силни аргументи.

Компромиси в плътността на системно ниво: изолация, тегло на контейнерите и влияние върху останалата част от инсталацията

При изучаването на решенията за съхранение инженерите трябва да вземат предвид не само основния носител на информация, но и други фактори. Системите за съхранение на водород чрез метални хидриди са свързани с редица предизвикателства, включително необходимостта от криогенна изолация, която обикновено увеличава общата тегловна маса на системата с около 15–20 процента. Съществува и въпросът с оборудването за пречистване на водорода и системите за термичен контрол, които в крайна сметка консумират приблизително двайсет процента от съхранения водород. От друга страна, системите с високо налягане обикновено имат по-добра ефективност, тъй като загубите при компресирането са само около осем процента, макар че за контейнерите им се изискват специални сплави. Сферичните резервоари също предлагат реални предимства в това отношение. Те намаляват броя на допълнителните компоненти, необходими в други части на електроцентралата, и могат да поддържат впечатляващи показатели за ефективност при преобразуване на съхранената енергия в електроенергия — около деветдесет и два процента, когато се мащабират за мрежови приложения. Това ги прави особено привлекателни за интеграция с възобновяеми източници на енергия, където такава ефективност наистина има значение.

Технико-икономически анализ на опциите за съхранение на зелен водород

Сравнение на капитали (CAPEX): синтез и сертифициране на материали за метални хидриди срещу производство на сферични резервоари, съответстващи на изискванията на ASME

Системите за съхранение на метални хидриди са с доста високи цени поради сложната работа с материали, необходима за тяхното производство, както и поради изискванията за получаване на строгите сертификати за безопасност. Според отраслови данни самите материали често струват над 15 долара на килограм за тези сложни сплави, а допълнително се добавят още 20–30 процента за правилната сертификация. От друга страна, сферичните резервоари, съответстващи на изискванията на ASME, печелят от стандартните методи за производство, които повечето производствени цехове вече владеят, като това намалява първоначалните разходи приблизително с 40–60 процента в сравнение с техните твърдотелни аналоги. Защо? Защото производителите вече години наред произвеждат подобни продукти и нямат нужда от екзотични материали. Въпреки това е важно да се отбележи, че нито един от двата варианта не е евтин, когато става дума за големи проекти за производство на зелен водород. И двата подхода изискват сериозни инвестиции предварително, преди да започнат да дават реални ползи.

Драйвери за OPEX: енергия за компресиране, деградация на цикъла на живот и термичен мениджмънт за операциите със зелен водород

Анализът на експлоатационните разходи показва доста значителни разлики между вариантите за съхранение. Системите с високо налягане губят около 8–12 % от съхранената енергия само при компресирането ѝ, докато металните хидриди постепенно губят капацитет с около половин десета процент на цикъл. Поддържането на подходящата температура изразходва приблизително от една четвърт до почти половината от разходите, които компаниите правят за твърдотелно съхранение, тъй като е необходим непрекъснат климатичен контрол. Това обаче не е проблем за сферичните резервоари при нормално атмосферно налягане. Недостатъкът на тези кръгли конструкции е, че клапаните и регулаторите обикновено се износват по-бързо, което означава по-чести ремонти. Когато всички тези цифри се вземат предвид едновременно, системите при 700 бара обикновено струват около 1,7 милиона долара за всеки съхранен гигаватчас, докато при използване на метални хидриди в проекти за зелен водород разходите са около 2,4 милиона долара.

Мащабируемост и готовност за внедряване на индустриална инфраструктура за зелен водород

Проблеми с термичното управление, ограничаващи мащабирането на твърдотелни системи за съхранение в обекти за зелен водород

Проблемът с твърдотелното съхранение на водород се крие в управлението на топлината по време на процесите на абсорбция и отделяне, което затруднява мащабирането на тези системи за реална промишлена употреба. Поддържането на стабилна температура в рамките на около 5 °C е абсолютно задължително, ако искаме да избегнем деградацията на материалите с течение на времето. Обаче такава прецизност става изключително трудна при работа с големи количества съхранен водород. Необходимостта от допълнително охладително оборудване добавя още един слой сложност. Тези охладителни системи всъщност използват между 15 % и 30 % от съхранения водород, както и заемат ценно място в общата компоновка на инсталацията. Според текущите тенденции повечето големи проекти за зелен водород изобщо не разглеждат твърдотелни решения извън малки мащабни изпитания. Експертите от отрасъла сочат проблемите с термичното управление като основната причина, поради която по-широкото прилагане все още не е получило тласък.

Доказана мащабируемост на сферичните резервоари под високо налягане в съществуващи пилотни и търговски проекти за зелен водород

Сферичните резервоари под високо налягане са готови за незабавна употреба още от кутията. По целия свят в момента има повече от 47 големи проекти за зелен водород, които съхраняват по над 100 тона всеки, и всички те използват тези съдове с налягане 700 bar. Това, което ги прави особени, е естествената им термична стабилност, поради което не са необходими сложни системи за охлаждане. Това означава, че компаниите могат да разширяват операциите си модул по модул, като използват стандартни проекти, сертифицирани от ASME. Вземете за пример шотландския възобновяем водороден хъб с мощност 2,5 гигаватчас. Те въведоха цялата инфраструктура в експлоатация само за 18 месеца. Такава скорост просто е невъзможна с твърдотелните алтернативи, които все още са в стадий на разработка. Възможността за бързо мащабиране дава реално предимство на сферичните резервоари при бързото строителство на нова индустриална инфраструктура, особено важно за проекти, които се стремят да изпълнят дедлайните за намаляване на въглеродните емисии, установени от правителствата навсякъде.

Часто задавани въпроси

Каква е целта за капацитет по тегло, определена от Министерството на енергетиката на САЩ за съхранението на водород?

Министерството на енергетиката на САЩ цели капацитет по тегло от 5,5 % до 2025 г. за решения за съхранение на водород.

Как се сравняват сферичните резервоари с системите за съхранение на водород чрез метални хидриди по обем?

Сферичните резервоари, работещи при налягане 700 бара, могат да съхраняват приблизително 40 кг/м³ водород, което осигурява около 30 % по-голям капацитет за съхранение в същата площ в сравнение със системите за съхранение чрез метални хидриди.

Какви са основните предизвикателства, свързани с използването на системи за съхранение чрез метални хидриди в приложенията за зелен водород?

Металните хидриди изискват криогенна изолация и системи за термичен контрол, които увеличават теглото и сложността на цялата система.

Как се сравнява капитализираната стойност (CAPEX) на сферичните резервоари с тази на системите за съхранение чрез метални хидриди?

Сферичните резервоари имат по-ниски първоначални разходи поради стандартните методи за производство, като намаляват CAPEX приблизително с 40–60 % в сравнение с системите за съхранение чрез метални хидриди.