Energijos tankio našumas: žaliojo vandenilio saugojimo masinis ir tūrinis tikrovės aspektai

Metalų hidridų masinės ribos priešingai lyginant su suspausto dujų sistemomis

Kietųjų kūnų vandenilio saugojimo problema taip pat yra per didelė masė. Dauguma metalų hidridų gali saugoti tik apie 4,5 svorio procento vandenilį, kas nepakanka JAV energijos departamentui nustatytiems 2025 m. tikslams (jų tikslas – 5,5 svorio %). Šis maždaug 20 % skirtumas susijęs su tuo, kad šie saugojimo sprendimai reikalauja ganėtinai sunkių metalų, kad iš tikrųjų absorbuotų vandenilį. Kitu požiūriu, šiandien veikiantys 700 bar slėgio suspausto dujų sistemos gali laikyti vandenilį maždaug 5,7 svorio % efektyvumu ir jiems nereikia jokių papildomų medžiagų, išskyrus tas, kurios reikalingos pačiam suspaudimui.

700 bar sferinių bakų tūriniai privalumai naudojant žaliąjį vandenilį komunalinėse sistemose

Sferiniai bakai veikia tikrai puikiai, kai trūksta vietos. Metalų hidridų saugyklos teoriškai gali sutalpinti apie 80 kg vandenilio kubiniame metre, tačiau realiuose sistemose, įvertinus visus būtinus konteinerius ir aušinimo sistemas, dažniausiai pasiekiamas tik apie pusė to kiekio. Žaliosios vandenilio gamyklos, kuriose naudojami 700 bar slėgio sferiniai bakai, iš tikrųjų saugo apie 40 kg/m³, tuo pačiu reikalingas žymiai paprastesnis temperatūros valdymas. Ši skirtis šiais laikais taip pat turi didelės reikšmės. Šie apvalūs bakai leidžia operatoriams sukaupti maždaug 30 procentų daugiau vandenilio tame pačiame fizinėje erdvėje lyginant su kietosiomis būsenomis skirtomis didelės apimties operacijomis. Nesenai žurnale „Energy Reports“ paskelbta studija tai labai tvirtai patvirtina.

Sistemos lygio tankio kompromisiniai sprendimai: izoliacija, talpyklų masė ir balanso–augalinės įrangos poveikis

Kai inžinieriai vertina saugyklos sprendimus, jie turi atsižvelgti ne tik į pagrindinę saugyklą patį. Metalų hidridų sistemos kelia savo ypatingus iššūkius, įskaitant cryogeninės izoliacijos poreikį, kuri paprastai padidina bendrą sistemos svorį maždaug 15–20 procentų. Taip pat reikia atsižvelgti į vandenilio valymo įrangą ir šiluminio valdymo sistemas, kurios sunaudoja apytiksliai dvidešimt procentų to, kas yra saugoma. Kita vertus, didelio slėgio sistemos dažniausiai pasižymi geresne efektyvumu, nes suspaudimo procesuose prarandama tik apie aštuonis procentus, nors šioms sistemoms reikia specialių lydinių talpykloms gaminti. Sferinės talpyklos čia taip pat suteikia tikrus privalumus. Jos sumažina papildomų komponentų poreikį kitose gamyklos vietose ir, kai jos padidinamos tinklui skirtoms programoms, gali palaikyti įspūdingą saugojimo ir tiekimo efektyvumą – apie devyniasdešimt du procentus. Tai daro jas ypač patraukliomis integruojant su atsinaujinančiais energijos šaltiniais, kur tokia efektyvumas ypač svarbus.

Technologiškai-ekonominė žaliosios vandenilinės energijos kaupimo galimybių analizė

Kapitalo išlaidų (CAPEX) palyginimas: metalų hidridų medžiagų sintezė ir sertifikavimas prieš ASME standartams atitinkančių sferinių talpyklų gamybą

Metalų hidridų saugyklos sistemoms būdingos ganėtinai didelės kainos dėl sudėtingų medžiagų apdorojimo procesų ir griežtų saugos sertifikavimo reikalavimų įvykdymo. Remiantis pramonės duomenimis, vien tik šių sudėtingų lydinių medžiagų kaina dažnai viršija 15 JAV dolerių už kilogramą, o dar papildomai 20–30 procentų kainos sudaro tinkamas sertifikavimas. Kita vertus, ASME standartams atitinkančios sferinės talpos naudoja standartines gamybos technologijas, kurias dauguma gamyklinių įmonių jau seniai išmoko taikyti, todėl jų pradinės sąnaudos yra maždaug 40–60 procentų žemesnės nei palyginus su kietosiomis būsenomis veikiančiomis sistemomis. Kodėl taip? Todėl, kad gamintojai jau daug metų gamina panašius produktus ir jiems nereikia eksotinių medžiagų. Vis dėlto verta pažymėti, kad abu sprendimai nėra pigūs, kalbant apie didelio masto žaliosios vandenilio projektus. Abiem atvejais reikia rimtų pradinių investicijų dar prieš pradedant gauti realių naudos rezultatų.

OPEX veiksniai: suspaudimo energija, ciklų gyvavimo laiko nykimas ir šilumos valdymas žaliajai vandeniliui gaminti

Operacinės sąnaudos rodo ganėtinai didelius skirtumus tarp saugojimo variantų. Didelio slėgio sistemos praranda apie 8–12 procentų saugomos energijos tik suspaudimui, tuo tarpu metalų hidridai laikui bėgant palaipsniui praranda talpą – kiekvieno ciklo metu maždaug pusę dešimtosios procento. Palaikymas reikiamoje temperatūroje suvartoja maždaug ketvirtadalį iki beveik pusės visų įmonių išlaidų kietųjų medžiagų saugyklose, nes reikia nuolatinės klimato kontrolės. Tokios sferinės talpyklos esant normaliam atmosferos slėgiui šios problemos neturi. Tačiau šių apvalių konstrukcijų trūkumas yra tas, kad vožtuvai ir reguliatoriai dažniau susidėvi, todėl reikia dažnesnių remontų. Kai visi šie skaičiai vertinami vienas kitam, 700 bar sistemų įrengimo kaina paprastai siekia apie 1,7 mln. JAV dolerių už kiekvieną saugomą gigavatvalandę, palyginti su maždaug 2,4 mln. JAV dolerių, kai žaliųjų vandenilio projektuose naudojamos metalų hidridų sistemos.

Mastelio keitimo galimybė ir pramoninės žaliųjų vandenilio infrastruktūros diegimo paruoštumas

Šilumos valdymo iššūkiai, ribojantys kietųjų medžiagų saugyklos masto padidinimą žaliųjų vandenilio įrenginiuose

Kietųjų kūnų vandenilio kaupimo problema yra šilumos valdymas absorbcijos ir išsiskyrimo metu, kas kelia kliūčių bandant šiuos sistemas padidinti realaus pasaulio pramoniniam naudojimui. Temperatūros stabilizavimas maždaug 5 °C ribose yra absoliučiai būtinas, kad būtų išvengta medžiagų laikui bėgant suskylimo. Tačiau tokia tikslumas tampa labai sudėtingas dirbant su dideliais vandenilio kiekiais. Papildomų aušinimo įrenginių reikmė prideda dar vieną sudėtingumo lygį. Šie aušinimo sistemos iš tikrųjų sunaudoja nuo 15 % iki 30 % kaupiamo vandenilio, be to, jos užima vertingą vietą viso gamybos objekto planuojamoje schemoje. Remiantis dabartinėmis tendencijomis, dauguma didžiųjų žaliųjų vandenilio projektų net neapsvarsto kietųjų kūnų sprendimų po mažųjų masto bandymų. Pramonės ekspertai nurodo šiluminio valdymo problemas kaip pagrindinę priežastį, dėl kurios šis sprendimas kol kas neprasiskverbė plačiai.

Patvirtinta aukšto slėgio sferinių rezervuarų mastelio padidinimo galimybė esamuose žaliųjų vandenilio bandymų ir komerciniuose projektuose

Aukšto slėgio sferiniai rezervuarai yra paruošti naudoti iš karto iš dėžės. Visame pasaulyje šiuo metu yra daugiau nei 47 didelio masto žaliųjų vandenilio projektai, kuriuose saugoma po daugiau kaip 100 tonų kiekvienam, o visi jie veikia su šiais 700 bar talpykliniais indais. Jų ypatingumas – natūrali šiluminė stabilumas, todėl nereikia sudėtingų aušinimo sistemų. Tai reiškia, kad įmonės gali plėsti savo veiklą moduliu po modulo, naudodamos standartines, ASME sertifikatu patvirtintas konstrukcijas. Pavyzdžiui, Škotijoje įrengtas 2,5 gigavatvalandės atsinaujinančių energijos šaltinių vandenilio centrasis mazgas buvo paleistas per tiksliai 18 mėnesių. Toks greitis tiesiog neįmanomas su kietosiomis alternatyvomis, kurios vis dar yra kūrimo stadijoje. Greitas mastelio padidinimas suteikia sferiniams rezervuarams tikrą pranašumą naujos pramoninės infrastruktūros statyme, ypač svarbu projektams, kuriems reikia skubėti dėl vyriausybių visame pasaulyje nustatytų anglies mažinimo terminų.

Dažniausiai paskyrančių klausimų skyrius

Koks yra JAV Energetikos departamento nustatytas tikslas dėl vandenilio saugojimo svorio našumo?

JAV Energetikos departamentas siekia pasiekti 5,5 procentų svorio našumą vandenilio saugojimo sprendimams iki 2025 metų.

Kaip sferiniai bakai lyginami tūriškai su metalų hidridų saugojimo sistemomis?

700 bar slėgiu veikiantys sferiniai bakai gali saugoti maždaug 40 kg/m³ vandenilio, užtikrindami apie 30 % didesnį saugojimą tame pačiame plote palyginti su metalų hidridų sistemomis.

Kokie yra pagrindiniai metalų hidridų sistemų iššūkiai žaliojo vandenilio taikymuose?

Metalų hidridams reikia kriogeninės izoliacijos ir šiluminio valdymo sistemų, kurios padidina sistemos svorį ir sudėtingumą.

Kaip sferinių bakų kapitalinės sąnaudos (CAPEX) lyginamos su metalų hidridų sistemomis?

Dėl standartinių gamybos metodų sferiniai bakai turi žemesnes pradines sąnaudas, todėl jų kapitalinės sąnaudos (CAPEX) yra mažesnės maždaug 40–60 procentų palyginti su metalų hidridų sistemomis.