Zmogljivost energijske gostote: Gravimetrične in volumetrične realnosti za shranjevanje zelene vodika

Gravimetrične omejitve kovinskih hidridov v primerjavi s sistemi za stisnjen plin

Težava s trdno fazo shranjevanja vodika je v tem, da je pretežka. Večina kovinskih hidridov doseže le približno 4,5 % težnostne kapacitete shranjevanja, kar je manj kot cilj ZDA Ministrstva za energijo za leto 2025 (njihov cilj je 5,5 % tež.) – razlika približno 20 % izhaja iz dejstva, da ti sistemi za shranjevanje za dejansko absorbiranje vodika potrebujejo precej težke kovine. Če pogledamo stvari drugače, lahko današnji sistemi za stisnjen plin, ki delujejo pod tlakom 700 bar, shranjujejo vodik z učinkovitostjo približno 5,7 % tež., pri čemer ne zahtevajo nobenih dodatnih materialov poleg tistih, ki so potrebni za stiskanje samega plina.

Volumetrične prednosti sfernih rezervoarjev za tlak 700 bar v aplikacijah zelene vodikove energije na ravni energetskih omrežij

Kroglasti rezervoarji delujejo zelo dobro, kadar je prostor omejen. Shranjevanje v kovinskih hidridih teoretično omogoča shranjevanje približno 80 kilogramov na kubični meter, v praksi pa sistemi običajno dosežejo le približno polovico te vrednosti, saj moramo upoštevati vse potrebne posode in hladilne sisteme. Rastline za proizvodnjo zelene vodikove energije, ki delujejo s kroglastimi rezervoarji pod tlakom 700 bar, dejansko shranjujejo približno 40 kg/m³, pri čemer zahtevajo veliko manj zapleteno regulacijo temperature. Razlika danes tudi zelo pomembna. Ti kroglasti rezervoarji omogočajo operaterjem, da znotraj istega fizičnega prostora zberejo približno 30 odstotkov več vodika kot trdne rešitve za velike sisteme. Nedavna študija, objavljena v reviji Energy Reports, to zelo močno potrjuje.

Izbire gostote na ravni sistema: izolacija, teža ohišja in vplivi na ostale komponente sistema

Pri izbiri rešitev za shranjevanje morajo inženirji upoštevati več kot le glavno sredstvo za shranjevanje samega. Sistemi na osnovi kovinskih hidridov imajo svoje posebne izzive, med drugim tudi potrebo po kriogenski izolaciji, ki običajno poveča skupno težo sistema za približno 15 do 20 odstotkov. Prav tako je treba upoštevati opremo za čiščenje vodika ter sisteme za upravljanje toplote, ki porabijo približno dvajset odstotkov shranjenega vodika. Nasprotno pa sistemi z visokim tlakom ponavadi kažejo višjo učinkovitost, saj pri stiskanju izgubijo le približno osem odstotkov; vendar za njihove posode zahtevajo posebne litine. Tukaj ponujajo tudi prednosti sferične rezervoarje. Zmanjšujejo število dodatnih komponent, potrebnih na drugih mestih v elektrarni, in pri razširjeni uporabi za omrežne aplikacije lahko dosežejo impresivne učinkovitosti shranjevanja in izdaje približno devetdeset dva odstotkov. To jih naredi še posebej privlačnimi za integracijo z obnovljivimi viri energije, kjer takšna učinkovitost resnično pomembna.

Tehnološko-ekonomsko analiza možnosti shranjevanja zelene vodikove energije

Primerjava kapitalnih stroškov: sinteza in certificiranje materialov za kovinske hidride nasproti izdelavi sferičnih rezervoarjev, skladnih z ASME

Sistemi za shranjevanje vodika na osnovi kovinskih hidridov so zelo dragi zaradi zapletenega materialnega inženirstva ter stroškov pridobitve strogiht varnostnih certifikatov. Glede na podatke iz industrije same surovine za te napredne litine pogosto stanejo več kot 15 USD na kilogram, poleg tega pa se za ustrezno certificiranje dodaja še 20 do 30 odstotkov. Na drugi strani pa sferični rezervoarji, ki izpolnjujejo zahteve ASME, koristijo iz standardnih metod izdelave, ki jih večina obratov že pozna, kar zmanjša začetne stroške za približno 40 do 60 odstotkov v primerjavi z njihovimi trdnotelnimi nadomestki. Zakaj? Ker proizvajalci že leta izdelujejo podobne izdelke in ne potrebujejo eksotičnih materialov. Kljub temu je treba opozoriti, da nobena od obeh možnosti ni poceni, kadar gre za velikomashtabne projekte zelene vodika. Oba pristopa zahtevata znatna začetna naložbena sredstva, preden se začnejo kazati kakršni koli dejanski učinki.

Gospodarski dejavniki OPEX: stiskalna energija, degradacija življenjske dobe cikla in toplotno upravljanje za operacije z zelenim vodikom

Pogled na obratovalne stroške kaže precej velike razlike med možnostmi shranjevanja. Sistemi za visokotlačno shranjevanje izgubijo približno 8 do 12 odstotkov shranjene energije le pri stiskanju, medtem ko kovinske hidride počasi izgubljajo zmogljivost s časom – približno polovico desetinke odstotka na cikel. Ohranjanje ustrezne temperature porabi približno četrtino do skoraj polovico tistega, kar podjetja porabijo za trdno stanje shranjevanja, saj je potrebna neprekinjena regulacija okoljskih pogojev. S temi sferičnimi rezervoarji pri običajnem atmosferskem tlaku pa to ni problem. Slabost teh okroglih konstrukcij je, da se ventili in regulatorji hitreje obrabljajo, kar pomeni pogostejše popravke. Ko se vse te številke med seboj primerjajo, sistemi za 700 bar običajno stanejo približno 1,7 milijona dolarjev na gigavaturo uro shranjene energije, medtem ko z uporabo sistemov na osnovi kovinskih hidridov v projektih zelenega vodika znašajo približno 2,4 milijona dolarjev.

Razširljivost in pripravljenost za razvoj industrijske infrastrukture za zeleni vodik

Tehnični izzivi pri termičnem upravljanju omejujejo razširitev trdne shrambe v objektih za zeleni vodik

Težava pri trdno-faznem shranjevanju vodika leži v upravljanju toplote med procesi absorpcije in sproščanja, kar ovira razširitev teh sistemov za industrijsko uporabo v praksi. Ohranjanje stabilne temperature znotraj približno 5 stopinj Celzija je nujno, če želimo preprečiti postopno razgradnjo materialov. Vendar postane ta vrsta natančnosti zelo zahtevna pri delu z velikimi količinami shranjenega vodika. Potreba po dodatni opremi za hlajenje dodaja še eno plast zapletenosti. Ti sistemi za hlajenje dejansko porabijo med 15 % in 30 % shranjenega vodika ter zasedajo dragocen prostor v celotni postavitvi obrata. Glede na trenutne trende večina velikih projektov zelenega vodika sploh ne upošteva možnosti trdno-faznega shranjevanja izven majhnih preskusnih različic. Strokovnjaki iz industrije navajajo težave s termičnim upravljanjem kot glavni razlog, zakaj se širša uporaba še ni uveljavila.

Preverjena razširljivost sferičnih rezervoarjev za visok tlak v obstoječih pilotnih in komercialnih projektih zelene vodikove energije

Sferični rezervoarji za visok tlak so takoj pripravljeni za uporabo. Po vsem svetu je trenutno več kot 47 velikih projektov zelene vodikove energije, ki shranjujejo več kot 100 ton vsak, in vsi delujejo na teh rezervoarjih za tlak 700 bar. Kar jih naredi posebnimi, je njihova naravna termična stabilnost, zato ni potrebe po zapletenih hladilnih sistemih. To pomeni, da podjetja lahko svoje operacije razširjajo modul po modul z uporabo standardnih konstrukcij, ki so certificirane po standardu ASME. Vzemimo za primer škotski obnovljiv vodikov center z zmogljivostjo 2,5 gigavatna ura, kjer so vse sisteme zagnali v le 18 mesecih. Takšna hitrost preprosto ni mogoča z alternativnimi trdno stanjem temelječimi rešitvami, ki so še vedno v razvoju. Možnost hitre razširitve daje sferičnim rezervoarjem resnično prednost pri hitri gradnji nove industrijske infrastrukture, kar je še posebej pomembno za projekte, ki tekmujejo z roki za zmanjšanje emisij ogljika, ki so jih določile vlade po vsem svetu.

Pogosta vprašanja

Kakšen je cilj za nosilno zmogljivost za shranjevanje vodika, ki ga je določilo ameriško ministrstvo za energijo?

Ameriško ministrstvo za energijo si prizadeva doseči zmogljivost shranjevanja 5,5 težnostnega odstotka do leta 2025 za rešitve za shranjevanje vodika.

Kako se sferični rezervoarji po prostorninski zmogljivosti primerjajo z sistemi za shranjevanje vodika v kovinskih hidridih?

Sferični rezervoarji, ki delujejo pri tlaku 700 bar, lahko shranijo približno 40 kg/m³ vodika in tako ponujajo približno 30 % večjo prostorninsko zmogljivost na istem površinskem območju kot sistemi za shranjevanje v kovinskih hidridih.

Kakšne so glavne težave sistemov za shranjevanje v kovinskih hidridih v aplikacijah zelenega vodika?

Kovinski hidridi zahtevajo kriogensko izolacijo in sisteme za upravljanje toplote, kar poveča skupno težo in zapletenost sistema.

Kako se kapitalni stroški (CAPEX) sferičnih rezervoarjev primerjajo s sistemi za shranjevanje v kovinskih hidridih?

Sferični rezervoarji imajo nižje začetne stroške zaradi standardnih metod izdelave, kar zmanjša kapitalne stroške (CAPEX) za približno 40 do 60 odstotkov v primerjavi s sistemi za shranjevanje v kovinskih hidridih.