Efficient processes for solid-state hydrogen storage and thermally-driven compression applications

Abstract

For the development of a hydrogen-based global economy, safe and efficient ways of storing hydrogen are necessary for mobile, portable, and stationary applications. For real life applications, hydrogen needs to be stored safely for variable periods of time as efficiently as gasoline20. In addition, simple handling and low costs should also be ensured to ensure the commercialisation of such technology. On the other hand, the unique physical and thermodynamic properties of hydrogen gas are acting as a major drawback for the full implementation of the hydrogen technologies. According to the analysis of hydrogens’ phase diagram21, under normal temperature and pressure conditions, 1 kg of hydrogen will occupy a volume of 12.15 m3 and an energy content of 33.5 kWh, whereas for the same energy content, the volume that gasoline occupies is 0.0038 m3. Thus, the volumetric density must increase if hydrogen is to be a competitive energy carrier. Such target can be achieved by reducing the volume that hydrogen occupies under normal conditions. Such behavior can be achieved if the “normal” state of hydrogen is changed and can be achieved in various ways: by compressing the hydrogen gas (thus, increasing the temperature), by decreasing the temperature below the critical point (so, hydrogen will be liquified), and finally, by decreasing the repulsion interaction between the hydrogen molecules by creating bonds with another material. As a result, three different ways for hydrogen storage are identified: compressed hydrogen storage, cryogenic hydrogen storage, and solid-state hydrogen storage. The key output of this Thesis is the development of novel processes for hydrogen storage and non-mechanical hydrogen compression. Various hydride-forming intermetallics have be developed and applied as hydrogen storage mediums. In addition, advanced thermal management scenarios for both the hydrogenation (exothermic) and dehydrogenation (endothermic) are generated and applied to the metal hydride beds. Finally, a numerical approach for the efficient prediction of the performance of multi-stage hydride-based hydrogen compressors is investigated. The software used for these studies is COMSOL Multiphysics 5.5. Various intermetallics have been introduced and their performance as hydrogen storage mediums is examined and analysed. In addition, novel thermal management techniques to enhance the hydrogen storage/release kinetics of the suggested intermetallics are introduced and investigated.

Για την ανάπτυξη μιας παγκόσμιας οικονομίας βασισμένης στο υδρογόνο, είναι απαραίτητοι ασφαλείς και αποτελεσματικοί τρόποι αποθήκευσης υδρογόνου για κινητές, φορητές και σταθερές εφαρμογές. Για να μπορέσουν οι τεχνολογίες υδρογόνου να εφαρμοστούν με επιτυχία στην καθημερινή μας ζωή, το υδρογόνο θα πρέπει να αποθηκεύεται με ασφάλεια για μεταβλητές χρονικές περιόδους τόσο αποτελεσματικά όσο τα καύσιμα τα οποία χρησιμοποιούμε σήμερα, όπως η βενζίνη. Επιπλέον, ο απλός και ασφαλής χειρισμός του υδρογόνου και το χαμηλό κόστος θα πρέπει επίσης να διασφαλίζονται για να εξασφαλιστεί η εμπορευματοποίηση αυτής της τεχνολογίας. Από την άλλη πλευρά, οι μοναδικές και ιδιαίτερες φυσικές και θερμοδυναμικές ιδιότητες του αερίου υδρογόνου λειτουργούν ως τροχοπέδη για την πλήρη εφαρμογή των τεχνολογιών υδρογόνου στην καθημερινότητα. Σύμφωνα με την ανάλυση του διαγράμματος φάσης των υδρογόνων, υπό κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, 1 kg υδρογόνου θα καταλαμβάνει όγκο της τάξεως των 12,15 m3 και ενεργειακό περιεχόμενο 33,5 kWh, ενώ για το ίδιο ενεργειακό περιεχόμενο, ο όγκος που καταλαμβάνει η βενζίνη είναι 0,0038 m3. Έτσι, η ογκομετρική πυκνότητα πρέπει να αυξηθεί για να είναι το υδρογόνο ανταγωνιστικός φορέας ενέργειας. Αυτός ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί με τη μείωση του όγκου που καταλαμβάνει το υδρογόνο υπό κανονικές συνθήκες. Μια τέτοια συμπεριφορά μπορεί να επιτευχθεί εάν αλλάξει η «κανονική» κατάσταση του υδρογόνου και μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους: συμπιέζοντας το αέριο υδρογόνο, μειώνοντας τη θερμοκρασία κάτω από το κρίσιμο σημείο (ώστε να επιτύχουμε υγρό υδρογόνο το υδρογόνο), και τέλος, μειώνοντας την αλληλεπίδραση απώθησης μεταξύ των μορίων υδρογόνου και δημιουργώντας δεσμούς με κάποιο άλλο υλικό. Ως αποτέλεσμα, εντοπίζονται τρεις διαφορετικοί τρόποι αποθήκευσης υδρογόνου: αποθήκευση υδρογόνου σε συμπιεσμένη (αέρια) μορφη, αποθήκευση υδρογόνου σε υγρή μορφή και αποθήκευση υδρογόνου σε στερεά κατάσταση. Το βασικό αποτέλεσμα αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων διεργασιών αποθήκευσης υδρογόνου σε στερεά κατάσταση και διεργασίες για συμπίεση υδρογόνου βασισμένη σε θερμικές διεργασίες. Διάφορα διαμεταλλικά υλικά που σχηματίζουν μεταλλικά υδρίδια αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν ως μέσα αποθήκευσης υδρογόνου. Η βασικότερη πρόκληση της παρούσης εργασίας είναι η δημιουργία προηγμένων σεναρίων θερμικής διαχείρισης τόσο για την υδρογόνωση (εξώθερμη) όσο και για την αφυδρογόνωση (ενδόθερμη) και η εφαρμογή τους σε κλίνες μεταλλικών υδριδίων. Τέλος, διερευνάται μια αριθμητική προσέγγιση για την αποτελεσματική πρόβλεψη της απόδοσης συμπιεστών υδρογόνου πολλαπλών σταδίων με βάση τα μεταλλικά αυτά υδρίδια. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για αυτές τις μελέτες είναι το COMSOL Multiphysics 5.5. Για την παρούσα εργασία, οι ιδιότητες διαφόρων μεταλλικών υδριδίων χρησιμοποιήθηκαν ως μέσα αποθήκευσης υδρογόνου και εισήχθησαν στο λογισμικό. Επιπλέον, εισήχθησαν και διερευνήθηκαν νέες τεχνικές θερμικής διαχείρισης για την ενίσχυση της κινητικής αποθήκευσης/απελευθέρωσης υδρογόνου των προτεινόμενων διαμεταλλικών.