Амортизаторы для автомобильных резервуаров для хранения водорода

автомобильная промышленность, Зеленая мобильность, Автомобильные аккумуляторные батареи 11 марта 2021

Тема водорода как сырья для обеспечения энергией транспортных средств будущего продолжает возвращаться и в последнее время вызывает еще больший интерес. Рассмотрим возможности, предоставляемые амортизаторами для водородных резервуаров.

В наш век экологии и социальной ответственности бизнеса зеленая энергия для питания автомобилей является одним из приоритетов автомобильного рынка. Узнайте, как решения Knauf поддерживают водородную революцию.

Разработка подходящих резервуаров для хранения водорода является приоритетом

Как и электромобили, автомобили на водороде в настоящее время страдают от ограничений дальности действия. Инновационные резервуары для хранения водорода могут стать технологией, благодаря которой автомобили, работающие на этом экологически чистом топливе, способны преодолевать большие расстояния. Потенциал этого источника для питания автомобилей неограничен – это сырье с самой высокой энергетической ценностью на массу всех известных видов топлива.

Однако, хранение и заправка водорода являются очень проблематичными, что представляет собой значительное препятствие для развития этого сектора. Имеющиеся в настоящее время резервуары для хранения водорода позволяют хранить материал в газообразном или жидком виде. Оба метода не являются полностью оптимальными. В газообразной форме необходимо использовать чрезвычайно прочные резервуары, способные выдерживать огромное давление. Жидкий водород, напротив, подходит только для резервуаров-хранилищ, охлажденных чуть выше абсолютного нуля.

Водород воспринимается как опасный, поэтому его хранение требует очень точных и надежных решений. Резервуары для хранения водорода должны быть приспособлены к жестким условиям, связанным с его хранением. Это самый большой барьер, который на сегодняшний день не позволяет автомобильному рынку в полной мере использовать потенциал водорода в автомобильных двигателях.

Однако стоит преодолеть эти технологические барьеры и это обеспечит доступ к двигателям, использующим широко доступное, экологически чистое и невероятно эффективное сырье. Одним из приоритетов автомобильной промышленности должна стать разработка решений, поддерживающих применение EV и FCV. На определенном этапе развития нагрузка на электрическую инфраструктуру, которая будет возникать в связи с наличием огромного количества электромобилей, может превысить пропускную способность существующих источников энергии. В этой ситуации водородные автомобили могут оказаться весьма привлекательной альтернативой.

Резервуары для хранения водорода – они должны соответствовать ожиданиям сегодняшних потребителей

Проблема водорода в качестве топлива заключается, прежде всего, в отсутствии доступа к подходящим решениям для дешевого снабжения этим сырьем. Это связано с отсутствием надлежащей инфраструктуры, а также с очень ограниченным ассортиментом транспортных средств, использующих водород в качестве топлива.

Порогом для широкого использования хранилищ водорода в автомобилестроении считается дальность поездки в 500 км. Поэтому необходимо разработать более вместительные резервуары, в которых можно было бы хранить водород с определенной плотностью энергии.

Энергетическая плотность топлива – водород обладает огромным потенциалом

Водород – это элемент, который по содержанию энергии в МДж/кг определенно непревзойденный – будь то сжатие при 350 или 700 бар или в жидком виде. Речь идет о плотности энергии 120 МДж/кг. Для сравнения, ископаемые виды топлива, используемые в автомобилях, такие как дизельное топливо или бензин, имеют значение около 50 МДж/кг.

Однако проблема заключается в том, что плотность энергии измеряется по отношению к объему. Здесь бензин предлагает 33 МДж/л, а дизель 37 МДж/л. В этом случае все рассмотренные формы водорода имеют показатель ниже 10 МДж/л.

Поэтому мобильные газовые резервуары должны иметь достаточно места для хранения. Разработка эффективных решений для этого является одной из главных задач на ближайшие годы развития сектора FCV. Одним из важнейших элементов таких резервуаров станет подходящий амортизатор – защита купола, которая максимально повысит безопасность и эффективность хранения водорода.

Ударопоглощающие свойства резервуаров для водородных транспортных средств – предложение Knauf

The EPP, or expanded polypropylene, solutions being developed within Knauf Automotive favour the use of this material in hydrogen batteries. These are lightweight parts with great potential for energy dissipation. The absorber prevents the energy created by hydrogen transport from being converted into another form, such as heat. The EPP absorber offers a very wide operating temperature range. For this reason, it can be used in tandem with hydrogen storage tanks, which store this raw material in liquid form.

Разрабатываемые в компании Кнауф Автомотив решения на основе EPP или вспененного полипропилена отдают предпочтение использованию этого материала в водородных батареях. Это легкие детали с большим потенциалом рассеивания энергии. Абсорбер предотвращает преобразование энергии, образующейся при переносе водорода, в другую форму, например, в тепло. Абсорбер из пенополипропилена предлагает очень широкий диапазон рабочих температур. По этой причине он может использоваться в тандеме с резервуарами для хранения водорода, в которых это сырье хранится в жидком виде.

Решения Knauf Automotive также были адаптированы к современной цепи поставок. Амортизаторы из EPP очень просты в установке – их можно адаптировать к водородным резервуарам различных технических характеристик. Такие конструкции устойчивы к многократным ударам, что особенно важно для таких потенциально неустойчивых видов топлива.

Одной из основных целей таких проектов, как амортизаторы EPP для водородных резервуаров, было создание решения, которое помогло бы заказчикам достичь целей по утверждению типа транспортных средств и их компонентов с точки зрения безопасной эксплуатации двигательных установок, работающих на водороде. Продукция Кнауф помогает автомобилям соответствовать стандартам, установленным регламентом R134. Решения Кнауф-Автомобиль обеспечивают доступ к современным конструкциям, которые стимулируют развитие «зеленых» технологий в автомобильном секторе.

Пожалуйста, свяжитесь с нашими автомобильными экспертами для получения дополнительной информации о решениях для автомобилей с водородным двигателем!

Металлогидридные материалы для хранения | Министерство энергетики

Отдел технологий водорода и топливных элементов

Исследование материалов для хранения гидридов металлов Управлением технологий производства водорода и топливных элементов (HFTO) направлено на улучшение объемной и гравиметрической емкости, кинетики адсорбции/десорбции водорода, срока службы и термодинамики реакции потенциальных материалов-кандидатов.

Центр передового опыта по хранению водорода разработал график проекции системы, показывающий смоделированную систему аланата натрия (SAH) и ее сравнение со всеми целями Министерства энергетики США на 2020 год.

Загрузите окончательный отчет Центра передового опыта по металлогидридам Министерства энергетики США.

Технический обзор

Рис. 1. Изотермы состава давления слева иллюстрируют, как можно использовать равновесное давление при заданной температуре для определения наклона кривой Вант-Гоффа, показанной справа.

Гидриды металлов (MH _x ) являются наиболее технологически подходящим классом материалов для хранения водорода, поскольку их можно использовать в ряде приложений, включая замедление нейтронов, ¹ электрохимическое циклирование, ² хранение тепла, ³

тепловые насосы, ⁴ и очистка/разделение. ⁵ Хотя многие щелочные или sp металлы также образуют солевые или ковалентные гидриды, признание того, что гидриды переходных металлов, в частности, на самом деле являются отдельными соединениями, отличными от твердых растворов водорода, связано с расчетами зонной структуры Свитендика. ⁶ Однако важным атрибутом при поиске прикладных решений является область твердого раствора на фазовой диаграмме между металлической и гидридной фазами, как показано на рис. 1.

Термодинамика адсорбции/десорбции водорода определяет диапазон их применимости по температуре и давлению. Энтальпия и энтропия в области постоянного давления на фазовой диаграмме могут быть описаны путем применения изотермической свободной энергии Гиббса к уравнению Вант-Гоффа, чтобы получить линейную форму:

ln( P ) =

ΔH/RT — ΔS/R

Таким образом, термодинамика в области твердого раствора, показанная схематически, может быть связана с ln( P ). Энтальпия ΔH является отрицательной для этой категории, что отражает эндотермическое выделение водорода для реакции.

Анализ термодинамического поведения особенно важен для конкретных требований к равновесному давлению. Хотя при определении соответствующего значения или диапазона ΔH часто указывается равновесное значение 1 бар, для топливных элементов с мембраной из полимерного электролита (PEM) может потребоваться давление более 5 бар. Таким образом, уравнение Вант-Гоффа можно использовать для первоначальной оценки жизнеспособности гидрида для конкретного применения с учетом рабочей температуры и диапазона давления.

Рис. 2. Расчетные кривые Вант-Гоффа, иллюстрирующие диапазон энтальпий, которые дают равновесное давление 5 бар при постоянной энтропии.

Также необходимо знать значение энтропии, так как наклон и энтальпия при определенном давлении и температуре могут изменяться в зависимости от значения ΔS . Хотя обычно считается, что в ΔS преобладает изменение энтропии газовой фазы, когда водород превращается из двухатомного газа в атомарный водород в металлической решетке, ΔS _h3 , Рудман и Сандрок ⁷ отметили, что большое изменение значения энтропии газовой фазы должно сопровождаться изменением температуры. Однако, зная о почти постоянном значении ΔS , которое определяется из эмпирической работы, Оутс и Фланаган ⁸ отметили, что для данного давления плато почти постоянное значение ΔS будет приписываться аналогичному наклону возрастающей энтропии гидрида, как определяется из модели осциллятора Эйнштейна.

Предполагая, что изменение энтропии ΔS  почти эквивалентен изменению энтропии газа при ~130 Дж/моль К, равновесное давление 5 бар в диапазоне температур от −40°C до 80°C требует энтальпии от 27 до 41 кДж/моль водорода. (Фигура 2).

Исследования HFTO в области гидридных материалов недавно были сосредоточены на так называемых комплексных гидридах, которые обычно состоят из щелочных или щелочноземельных элементов, которые ионно связаны с комплексным анионом. Сами анионы могут состоять из центральных атомов, которые обычно представляют собой металлы переходной или основной группы или металлоиды (например, Fe, Ni, B, Al) или N, с которыми ковалентно связан водород. Как и в случае с гидридами металлов, реакция десорбции в этом ряду соединений может быть эндотермической при выделении водорода. При поиске материалов с более высокой гравиметрической и объемной плотностью водорода использование сложных гидридов, состоящих из катионов с низким содержанием Z, открывает возможности для использования при полном дегидрировании стехиометрического гидрида.

Активизация усилий по исследованию этого класса материалов восходит к оригинальной работе Богдоновича ⁹ , когда он обнаружил, что Ti-опосредованное дегидрирование может происходить в NaAlh5 перед плавлением. ¹⁰ Как и в случае ряда сложных реакций дегидрирования гидрида, фактический путь реакции и механизм диффузии редко состоят из простого пути, когда весь связанный водород высвобождается в твердом растворе, который состоит только из гидрида и негидрида фазы этих материалов. ¹¹ В системах, где играет роль ионный характер связи сложного гидрида, электростатические силы могут доминировать и налагать ограничения на механизмы диффузии, которые могут потребоваться для обеспечения подвижности атомов, необходимой для гидрирования/дегидрирования водорода внутри объемного кристалла. Поэтому HFTO фокусируется на улучшении не только объемной и гравиметрической емкости, но и кинетики адсорбции и десорбции водорода, а также термодинамики реакции. Также исследуются долгосрочные эффекты циклирования.

Рекомендации

1. Ветрано, Дж. Б. «Гидриды как замедлители нейтронов и отражатели». Ядерная техника и проектирование (14:3), 1970; п. 390.
2. Янг, К.Х.; Ней, Дж. «Текущее состояние разработки сплава для хранения водорода для электрохимических применений». Материалы (6), 2013; стр. 4574–4608.
3. Фельдерхофф, М.; Богданович, Б. «Высокотемпературные гидриды металлов как материалы для хранения тепла для солнечных и связанных с ними приложений». Международный журнал молекулярных наук (10:1), 2009 г.; стр. 325–344.
4. Лотоцкий М.В.; Яртыс, В.А.; Поллет, Б.Г.; Боуман, Р.К. Jr. «Металлгидридные водородные компрессоры: обзор». Международный журнал водородной энергетики (39), 2010 г.; стр. 5815–5851.
5. Ван, З.М.; Ли, В .; Чан, С.Л.И. «Обзор мембран / пленок из сплавов для разделения или очистки водорода». Журнал редкоземельных элементов (23), 2005 г .; стр. 611–616.
6. Свитендик, AC In Водород в металлах I. Вопросы прикладной физики , Vol. 28. Г. Алефельд и Й. Фёлькль, ред. Берлин: Springer, 1978.
.
7. Рудман, П.С.; Sandrock, GD «Металлургия перезаряжаемых гидридов». Ежегодный обзор материаловедения (12), 1982; стр. 271–294.
8. Оутс, Вашингтон; Фланаган, Т.Б. «Растворимость водорода в переходных металлах и их сплавах». Успехи химии твердого тела (13), 1981; стр. 193–283.
9. Богданович, Б.; Швикарди, М.Дж. «Алюмогидриды щелочных металлов, легированные титаном, как потенциальные новые обратимые материалы для хранения водорода». Журнал сплавов и соединений (253–254), 1997; стр. 1–9.
10. Рейли, Дж. Дж.; Висволл, Р.Х.; Уэйд, Ч.Х. Хранение водорода в транспортных средствах с использованием гидридов металлов . Отчет EPA TEC-75/001.
11. Каллини, Э.; Боргшульте, А .; Хугельсхофер, CL; Рамирес-Куэста, AJ; Зюттель, А. «Роль Ti в аланатах и ​​борогидридах: катализ и метатезис». Журнал физической химии C (118), 2014; С. 77-84.

Как гидриды порошковых металлов решают проблемы безопасности и размеров при хранении водорода

6мин.

by  Alfons Geueke

16 января 2020 г.

Проблемы глобального потепления сохраняются, а экстремальные погодные явления за последнее десятилетие продемонстрировали нарастающую потребность в более глубокой приверженности проактивной энергетической политике. Текущий CO

2 – интенсивное производство энергии и поставка энергии через общественные энергосети не являются жизнеспособными, долгосрочными решениями.

Новая энергетическая политика требует глобального сокращения углеродного следа в течение следующих 20 лет с конечной целью CO ₂ -нейтральной инфраструктуры. Для этого необходимо разработать инновационные концепции управления энергопотреблением. Именно здесь в дело вступает GKN Powder Metallurgy: наша команда разработала безопасное и компактное решение для хранения водорода для CO ₂ -нейтральных систем управления энергией с использованием гидридов порошковых металлов.

РОЛЬ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГИИ И ВОДОРОДА

Энергия, вырабатываемая из солнечной, ветровой, гидроэнергии и геотермальных возобновляемых источников, активно участвует в достижении нейтральности CO ₂ . Внедрение больших систем хранения энергии в качестве буферов безопасности решит проблему поддержки этих источников энергии, даже несмотря на колебания регенеративной энергии.

Какую роль играет водород в развитии систем хранения? Водород можно использовать в качестве энергоносителя для хранения энергии из возобновляемых источников в течение длительного периода времени без каких-либо потерь или загрязнения. Объясняемый фразой «энергия в газ», избыточная энергия из возобновляемых источников используется для производства водорода путем подачи электрического тока, который разделяет воду на водород и кислород — посредством процесса, называемого электролизом, — и затем сохраняется. Позже этот водород может быть преобразован обратно в энергию.

В 2019 году GKN Powder Metallurgy официально открыла свой жилой дом на основе хранения водорода, который работает на разработанной системе накопления энергии Hy2Green. Система создает зеленую энергию из регенеративных источников, хранит ее и по мере необходимости обеспечивает электроэнергией и теплом — и все это в местной экосистеме без каких-либо выбросов, кроме воды и кислорода.

НОВЫЕ КОНЦЕПЦИИ ЭНЕРГИИ И НОВЫЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ

Водород представляет собой нетоксичную молекулу в воде и почти во всех органических соединениях и присутствует почти во всех молекулах живых существ. Есть два метода использования энергии водорода: сжигание его без каких-либо остатков или повторное преобразование его в электрическую и тепловую энергию с помощью топливных элементов.

Среди различных видов топлива водород имеет самую высокую плотность энергии, 33,3 кВтч/кг, что почти в три раза больше, чем у бензина. Проблема с водородом заключается в том, что атомы водорода легкие, а его объемная плотность низка. Один кубический метр водорода при температуре окружающей среды эквивалентен только 0,34 л бензина с точки зрения выходной энергии. Это означает, что газообразный водород обычно необходимо сжимать, чтобы хранить его в разумных пределах. Для мобильных приложений стандартное давление водорода составляет до 700 бар.

Чтобы выдерживать высокое давление и поддерживать небольшой вес сосуда, обычно используется пластик, армированный углеродным волокном. Высокие уровни давления несут риск утечки и, при наличии источника воспламенения, потенциальные взрывы. Предотвращение этих рисков является одной из основных задач решений для хранения водорода под высоким давлением.

ГИДРИДЫ МЕТАЛЛОВ КАК РЕШЕНИЕ ДЛЯ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

В качестве альтернативы системам хранения высокого давления гидриды металлов представляют собой безопасную и контролируемую технологию для хранения водорода при более низких давлениях в небольших помещениях. Эта концепция низкого давления работает, потому что молекулы водорода химически связаны внутри структуры соединения металла и остаются стабильными и безопасными при атмосферном давлении. Системы хранения на основе гидридов металлов обычно работают при давлении 10–40 бар, что в двадцать раз меньше, чем у типичных систем высокого давления. Как только водород необходим, начинается процесс десорбции путем подачи термического тепла (45–65 °C), поэтому газ начинает вытекать наружу. На этом этапе давление снижается примерно до одного-двух бар.

Обычные резервуары для хранения водорода имеют большие размеры или находятся под высоким давлением, что представляет угрозу безопасности. Резервуары для хранения Hy2Green от GKN Powder Metallurgy обеспечат вам безопасность и эффективное хранение энергии.

Вместимость хранилища гидрида металла составляет 1,5 кг или 50 кВт энергии водорода на 100 кг материала соединения гидрида металла. Для сравнения, это близко к энергоемкости стандартной литий-ионной батареи, предлагаемой в автомобиле Tesla Model 3.

Технология хранения на основе гидридов металлов является устойчивой благодаря ее материальным ресурсам и полностью пригодна для повторного использования. Сосуды высокого давления, изготовленные из пластика, армированного углеродным волокном, не подлежат вторичной переработке на 100%, а в системах хранения электрохимических аккумуляторов отсутствуют усилия по переработке, а ресурсы сырья исчерпываются.

ГДЕ МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ СИСТЕМЫ ОКАЗЫВАЮТ БОЛЬШОЕ ВЛИЯНИЕ

Хранение металлгидрида идеально подходит для ситуаций, когда водород производится на месте путем электролиза возобновляемых источников и хранится в течение длительного времени. Когда энергия необходима, ее можно мгновенно восстановить в виде газообразного водорода или в виде электрической или тепловой энергии при повторном преобразовании в топливном элементе.

Металлогидридное хранилище сочетает в себе преимущества резервуаров низкого давления для безопасной работы с высокой удельной мощностью. Эта технология отлично подходит для приложений с высокими требованиями к безопасности и там, где необходимо сократить выбросы CO ₂ при производстве электроэнергии на угле или бензине.