Hynor, Knutepunkt Romerike - Dimensjonering av hydrogenfyllestasjon: Analyse og modellering av metallhydrid-kompressor

Abstract

Sammendrag Det er bestemt at det skal bygges en hydrogenfyllestasjon i Romerike i løpet av 2009, i tilknytning til det nasjonale utviklingsprosjektet Hynor. Institutt for Energiteknikk gjorde i 2006/2007 et forstudie for å utrede mulige tekniske løsninger og konsepter ved hydrogenfyllestasjonen, hvor det ble foreslått bruk av en metallhydrid-kompressor (MH-kompressor). Som et ledd i dimensjonering av den foreslåtte MH-kompressoren, er det i denne oppgaven gjort en termodynamisk analyse av en ideell MH-kompressor og det er laget en dynamisk modell av en MH-kompressor. I den termodynamiske analysen fokuseres det på produksjonskapasitet og virkningsgrad. Rammebetingelsen for fyllestasjonen som er gitt i forstudierapporten er brukt som utgangspunkt for analyse og modell. Kompressoren skal kunne komprimere hydrogen fra 25 til 250 bar, og det foreslås at det skal brukes solfangere til å levere varmeenergi til kompressoren. Det finnes tilgjengelige solfangere som kan levere varme ved 150 oC. I tillegg må kompressoren ha en kapasitet på over 78 Nm3 H2 per døgn. Ved bruk av solfangere vil kompressoren kun ha tilstrekkelig varmetilførsel i ca 6 timer per døgn. I analysen av en ideell MH-kompressor ble det fastsatt at reaksjonsentalpien i metallhydridet var den viktigste faktoren som påvirker virkningsgraden, hvor virkningsgraden synker ved høyere reaksjonsentalpi (i absoluttverdi). En ser også at varmetap til omgivelsene og varmelagring i tankmaterialet vil gi redusert virkningsgrad. Ved de gitte forutsetningene og ved bruk av en AB5-legering ble maksimal virkningsgrad beregnet til å være ca 22 %. I motsetning til virkningsgraden vil produksjonskapasiteten til kompressoren øke ved høyere reaksjonsentalpi, i tillegg til at varmovergangstallet fra varmeveksler til tank er vesentlig. Metallhydridet er i pulverform i tanken, og leder derfor varme svært dårlig. Varmeveksleren bør derfor utformes slik at kontaktflaten mellom varmeveksler og metallhydridet blir størt mulig. I modelleringen ble det tatt utgangspunkt i en sylinderformet tank med innvendig PTFE-isolering og utvendig glassvatt-isolasjon, og med en rørvarmeveksler med finner. Resultatene fra denne simuleringen viste at finneavstanden hadde mest å si for varmeovergangen. Faktorer som finnetykkelse, fluidstrøm og rørtykkelse er mindre viktige. Simuleringen viste også at den modellerte tanken vil kunne produsere 78 Nm3 per døgn med ca 120 kg metallhydrid. En slik tank veier 600-700 kg. Ved å redusere finneavstanden fra 40 mm til 15 mm vil produksjonskapasiteten kunne firedobles. Dette vil være tilstrekkelig for å komprimere den nødvendige H2-mengden i løpet av 6 timer. Dette viser at ved å bruke andre typer varmevekslere med bedre varmeovergang vil produksjonskapasiteten til kompressoren kunne økes betraktelig. Glassvatt som utvendig isolasjon gjorde at varmetapet til omgivelsene ble minimale. PFTE-isolasjonen reduserte også varmeovergangen til tanken betraktelig, men det bør undersøkes om det andre isolasjonsmaterialer er bedre egnet for innvendig isolasjon. Dette vil redusere temperaturendringene i tankenveggen. Varmetap til tankvegg og isolasjon er tilnærmet konstante, og de vil derfor reduseres ved økt varmeovergang, og dermed redusert syklustid.