Energieffektiv hydrogenlagring: eksergianalyse av adsorpsjon
Abstract
Hydrogenlagring er en nøkkelteknologi for etablering av en hydrogenøkonomi. Adsorpsjon er en av hydrogenlagringsteknologiene som for tiden utforskes sammen med hydrogen lagret som komprimert gass, væske, og i metallhydrider. Omfanget av denne oppgaven har vært eksergianalyse og utvikling av eksergilikninger for hydrogenlagring ved adsorpsjon ved kryogen temperatur. Eksergianalyse utført på kryo-adsorpsjonssystem er i hovedsak basert på det eksperimentelle oppsettet til Aleksic (2010) utført på NTNU.Fundamental informasjon om adsorpsjonssystemene er representert av adsorpsjonsisotermer. Disse viser lagringskapasitet til et adsorbent ved konstant temperatur som funksjon av trykk. I dette arbeidet er adsorpsjonsisotermer modellert med Langmuir og Sips likning med tilhørende parametere tilpasset etter eksperimentell data gitt av Aleksic (2010) og Paggiaro (2008) for adsorpsjonslikevekt ved utvalgte temperaturer og trykk. Modellene med Sips likning viser god overenstemmelse med eksperimentell data, og med prinsippene fra løsningstermodynamikk har adsorpsjonssystemet blitt beskrevet termodynamisk, med massebalanser, energibalanser og eksergibalanser. Oppgaven kan deles opp i tre deler. I den første delen er det introdusert relevant informasjon om utvalgte hydrogenlagringsteknologier og termodynamikk tilhørende adsorpsjon, inkludert adsorpsjonsisotermer for relevante adsorbenter. I den neste delen er det utledet termodynamiske likninger for masse-, energi- og eksergibalanser for kryo-adsorpsjonslagringssystem og kryo-kompresjonslagringssystem. Oppgaven avsluttes med et kapittel som inneholder fire eksergianalyser. I den første analysen studeres ekserginivå i adsorpsjonssystem mot utvalgte teknologier, og i den neste analysen studeres eksergibidrag i oppsettet til Aleksic (2010) i forhold til et kryo-kompresjonssystem ved tilsvarende trykk og temperatur. Den tredje analysen er utført av oppsettet til Aleksic (2010) ved fylling og tapping, og sammenlignet med kryo-kompresjonslagringssystem operert ved tilsvarende tilstander. Kapittelet avsluttes med analyse av lagring av hydrogen i kryo-adsorpsjonsbeholder, analysert med utgangspunkt i temperatur-, trykk- og masse-utvikling ved lagring hentet fra arbeidet til Paggiaro (2008). Analysen er beriket med sammenligning av andre lagringsmetoder ved samme operasjonsforhold: en lavtrykkstank med flytende hydrogen og en høytrykkstank fylt med enten flytende hydrogen eller komprimert hydrogengass ved 80 K.Teknologien for adsorpsjonslagring av hydrogen er på et eksperimentelt stadium, og har vist seg gjennomførbar. Teknologien har fordel av operasjon ved lavt trykk (typisk 20-30 bar) i forhold til kompresjonssystemer (300 700 bar), og oppnår likevel sammenlignbar volumetrisk og gravimetrisk lagringskapasitet. Teknologien er likevel langt fra å oppnå hydrogenlagringskravene fra U.S DoE for 2015. Dette er også tilfellet for de andre hydrogenlagringsmetodene som er under utvikling: komprimert gass, hydrogen som væske og hydrogen lagret i metallhydrider. Enkle forbedringer i disse teknologiene ser ikke ut til å føre til at kravene nåes. Adsorpsjonssystemet har i tillegg andre karakteristikker som kan hindre kommersialisering av teknologien (Paggiaro 2008), og som vil bli diskutert i oppgaven. Eksergianalyseresultatene viste at i adsorpsjonslagringsystemer består den totale eksergimengde i hovedsak av kjemiske eksergi og omtrent 7 10 % termomekanisk eksergi. Den termomekaniske eksergien kan delvis utvinnes ved installasjon av turbin for utnyttelse av trykket i beholderen. Resterende termomekanisk eksergi kan teoretisk utvinnes ved en varmekraftmaskin som benytter beholderen som kuldereservoar og omgivelsene som varmereservoar. Ved implementering av slike systemer er det av viktighet å minimere økningen av systemets kompleksitet som helhet, som kan vise seg vanskelig. Derfor mener forfatteren at det er ønskelig å minimere termomekanisk eksergi i lagringssystemet og maksimere den kjemiske eksergien. Kjemisk eksergi er direkte avhengig av mengde hydrogengass lagret i systemet, og derfor er teknologiens lagringskapasitet viktigste parameter for å maksimere det kjemiske eksergiinnholdet. Lagringskapasitet i adsorpsjonssystem viste seg å være sterkt temperaturavhengig. Ved en temperaturøkning på 20 grader (fra 77-97 K) faller lagringsevnen i oppsettet til Aleksic med adsorbent Cu-BTC og NORIT R0.8 med omtrent 21 % ved 2 MPa. Det ble utført eksergianalyser av fylle- og tappeprosesser med utgangspunkt i eksperimentell data fra oppsettet til Aleksic (2010) med adsorbent NORIT R0.8. Ved fylling viser utregningene et tap i lagringskapasitet på 15,1 % grunnet generasjon av varme i prosessen. Ved endt tappeprosess er 59,0 % av den opprinnelige hydrogenmengden igjen i lagringstanken, grunnet mangel på intern varmekilde. Forslag til forbedringer er foreslått i oppgavens avsluttende kapittel.Eksergianalyse er utført av hydrogenlagring i kryo-adsorpsjonssystem over tid og sammenlignet med lagring i utvalgte alternative lagringsbeholdere. Resultatene viser at varmelekkasje inn i tankene som er undersøkt fører til trykkøkning i samtlige tanker og ventilering av hydrogengass. Adsorpsjonsbeholderen viste tilsvarende, og noe høyere ventileringsrate av hydrogen enn høytrykksbeholderen med komprimert hydrogen. Beholderen som viste best lagringsevne var høytrykksbeholderen fylt med flytende hydrogen.