Evaluation of mid-scale hydrogen distribution chains for compressed hydrogen

Abstract

Hydrogen for industrielle applikasjoner har eksistert i mange år. Det begynte å gå inn i et forbrukermarked som et tilgjengelig bærekraftig alternativ til fossilt brensel for cirka ti år siden. Årsaken til bruk av hydrogen er at det kan redusere utslippene til null, avhengig av hvordan det produseres. Blått hydrogen produseres fra metanreformering med CO2 fangst, og grønt - ved bruk av energi fra fornybare energikilder. Disse typene er av hovedinteressen i denne saken. I Norge, med sin tilgjengelighet av fornybare energikilder, kan implementering av hydrogen gi utmerkede muligheter til å avkarbonisere industrisektoren og transport. Når det er sagt, krever den i utgangspunktet høye prisen sammenlignet med andre energibærere studier og utvikling av effektive måter å lagre og distribuere den på, i tillegg til å finne de beste sluttbrukerscenarioene.

Det nåværende prosjektet gjør et forsøk på å designe og undersøke energisk etterspørsel etter et middels skala, opptil 3 tonn per dag, komprimert hydrogendistribusjonssystem for kjøretøyer som sluttbruker med 350 barg trykkklassifisering. Resultatene kan også være representative for et tilsvarende distribusjonssystem for passasjerferger. Hydrogen blir transportert med veitransport i rørcontainere på 300 barg. Primært komprimerings- og kjølearbeid for transport- og lagringsoperasjoner blir evaluert. Det ble besluttet å utvikle en dynamisk modell av distribusjonskjeden, siden den er viktig for bedre forståelse av mange operasjoner som trykkbeholdertømming og fylling. For eksempel, kompressoreffektiviteten kan endre seg mye avhengig av ytelseskurven under kompresjon inn i et fartøy. Dette anses å gi et bedre perspektiv på energiytelsen til distribusjonskjeden for hydrogen. Derfor gjøres hovedmodelleringen i Dymola-programvaren, et modelleringsmiljø for dynamiske simuleringer, med tilleggsbiblioteker for komponenter og væsker levert av TLK-Thermo GmbH. En functional mock-up interface (FMI) tilnærming brukes til å sette sammen og simulere hele kjeden, bestående av separate Dymola-modeller. Python programmeringsspråket, som er en forbindelseslenke for hele simuleringen, brukes med tilleggsbiblioteker.

Det vesentlige resultatet av modelleringen og simuleringen er kombinert spesifikt energibehov for kompresjon og nedkjøling av hydrogen under transport fra et produksjonssted til en sluttbruker. Den gir 6.2 kWh/kgH2 under våre forutsetninger. Energibehov i ulike deler av kjeden presenteres samt sammenligning av kjøling versus kompresjon. Mellom- og sluttresultater gir også grunnlag for diskusjoner om kjededesign og modellering.

Hydrogen for industrial applications has been around for many years. However, it was not until a decade ago that it is started to enter a consumer market as an available sustainable alternative to fossil fuels. The reason behind using hydrogen is that it can potentially reduce emissions to zero, depending on how it is produced. Blue hydrogen is produced from methane reforming with CO2 capture, and green - using energy from renewable energy sources. These types are of the primary interest in this case. In Norway, with its vast abundance of renewable energy sources, the implementation of hydrogen may give excellent opportunities to decarbonise the industrial sector and transportation. Having said that, its initially high price compared to other energy carriers calls for the study and development of efficient ways to store and distribute it, in addition to finding the best-case end-user scenarios.

The current project is the continuation of the specialization project, performed in the autumn semester, and makes an attempt to design the complete distribution system and examine its energetic demand. The distribution chain is a mid-scale one, with up to 3 tons per day production capacity, compressed hydrogen distribution system for heavy-duty transport as an end-user with 350 bar pressure rating. The results can be also representative for a similar distribution system for light passenger ferries. Hydrogen transportation is done by road transport in tube containers at 300 bar. Primarily compression and refrigeration work for transportation and storage operations is evaluated. It was decided to develop a dynamic model of the distribution chain, since it is important for the better understanding of many operations such as pressure vessel emptying and filling. For example, during compression into a vessel, compressor efficiency may change a lot depending on its performance curve. This is considered to give a better perspective on energetic performance of hydrogen distribution chain. Therefore, the main modelling is done in Dymola software, a modelling environment for dynamic simulations, with additional libraries for components and fluids provided by TLK-Thermo GmbH. A functional mock-up interface (FMI) approach is used to assemble and simulate the whole chain, consisting of separate Dymola models. Python language, as a connecting link for the whole simulation, is used with additional libraries.

The essential result of the modeling and simulation is combined specific energy demand for compression and refrigeration of hydrogen during transportation from a production site to an end-user. It makes 6.2 kWh/kgH2 under our assumptions. Energy demand in different parts of the chain is presented as well as comparison of refrigeration versus compression. Intermediate and final results also provide ground for discussions on the chain design and modelling.