Типы водородных резервуаров: технические различия и преимущества

По мере того, как мы движемся к устойчивым энергетическим решениям, использование водорода в качестве чистого и возобновляемого источника энергии набирает значительную тягу. По данным Международного энергетического агентства, глобальное производство водорода, по оценкам, составит около 70 миллионов метрических тонн в 2021 году, при этом производство зеленого водорода увеличивается до 2-3 миллионов метрических тонн в год. Однако безопасное и эффективное хранение водорода остается серьезной проблемой из -за его низкой плотности энергии и высокой сжимаемости. Чтобы достичь практической плотности энергии для различных применений, водород должен храниться под высоким давлением.

В этой статье будут изучаться различные типы резервуаров, используемых для хранения водорода под давлением, их техническими различиями и их преимуществами. Понимание этих решений для хранения имеет важное значение для широкого распространения водорода в качестве источника топлива в различных секторах, включая транспорт и промышленность.

Что такоеВодород?

A водородэто специально разработанный контейнер для хранения водорода в газообразной или жидкой форме. Это также можно назвать бутылкой водорода, коробки или бака. Конструкция водородного резервуара должна соответствовать строгим физическим требованиям на основе давления и температуры хранения. Эти требования устанавливаются государственными учреждениями и международными стандартами, такими как ISO 15869 и ISO 14687: 2019.

Ключевые соображения дляводородДизайн включает в себя:

Сопротивление высокого давления (обычно 350-700 бар для применения транспортных средств)

Минимизировать проникновение и охразнивание водорода

Легкая конструкция для мобильных приложений

Функции безопасности для предотвращения утечек и управления потенциальными сбоями

Непрерывные инновации в области материаловедения и производственных процессов привели к значительным достижениям в области дизайна и производительности водородного резервуара. Водородные топливные баки используются в различных применениях, включая топливные элементы и системы электролиза, ракеты и космический полет. Как правило, водородные резервуары являются частью более крупной системы хранения водорода, которая может включать в себя компрессионное оборудование, предохранительные клапаны и системы мониторинга.

Типыводородные баки

Существует пять типов газовых баков, доступных для хранения водорода, подходящих как для фиксированных, так и для мобильных приложений. Каждый тип имеет уникальные характеристики и подходит для разных приложений.

Цельнометаллические газовые цилиндры (тип I)

Танки типа I являются самыми основными и общими газонами, изготовленными полностью из металла, обычно стального или алюминиевого сплава.

    • Материал: все металлическая конструкция (сталь или алюминиевый сплав)

    • Рабочее давление: от 200 до 300 бар

    • Типичная плотность: около 15 граммов водорода на литр

    • Применение: в основном используется в промышленности и стационарном хранении

    • Процесс изготовления: обычно производится путем подготовки или глубокого процесса рисования

    • Преимущества: низкая стоимость, простая структура, зрелая технология производства

    • Недостатки: тяжелый вес, ограниченная способность под давлением

Газовый цилиндр для обручанного волокна металлов (тип II)

Второй бак - это улучшение первого бака, с металлическим лайнером и усилением частичного волокна.

    • Материал: металлический лайнер (обычно стальный или алюминий) плюс усиление частичного волокна (обычно стеклянное волокно)

    • Рабочее давление: от 100 до 500 бар

    • Типичная плотность: около 20 граммов водорода на литр

    • Приложение: промышленные приложения, некоторые мобильные приложения

    • Процесс изготовления: после получения металлического вкладыша он впоследствии усиливается намоткой волокна

    • Преимущества: более высокая способность подшипника давления и более легкий вес, чем резервуары типа I

    • Недостатки: все еще относительно тяжелые для мобильных приложений

Металлическое волокно полностью обернутое газовое цилиндр (тип III)

Танки типа III представляют собой значительный прогресс в технологии хранения водорода, особенно для применения в транспортных средствах.

    • Материал: металлический лайнер (обычно алюминий), обернутый полным композитным материалом (углеродное волокно)

    • Рабочее давление: до 350 бар (некоторые конструкции могут достигать 700 бар)

    • Типичная плотность: около 25 граммов водорода на литр

    • Применение: обычно используется в транспортных средствах, особенно автобусах и грузовиках

    • Процесс изготовления: после получения алюминиевого вклада, он полностью обернут композитными материалами с использованием автоматического размещения волокон или технологии обмотки волокна

    • Преимущества: значительно легче, чем резервуары типа I и типа II, с более высокой способностью поддерживать давление

    • Недостатки: более сложные и дорогие для производства, чем резервуары типа I и типа II

Нематаллическое волокно-волокно полностью обернутое газовое цилиндр (тип IV)

Резервуары типа IV представляют собой передний град технологии хранения водорода высокого давления в современных мобильных приложениях.

    • Материал: полимерный вкладыш (обычно полиэтилен или полиамид высокой плотности) обернутый полным композитным материалом (углеродное волокно)

    • Рабочее давление: до 700 бар (некоторые конструкции могут достигать 875 бар)

    • Типичная плотность: около 40 граммов водорода на литр

    • Приложения: Пассажирские автомобили, тяжелые коммерческие транспортные средства, портативные приложения

    • Процесс производства: полная композитная обертка после производства полимерного вкладыша (обычно путем ротационного литья или выдувного литья)

    • Преимущества: самая высокая плотность хранения, самый легкий вес, отличная устойчивость к усталости

    • Недостатки: сложный производственный процесс, полимерный лайнер может вызвать более высокие проблемы с проникновением водорода

Всекомпозитный цилиндр без лайнера (тип V)

Танк типа V является наиболее продвинутым и экспериментальным дизайном, используя полностью композитную структуру без лайнеров.

     • Материал: полностью композитная конструкция без отдельного лайнера

     • Операционное давление: варьируется в зависимости от конкретной конструкции

     • Типичная плотность: приблизительно 20 граммов водорода на литр (потенциал для более высоких плотностей с усовершенствованным дизайном)

     • Применение: экспериментальные и специализированные приложения

     • Процесс производства: расширенные методы композитного укладки, возможно, включающие термопластичные композиты на месте.

     • Преимущества: потенциал для очень низкого веса, сниженная сложность по сравнению с банками на подкладке

     • Недостатки: проблемы с проблемами проникновения водорода, технология еще не созревает

Преимущества и приложения

Пять типов резервуаров отличаются в первую очередь в материалах, из которых они изготовлены, и полученные характеристики производительности. Вот сравнение некоторых ключевых факторов:

   • Эффективность веса:

Тип 1 <Тип 2 <Тип 3 <Тип 4 ≈ Тип 5

Танки типа 4 и типа 5 предлагают максимальную эффективность веса, что имеет решающее значение для мобильных приложений.

  • Сопротивление давления:

Тип 1 <Тип 2 <Тип 3 ≤ Тип 4 ≈ Тип 5

Танки типа 3, тип 4 и типа 5 могут противостоять наибольшему давлению, что позволяет повысить плотность хранения.

  • Сложность производства:

Тип 1 <Тип 2 <Тип 3 <Тип 4 <Тип 5

Более продвинутые типы танков требуют более сложных производственных процессов, увеличивая стоимость, но повышают производительность.

  • Устойчивость к проникновению водорода:

Тип 1 ≈ Тип 2 ≈ Тип 3> Тип 4> Тип 5

Металлические вкладыши обеспечивают лучшую стойкость к проникновению, чем полимерные вкладыши или безделенные конструкции.

Расходы:

Тип 1 <Тип 2 <Тип 3 <Тип 4 <Тип 5

Более продвинутые типы баков, как правило, дороже из -за материала и сложности производства.

Для мобильных применений водорода резервуары типа 4 широко используются, потому что они обеспечивают хороший баланс эффективности веса и осуществимости производства при сохранении самой высокой плотности хранения. Они хорошо подходят для легковых автомобилей и тяжелых коммерческих транспортных средств, где вес и пространство являются ключевыми факторами.

    • Танки типа 3 обычно используются в более крупных транспортных средствах, таких как автобусы и грузовики, где немного более низкая плотность хранения компенсируется потенциально более низкими затратами и более простыми производственными процессами.

    • Танки типа 1 и типа 2 продолжают использоваться в промышленных и стационарных приложениях, где вес не является критическим фактором, а низкая стоимость является приоритетом.

    • Танки типа 5 представляют собой передний граф технологии хранения водорода и могут использоваться в аэрокосмической и других специальных приложениях, где экстремальная экономия веса имеет решающее значение.

Заключение

Существуют различные типы резервуаров для хранения водорода, каждый из которых имеет свои технические различия и преимущества. Выбор резервуара зависит от конкретного применения, необходимой плотности хранения, соображений затрат и требований безопасности. По мере того, как мир движется к более устойчивому будущему, эффективное и безопасное хранение водорода станет все более важным.

Будущие разработки в области технологии водородного бака, вероятно, будут сосредоточены на следующих областях:

     • 1. Использование передовых материалов для дальнейшего снижения веса и повышения сопротивления проницаемости;

    • 2. Инновационные методы производства для снижения затрат и повышения производительности;

    • 3. Поврежденные функции безопасности и технологии зондирования;

    • 4. Интеграция танков с другими компонентами транспортного средства или системы для оптимизации производительности.