Vetysäiliöiden tyypit: tekniset erot ja edut

Kun siirrymme kohti kestävää energiaratkaisuja, vedyn käyttö puhtaana ja uusiutuvan energian lähteenä saa merkittävän vetovoiman. Kansainvälisen energiaviraston mukaan globaalin vetytuotannon arvioidaan olevan noin 70 miljoonaa tonnia vuonna 2021, ja vihreän vedyn tuotanto kasvaa 2–3 miljoonaan tonniin vuodessa. Vetyjen turvallinen ja tehokas varastointi on kuitenkin suuri haaste sen alhaisen energiatiheyden ja suuren puristumisen vuoksi. Eri sovellusten käytännön energiatiheyden saavuttamiseksi vety on säilytettävä korkeapaineessa.

Tässä artikkelissa tutkitaan erityyppisiä säiliöitä, joita käytetään vedyn tallentamiseen paineessa, niiden teknisissä eroissa ja niiden eduissa. Näiden varastointiratkaisujen ymmärtäminen on välttämätöntä vedyn laajalle levinneelle käyttöönotolle polttoaineen lähteenä eri aloilla, mukaan lukien kuljetus ja teollisuus.

Mikä on aVetysäiliö?

A vetysäiliöon erityisesti suunniteltu säiliö vedyn varastoimiseksi joko kaasumaisessa tai nestemäisessä muodossa. Sitä voidaan viitata myös vetypulloksi, laatikkona tai säiliöksi. Vetysäiliön rakentamisen on täytettävä tiukat fyysiset vaatimukset säilytyspaineeseen ja lämpötilaan perustuen. Nämä vaatimukset asettavat valtion virastot ja kansainväliset standardit, kuten ISO 15869 ja ISO 14687: 2019.

Keskeiset näkökohdatvetysäiliöSuunnittelu sisältää:

Korkeapainevastus (tyypillisesti 350-700 bar ajoneuvojen sovelluksia varten)

Minimoi vetypäästö ja haju

Kevyt rakenne mobiilisovelluksiin

Turvaominaisuudet vuotojen estämiseksi ja mahdollisten vikojen hallinnassa

Materiaalitieteen ja valmistusprosessien jatkuva innovaatio on johtanut merkittäviin edistysaskeleisiin vetysäiliöiden suunnittelussa ja suorituskyvyssä. Vetypolttoainesäiliöitä käytetään useissa sovelluksissa, mukaan lukien polttokennot ja elektrolyysijärjestelmät, raketit ja avaruuslento. Tyypillisesti vetysäiliöt ovat osa suurempaa vedyn varastointijärjestelmää, joka voi sisältää puristuslaitteet, turvaventtiilit ja valvontajärjestelmät.

Tyypitvetysäiliöt

Vetyvarastointiin on saatavana viisi tyyppiä kaasusäiliöitä, jotka sopivat sekä kiinteisiin että mobiilisovelluksiin. Jokaisella tyypillä on ainutlaatuiset ominaisuudet ja se sopii eri sovelluksiin.

All-Metal-kaasusylinterit (tyyppi I)

Tyypin I säiliöt ovat kaikkein perus- ja yleisimpiä kaasusäiliöitä, jotka on valmistettu kokonaan metallista, yleensä teräs- tai alumiiniseoksesta.

    • Materiaali: All-Metal-rakenne (teräs- tai alumiiniseos)

    • Työpaine: 200-300 bar

    • Tyypillinen tiheys: Noin 15 grammaa vetyä litraa kohti

    • Sovellus: Käytetään pääasiassa teollisuudessa ja paikallaan

    • Valmistusprosessi: yleensä valmistettu taonta tai syvä piirtoprosessi

    • Edut: edulliset, yksinkertainen rakenne, kypsä valmistustekniikka

    • Haitat: raskas paino, rajoitettu paineen kantavuus

Metallivuorauskuidun vanteen haavan kaasusylinteri (tyyppi II)

Toinen säiliö on parannus ensimmäiseen säiliöön, metallialus ja osittainen kuituvahvistus.

    • Materiaali: Metallivuoraus (yleensä teräs tai alumiini) plus osittainen kuituvahvistus (yleensä lasikuitu)

    • Työpaine: 100 - 500 bar

    • Tyypillinen tiheys: noin 20 grammaa vetyä litraa kohti

    • Sovellus: Teollisuussovellukset, jotkut mobiilisovellukset

    • Valmistusprosessi: Kun metallivuoraus on valmistettu, sitä vahvistetaan myöhemmin kuitukävelillä

    • Edut: Korkeampi paineen kantavuus ja kevyempi paino kuin tyypin I säiliöt

    • Haitat: edelleen suhteellisen raskas mobiilisovelluksiin

Metallivuorauskuitu täysin kääritty kaasusylinteri (tyyppi III)

Tyypin III säiliöt edustavat merkittävää kehitystä vedyn varastointitekniikassa, etenkin ajoneuvojen sovelluksissa.

    • Materiaali: Metallivuoraus (yleensä alumiini) käärittynä täydellisellä komposiittimateriaalilla (hiilikuitu)

    • Työpaine: jopa 350 bar (jotkut mallit voivat saavuttaa 700 barin)

    • Tyypillinen tiheys: noin 25 grammaa vetyä litraa kohti

    • Sovellus: Yleisesti käytetty ajoneuvoissa, erityisesti linja -autoissa ja kuorma -autoissa

    • Valmistusprosessi: Kun alumiinivuoraus on valmistettu, se on kääritty kokonaan komposiittimateriaaleilla automaattisen kuidun sijoittamalla tai kuitukämitystekniikkaa käyttämällä

    • Edut: huomattavasti kevyempi kuin tyypin I ja tyypin II säiliöt, joilla on korkeampi painekapasiteetti

    • Haitat: monimutkaisempi ja kalliimpi valmistaa kuin tyypin I ja tyypin II säiliöt

Ei-metallisella vuorauskuitulla täysin kääritty kaasusylinteri (tyyppi IV)

Tyypin IV säiliöt edustavat korkeapaineisen vedyn varastointitekniikan eturintamaa nykyisissä mobiilisovelluksissa.

    • Materiaali: polymeerivuoraus (yleensä korkean tiheyden polyeteeni tai polyamidi) käärittynä täydellisellä komposiittimateriaalilla (hiilikuitu)

    • Työpaine: jopa 700 bar (jotkut mallit voivat saavuttaa 875 bar)

    • Tyypillinen tiheys: noin 40 grammaa vetyä litraa kohti

    • Sovellukset: henkilöautot, raskaat hyötyajoneuvot, kannettavat sovellukset

    • Valmistusprosessi: Täydellinen komposiitti kääre polymeerin vuoraustuotannon jälkeen (yleensä pyörimismuovauksella tai puhallusmuovauksella)

    • Edut: Korkein säilytystiheys, kevyin paino, erinomainen väsymiskestävyys

    • Haitat: monimutkainen valmistusprosessi, polymeerivuoraus voi aiheuttaa suurempia vedyn läpäisyongelmia

Linerless all-komposiittisylinteri (tyyppi V)

Tyypin V-säiliö on edistynein ja kokeellisin suunnittelu, käyttämällä linerittomia all-komposiittirakennetta.

     • Materiaali: Komposiittirakenne ilman erillistä vuorausta

     • Käyttöpaine: vaihtelee tietyn suunnittelun mukaan

     • Tyypillinen tiheys: noin 20 grammaa vetyä litraa kohti (potentiaali korkeammille tiheyksille edistyneellä suunnittelulla)

     • Sovellus: kokeelliset ja erikoistuneet sovellukset

     • Valmistusprosessi: Edistyneet komposiittiympäristötekniikat, mahdollisesti mukaan lukien in situ -kovetetut kestomuoviset komposiitit

     • Edut: potentiaali erittäin alhaiseen painoon, vähentynyt monimutkaisuus verrattuna vuorattuihin säiliöihin

     • Haitat: Haasteet vedyn läpäisykysymyksissä, tekniikka ei ole vielä kypsä

Edut ja sovellukset

Viisi tyyppiä säiliöitä eroavat pääasiassa materiaaleista, joista ne ovat valmistettuja ja tuloksena olevia suorituskykyominaisuuksia. Tässä on vertailu joihinkin avaintekijöihin:

   • Painotehokkuus:

Tyyppi 1

Tyypin 4 ja tyypin 5 säiliöt tarjoavat korkeimman painon tehokkuuden, mikä on kriittistä mobiilisovelluksille.

  • Painekestävyys:

Tyyppi 1

Tyyppi 3, tyyppi 4 ja tyypin 5 säiliöt kestävät korkeimmat paineet, mikä mahdollistaa korkeamman säilytystiheyden.

  • Valmistuksen monimutkaisuus:

Tyyppi 1

Edistyneemmat säiliötyypit vaativat monimutkaisempia valmistusprosesseja, mikä lisää kustannuksia, mutta parantaa suorituskykyä.

  • Vetypäästövastus:

Tyyppi 1 ≈ Tyyppi 2 ≈ Tyyppi 3> Tyyppi 4> Tyyppi 5

Metallivuorat tarjoavat paremman läpäisyvastuksen kuin polymeerien vuoraukset tai vuoraamattomat mallit.

Maksaa:

Tyyppi 1

Edistyneemmat säiliötyypit ovat yleensä kalliimpia materiaalin ja valmistuksen monimutkaisuuden vuoksi.

Vedyn mobiilisovelluksissa tyypin 4 säiliöitä käytetään laajasti, koska ne tarjoavat hyvän painon tehokkuuden ja valmistuksen toteutettavuuden tasapainon säilyttäen samalla korkeimman säilytystiheyden. Ne soveltuvat hyvin henkilöautoihin ja raskaisiin hyötyajoneuvoihin, joissa paino ja tila ovat avaintekijöitä.

    • Tyypin 3 säiliöitä käytetään yleisesti suurissa ajoneuvoissa, kuten linja -autoissa ja kuorma -autoissa, joissa hiukan pienempi säilytystiheys kompensoi mahdollisesti alhaisemmat kustannukset ja yksinkertaisemmat valmistusprosessit.

    • Tyypin 1 ja tyypin 2 säiliöitä käytetään edelleen teollisissa ja paikallaan olevissa sovelluksissa, joissa paino ei ole kriittinen tekijä ja alhaiset kustannukset ovat ensisijainen tavoite.

    • Tyypin 5 säiliöt edustavat vedyn varastointitekniikan eturintamaa, ja niitä voidaan käyttää ilmailu- ja muissa erikoissovelluksissa, joissa äärimmäiset painonsäästöt ovat kriittisiä.

Johtopäätös

Vetyvarastointisäiliöitä on erityyppisiä, jokaisella on omat tekniset erot ja edut. Säiliön valinta riippuu erityisestä sovelluksesta, vaaditusta tallennustiheydestä, kustannusnäkökohdista ja turvallisuusvaatimuksista. Kun maailma siirtyy kohti kestävämpää tulevaisuutta, vedyn tehokas ja turvallinen varastointi tulee yhä tärkeämmäksi.

Vetysäiliötekniikan tuleva kehitys keskittyy todennäköisesti seuraaviin alueisiin:

     • 1. Käytetään edistyneitä materiaaleja painon vähentämiseksi ja läpäisynkestävyyden parantamiseksi;

    • 2. Invatiiviset valmistustekniikat kustannusten vähentämiseksi ja suorituskyvyn parantamiseksi;

    • 3. parannettu turvaominaisuudet ja tunnistustekniikka;

    • 4. Tankkien integrointi muihin ajoneuvo- tai järjestelmäkomponentteihin suorituskyvyn optimoimiseksi.