Efficient processes for solid-state hydrogen storage and thermally-driven compression applications
Authors: Γκανάς Ευάγγελος 
Published: January 2025

Για την ανάπτυξη μιας παγκόσμιας οικονομίας βασισμένης στο υδρογόνο, είναι απαραίτητοι ασφαλείς και αποτελεσματικοί τρόποι αποθήκευσης υδρογόνου για κινητές, φορητές και σταθερές εφαρμογές. Για να μπορέσουν οι τεχνολογίες υδρογόνου να εφαρμοστούν με επιτυχία στην καθημερινή μας ζωή, το υδρογόνο θα πρέπει να αποθηκεύεται με ασφάλεια για μεταβλητές χρονικές περιόδους τόσο αποτελεσματικά όσο τα καύσιμα τα οποία χρησιμοποιούμε σήμερα, όπως η βενζίνη. Επιπλέον, ο απλός και ασφαλής χειρισμός του υδρογόνου και το χαμηλό κόστος θα πρέπει επίσης να διασφαλίζονται για να εξασφαλιστεί η εμπορευματοποίηση αυτής της τεχνολογίας. Από την άλλη πλευρά, οι μοναδικές και ιδιαίτερες φυσικές και θερμοδυναμικές ιδιότητες του αερίου υδρογόνου λειτουργούν ως τροχοπέδη για την πλήρη εφαρμογή των τεχνολογιών υδρογόνου στην καθημερινότητα. Σύμφωνα με την ανάλυση του διαγράμματος φάσης των υδρογόνων, υπό κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, 1 kg υδρογόνου θα καταλαμβάνει όγκο της τάξεως των 12,15 m3 και ενεργειακό περιεχόμενο 33,5 kWh, ενώ για το ίδιο ενεργειακό περιεχόμενο, ο όγκος που καταλαμβάνει η βενζίνη είναι 0,0038 m3. Έτσι, η ογκομετρική πυκνότητα πρέπει να αυξηθεί για να είναι το υδρογόνο ανταγωνιστικός φορέας ενέργειας. Αυτός ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί με τη μείωση του όγκου που καταλαμβάνει το υδρογόνο υπό κανονικές συνθήκες. Μια τέτοια συμπεριφορά μπορεί να επιτευχθεί εάν αλλάξει η «κανονική» κατάσταση του υδρογόνου και μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους: συμπιέζοντας το αέριο υδρογόνο, μειώνοντας τη θερμοκρασία κάτω από το κρίσιμο σημείο (ώστε να επιτύχουμε υγρό υδρογόνο το υδρογόνο), και τέλος, μειώνοντας την αλληλεπίδραση απώθησης μεταξύ των μορίων υδρογόνου και δημιουργώντας δεσμούς με κάποιο άλλο υλικό. Ως αποτέλεσμα, εντοπίζονται τρεις διαφορετικοί τρόποι αποθήκευσης υδρογόνου: αποθήκευση υδρογόνου σε συμπιεσμένη (αέρια) μορφη, αποθήκευση υδρογόνου σε υγρή μορφή και αποθήκευση υδρογόνου σε στερεά κατάσταση. Το βασικό αποτέλεσμα αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων διεργασιών αποθήκευσης υδρογόνου σε στερεά κατάσταση και διεργασίες για συμπίεση υδρογόνου βασισμένη σε θερμικές διεργασίες. Διάφορα διαμεταλλικά υλικά που σχηματίζουν μεταλλικά υδρίδια αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν ως μέσα αποθήκευσης υδρογόνου. Η βασικότερη πρόκληση της παρούσης εργασίας είναι η δημιουργία προηγμένων σεναρίων θερμικής διαχείρισης τόσο για την υδρογόνωση (εξώθερμη) όσο και για την αφυδρογόνωση (ενδόθερμη) και η εφαρμογή τους σε κλίνες μεταλλικών υδριδίων. Τέλος, διερευνάται μια αριθμητική προσέγγιση για την αποτελεσματική πρόβλεψη της απόδοσης συμπιεστών υδρογόνου πολλαπλών σταδίων με βάση τα μεταλλικά αυτά υδρίδια. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για αυτές τις μελέτες είναι το COMSOL Multiphysics 5.5. Για την παρούσα εργασία, οι ιδιότητες διαφόρων μεταλλικών υδριδίων χρησιμοποιήθηκαν ως μέσα αποθήκευσης υδρογόνου και εισήχθησαν στο λογισμικό. Επιπλέον, εισήχθησαν και διερευνήθηκαν νέες τεχνικές θερμικής διαχείρισης για την ενίσχυση της κινητικής αποθήκευσης/απελευθέρωσης υδρογόνου των προτεινόμενων διαμεταλλικών.