Vetykaasun varastoinnin ongelmat

Abstract

Diplomityössä tutkittiin vetykaasun varastointiin liittyviä ongelmia. Ongelmien selvitys tapahtui kirjallisuuskatsauksen avulla. Vedyn varastointiin korkeassa paineessa liittyvät materiaalikohtaiset ongelmat sekä ilmiökohtaiset ongelmat, jotka liittyvät mm. lämpötilaan ja paineeseen. Varastointisysteemi muodostuu useasta eri komponentista. Jotta vedyn varastoiminen olisi turvallista, on varastosysteemiä pystyttävä operoimaan asetettujen rajoituksien sisällä vaihtelevissa olosuhteissa. Varastointiprosessin ymmärtämiseksi luotiin malli, joka sisälsi tämän diplomityön kannalta tärkeät komponentit. Luodun mallin avulla tutkittiin varastosyteemin tilamuuttujien dynaamista käyttäytymistä simulaatioiden avulla. Simulaatioiden pohjalta tehtiin johtopäätöksiä ja suosituksia turvallisemman varastointiprosessin saavuttamiseksi sekä myös varastoprosessin ymmärryksen lisäämiseksi.

Simulaatiotulosten perusteella tunnistettiin varastointiprosessin operoinnin kannalta merkityksellisiä asioita sekä voitiin tehdä johtopäätöksiä sekä parantaa tietämystä prosessista. Vedyn varastointi vaatii perinpohjaista suunnittelua. Entropian hallinta varastosysteemissä on ensiarvoisen tärkeää ja entropiaerot voivat sysätä varastosäiliön pois operointialueelta. Jotta vetysäilötä voidaan operoida turvarajojen sisällä on varastosysteemiin integroitava lämmönvaihdin. Lämmönvaihtimen avulla voidaan hallita varastosäiliön entropiaa ja samalla lämpötilaa. Myös ennen säiliötä olevaan venttiilin liittyvä Joule-Thomsonin ilmiö ja siinä vetykaasun generoima entropia on otettava huomioon, kun paine-ero venttiilin sisään- ja ulostulossa kasvaa.

Storing hydrogen gas in high pressure presents many problems. These problems include material related issues and hydrogen handling related issues. The overall storage system contains many different components, which have to be taken into account. The safe and reliable operation of the hydrogen storage system means that the safety limits must not be violated. In this thesis the problems of the high pressure hydrogen storage were investigated by literature review based on the available material related to the subject. After the literature review model of the storage system was built to gain further understanding of the vessel charging process. Then simulations were carried out with the model to observe different dynamical behaviour related to the state variables. Based on the simulation results conclusions and recommendations were made to improve safety of the storage system and also to add further knowledge about the subject.

With the simulations important things related to the vessel loading was identified and more knowledge about the process was added. The safe and reliable operation of the storage tank includes controlling the entropy of the storage system. With heat exchanger it is possible to control the temperature of the hydrogen gas and by controlling the temperature you control the entropy also. The importance of the entropy generation in Joule- Thomson phenomena was also discussed.