03.07.2021
I serbatoi criogenici sono la chiave per l’economia dell’idrogeno ?Nel giugno 2021, una sovvenzione per la ricerca sull'innovazione delle piccole imprese (SBIR) del Dipartimento dell'energia (DOE) è stata assegnata a The Protium Company per facilitare ulteriormente lo sviluppo della loro tecnologia di serbatoi criogenici. Comunemente utilizzata per lo stoccaggio di liquidi criogenici o gas liquefatti tenuti a temperature di congelamento di -150 ⁰C o inferiori, la tecnologia dei serbatoi di Protium è destinata a svolgere un ruolo fondamentale nello sviluppo di un'economia rinnovabile dell'idrogeno liquido. L'immagazzinamento dell'idrogeno come fonte di energia è complicato e avviene in due modi: in forma gassosa a temperatura ambiente a pressione molto elevata, o in forma liquida a temperature molto basse. Entrambi gli estremi, alta pressione o basse temperature, sono necessari per massimizzare la densità energetica dell'idrogeno. La maggior parte dei veicoli a celle a combustibile a idrogeno oggi funziona con gas idrogeno contenuto in serbatoi a pressioni fino a 10.000 psi [libbre per pollice quadrato]. Ma poiché i liquidi sono più densi del gas, è più vantaggioso per i gas industriali come l'idrogeno essere conservati a temperature criogeniche per massimizzare meglio la loro densità energetica. Tuttavia, quando questi liquidi criogenici vengono erogati in un ambiente che è al di sopra di quelle temperature di congelamento, il processo di rifornimento può diventare complicato. Quindi Protium indirizzerà i propri fondi SBIR, per un totale di $ 178.039, in particolare verso la riduzione delle perdite note come "boil-off" che rappresentano questa sfida prevalente nel rifornimento di idrogeno liquido. "Quando si riempie uno di questi serbatoi di idrogeno liquido criogenico a temperatura ambiente, è come mettere l'acqua su una stufa calda dove immediatamente bolle e si ottiene tutto questo vapore che fuoriesce", ha affermato Eli Shoemake, direttore commerciale di Protium. “Normalmente, dovresti riempire il tuo serbatoio per molto tempo prima che il serbatoio si raffreddi abbastanza da poter effettivamente contenere e immagazzinare il liquido. Ma mentre lo fai, praticamente tutto l'idrogeno che sta bollendo viene sprecato e non puoi trattenerlo nel tuo veicolo perché si scarica nell'atmosfera. Non consentire a un serbatoio contenente idrogeno liquido di scaricare l'idrogeno gassoso può rappresentare un pericolo. Protium mira a controllare meglio lo spurgo ea far funzionare il gas idrogeno ventilato in una cella a combustibile. “Quindi, in sostanza, ciò che accade è [il serbatoio] è pieno di liquido, poiché il calore entra nel liquido, il liquido bollirà, il che significa che si genera gas e, essenzialmente, devi lasciare che il gas lasci il serbatoio, altrimenti, andrai a sovrapressurizzare il tuo serbatoio e esploderà. Quindi, in sostanza, quello che hai con questi serbatoi liquidi è che se non vuoi che esplodano, allora tirerai fuori l'idrogeno dal serbatoio a qualsiasi velocità stia bollendo ", ha detto Shoemake. Ha aggiunto che il gas che evapora viene quindi utilizzato in una cella a combustibile anziché sprecato, idealmente. Pertanto, Protium ha sviluppato uno scambiatore di calore da incorporare nei propri serbatoi per mitigare la quantità di perdite per evaporazione durante il rifornimento. Trasferendo l'idrogeno liquido all'interno del serbatoio attraverso questo scambiatore di calore, dove si riscalda a gas prima di essere erogato nella cella a combustibile a una velocità costante, Protium spera di massimizzare l'efficienza dei propri serbatoi criogenici isolando il processo di riscaldamento dal resto del il serbatoio di stoccaggio. "Abbiamo stampato in 3D uno scambiatore di calore nella parete di quel serbatoio in modo che mentre l'idrogeno passa attraverso quel percorso dello scambiatore di calore, l'idrogeno si sta riscaldando prima che esca dal serbatoio alla cella a combustibile", ha detto Shoemake. “Questo è il calore che normalmente riscalderebbe il tuo idrogeno liquido nel mezzo del serbatoio e peggiorerebbe il tuo tasso di evaporazione. Quindi abbiamo utilizzato questo gas di evaporazione che esce dal serbatoio per intercettare il calore che altrimenti andrebbe nel serbatoio, il che agisce come un ulteriore strato di isolamento. Ciò ci consente di utilizzare meno isolamento nel serbatoio, rendendolo più performante e più leggero, quindi questo è davvero il vantaggio". L'installazione di questo scambiatore di calore nel serbatoio è un nuovo approccio alla tecnologia del carburante a idrogeno, che esiste sin dalla "corsa allo spazio" dell'era Apollo. "Tutti questi serbatoi di stoccaggio criogenici sono usciti dall'era Apollo e dalla corsa allo spazio quando le persone avrebbero posto la domanda: 'Come faccio a trattenere l'idrogeno liquido per sempre?' “[I modelli tradizionali] hanno un ottimo isolamento che mantiene l'idrogeno freddo a tempo indeterminato, con pochissime perdite per evaporazione dal serbatoio e questo è fantastico se vuoi trattenere l'idrogeno per giorni, settimane o mesi. “Ma per la maggior parte dei veicoli, non ha davvero senso cercare di mantenere quell'idrogeno per sempre quando lo utilizzerai e lo brucerai nella cella a combustibile. Quindi abbiamo detto: "Non progettiamo solo un serbatoio in cui l'idrogeno evapora e lascia il serbatoio, ma lascia il serbatoio alla velocità con cui la tua cella a combustibile vuole usarlo". Secondo Shoemake, il consenso generale è che ci sarà sempre un 0,5 percento - 1 percento di perdita di evaporazione nella tecnologia dei serbatoi criogenici. Quindi, implementando un tasso di evaporazione misurato, ma costante, dell'idrogeno liquido in idrogeno gassoso attraverso lo scambiatore di calore, i serbatoi di Protium sono già pronti ad aumentare l'efficienza della tradizionale tecnologia dei serbatoi criogenici. Ma per portare la loro tecnologia innovativa un passo avanti, stanno anche esplorando come migliorare l'aspetto di raffreddamento del loro sistema di serbatoi criogenici nel tentativo di ridurre ulteriormente il loro tasso di evaporazione a zero. "Cercheremo di creare un serbatoio di idrogeno liquido che in realtà ha zero evaporazione, perché invece di tutto questo calore che penetra nel liquido e fa bollire l'idrogeno, abbiamo praticamente l'intero serbatoio avvolto in questo scambiatore di calore che è attaccato a un frigorifero gigante che manterrà l'intero serbatoio freddo", ha spiegato Shoemake. “Poi sarai in grado di avere serbatoi di stoccaggio collegati a un sistema di refrigerazione che potrebbe contenere idrogeno liquido a tempo indeterminato senza perdite, il che in questo momento è un grosso problema quando si parla di trasportare idrogeno liquido o immagazzinare idrogeno liquido per un lungo periodo tempo. Quindi, se riusciamo a eliminare quella perdita dell'1% inserendo questo frigorifero nel serbatoio, ciò potrebbe potenzialmente rendere l'intera catena dell'idrogeno liquido molto più efficiente". Con questi progressi tecnologici in mente, Protium prevede principalmente che i propri serbatoi vengano utilizzati in veicoli aerei senza equipaggio [UAV] o droni. "Le dimensioni e la scala su cui ci stiamo concentrando in questo momento sono nel settore aerospaziale, in particolare, perché ha molto senso", ha detto Shoemake. “Con la nostra tecnologia, uno dei suoi principali vantaggi è che è davvero leggero rispetto alle tecnologie convenzionali e ha anche il vantaggio che con il liquido puoi ottenere molto più [idrogeno] in uno spazio più piccolo. Queste due cose insieme sono molto importanti per gli aerei”. Ma mentre le applicazioni in UAV e droni sono al centro per ora, Shoemake non esclude che la loro tecnologia venga ridimensionata per altri veicoli in futuro. "I veicoli marini sono un altro di quelli che stiamo guardando molto per i nostri serbatoi criogenici, dove può avere molto senso cercare di mantenere le dimensioni del serbatoio piccole e potresti voler diventare liquido", ha detto Shoemake. "Potenzialmente anche camion e veicoli su strada, ma probabilmente non autovetture, perché il nostro serbatoio è progettato per rifornirlo e quindi il carburante verrà erogato a una certa velocità, non importa quale. Se hai un'autovettura, probabilmente non vorrai parcheggiare l'auto per una settimana e poi tornare senza carburante. Ma qualcosa come un semirimorchio a lungo raggio che è costantemente in viaggio guidando da un magazzino all'altro, forse questo ha molto senso".