Preliminary design and optimization of a type II COPV for hybrid hydrogen storage

Hydrogen storage is still the biggest problem to solve for its widespread use, both as fuel in vehicles and as a carrier to store renewable energy. In this thesis is analyzed a hybrid solution that matches high-pressure storage with solid-state hydrogen storage, combining hydrogen with particular materials, called hydrides. The hybrid tank is a pressure vessel partially occupied with hydrides. Thus, when the tank is charged with hydrogen, part of it is stored inside the absorbing material, while the remaining part is stored in gaseous form under high pressure. This solution combines the high volumetric capacity of solid-state storage with the promptness of high-pressure storage, since gaseous hydrogen, unlike the one stored in the hydrides, doesn’t require any heat source to be released. Since the major contribution to the overall weight of the hybrid system is given by the hydrides, a fully wrapped composite pressure vessel may not lead to a significant mass reduction. A cheaper and less complex solution is a hoop wrapped pressure vessel (COPV type II), which has been used for the hybrid tank presented in this thesis. An existing design procedure for hoop wrapped pressure vessels has been updated and implemented in Matlab®, leading to an automatized design process. The final results of this activity are summarized in some graphs that show how to minimize the volume or the mass of the storage system depending on the quantity of hydrides and the pressure inside the vessel. The work reported in this document is just intended to be a preliminary analysis focused on the optimization of a hybrid storage system. Therefore, a future detailed design will be needed to obtain more accurate results. Finally, also more complex types of COPVs (Composite Overwrapped Pressure Vessels) can be studied for a hybrid storage, comparing the results with the one obtained from the hoop wrapped pressure vessel.

Lo stoccaggio dell’idrogeno è tuttora il problema più grande da risolvere per un suo uso diffuso, sia come carburante nei veicoli che come sistema di accumulo di energia rinnovabile. In questa tesi viene analizzata una soluzione ibrida che permette di stoccare idrogeno sia allo stato gassoso ad alta pressione che allo stato solido, combinandolo con materiali particolari chiamati idruri. Il serbatoio ibrido è un recipiente in pressione parzialmente occupato da idruri. Pertanto, quando il serbatoio viene caricato con idrogeno, una parte di questo viene immagazzinata all’interno del materiale assorbente, mentre la restante parte viene stoccata in forma gassosa ad alta pressione. L’accumulo di idrogeno in forma ibrida unisce l’elevata capacità volumetrica dello stoccaggio allo stato solido con la prontezza dello stoccaggio ad alta pressione, poiché l’idrogeno gassoso, a differenza di quello immagazzinato negli idruri, può essere rilasciato immediatamente senza necessitare di un apporto di calore. Siccome gli idruri contribuiscono in modo significativo al peso totale del sistema di stoccaggio, un recipiente metallico completamente rinforzato da materiale composito (COPV di tipo III) potrebbe non portare ad una significativa riduzione di peso. Un recipiente in pressione avvolto da materiale composito solamente sulla parte cilindrica (COPV di tipo II) rappresenta invece una soluzione più economica e meno complessa. Questo tipo di serbatoio è quindi stato utilizzato per analizzare le prestazioni della soluzione ibrida. Una procedura di progettazione già esistente per recipienti in pressione di tipo II è stata aggiornata e implementata in Matlab®, portando ad un processo di progettazione automatizzato. I risultati finali di questa attività sono riassunti in alcuni grafici che mostrano come poter minimizzare il volume o la massa del sistema di stoccaggio in funzione della pressione e della quantità di idruri all’interno del serbatoio. Il lavoro riportato in questo documento vuole essere solo un’analisi preliminare incentrata sull’ottimizzazione di un sistema di stoccaggio ibrido. Pertanto, sarà necessario un futuro progetto dettagliato per poter ottenere dei risultati più accurati. Infine, anche tipologie più complesse di serbatoi in composito potranno essere studiati per una soluzione di questo tipo, confrontando poi i risultati con quelli ottenuti con il COPV di tipo II.