Metal hydrides for hydrogen storage: reactor design and thermal analysis

Nowadays environmental protection is an important topic of discussion: sustainable development relies heavily on the provision of clean energy, and hydrogen has now been accepted as a clean energy carrier since it can be produced by electrolysis of water and then used to generate electricity, energy. Nevertheless, energy storage is a critical issue and it is known that Energy Storage Systems (ESS) play a key role in the exploitation of renewable energy resources to overcome intermittency and fluctuations, increasing reliability and sustainability. To date, hydrogen can be stored under rather extreme conditions: at cryogenic temperatures if in the liquid phase, at very high pressures if in the gas phase. On the other hand, the solid state storage relies on the absorption process on metal powders forming the so called “metal hydrides”. The metal hydride technology allows to chemically bond the hydrogen molecule (atoms) to a solid substrate thanks to an exothermic reaction and then desorb (release) hydrogen through an endothermic one when needed. Once regenerated, it can thus be used as a clean energy vector. A literature review was then performed in order to have a full theoretical understanding of the thermodynamic and kinetic aspects of the adsorption/desorption process. Secondly, the main characteristics of the different metal powders families and the operating conditions under which they work (pressure, temperature, hydrogen adsorption capacity) were described. It will be observed that many metallic solids require mechanical or thermal activation to react with hydrogen or drastic operating conditions. In this work, a commercially available metallic powder was selected and tested named Hydralloy®. It be directly used to store hydrogen, needs no thermal or mechanical activation and can be safely handed even in contact with air if before the first hydrogenation. The reaction design was thus performed: the cylindrical shape was found to be the most effective in terms of reaction heat management and for a future scale-up, the coarse dimension were obtained solving a steady-state balance assigned the values of the heat transport coefficient and the temperature difference to derive the exchange area. Once the reactor was designed, the experimental part involved the study of heat transfer, this being the limiting phenomenon of the process. The results obtained allowed conclusions to be drawn for the optimisation of the storage process by, for example, modifying the hydrogen injection rate or pressure set points The whole project was carried out by the R&D department of Regas Srl which is a advanced technologies and services provider for the worldwide natural gas transmission & distribution companies.

Al giorno d'oggi la tutela dell'ambiente è un importante argomento di discussione: lo sviluppo sostenibile si basa fortemente sulla fornitura di energia pulita e l'idrogeno è ormai accettato come vettore energetico pulito, in quanto può essere prodotto dall'elettrolisi dell'acqua e poi utilizzato per generare elettricità, energia. Tuttavia, l'immagazzinamento dell'energia è una questione critica ed è noto che i sistemi di accumulo dell'energia (ESS) svolgono un ruolo chiave nello sfruttamento delle risorse energetiche rinnovabili per superare l'intermittenza e le fluttuazioni, aumentando l'affidabilità e la sostenibilità. Ad oggi, l'idrogeno può essere immagazzinato in condizioni piuttosto estreme: a temperature criogeniche se in fase liquida, a pressioni molto elevate se in fase gassosa. D'altra parte, lo stoccaggio allo stato solido si basa sul processo di assorbimento su polveri metalliche che formano i cosiddetti "idruri metallici". La tecnologia degli idruri metallici permette di legare chimicamente la molecola di idrogeno (atomi) a un substrato solido grazie a una reazione esotermica e poi di desorbire (rilasciare) l'idrogeno attraverso una reazione endotermica quando necessario. Una volta rigenerato, può quindi essere utilizzato come vettore di energia pulita. È stata quindi effettuata una revisione della letteratura per avere una comprensione teorica completa degli aspetti termodinamici e cinetici del processo di adsorbimento/desorbimento. In secondo luogo, sono state descritte le caratteristiche principali delle diverse famiglie di polveri metalliche e le condizioni operative in cui operano (pressione, temperatura, capacità di adsorbimento dell'idrogeno). Si osserverà che molti solidi metallici richiedono un'attivazione meccanica o termica per reagire con l'idrogeno o condizioni operative drastiche. In questo lavoro è stata selezionata e testata una polvere metallica disponibile in commercio, denominata Hydralloy®. Questa polvere può essere utilizzata direttamente per immagazzinare idrogeno, non necessita di attivazione termica o meccanica e può essere manipolata in modo sicuro anche a contatto con l'aria, se prima della prima idrogenazione. Si è quindi proceduto alla progettazione della reazione: la forma cilindrica è risultata la più efficace in termini di gestione del calore di reazione e, per un futuro scale-up, le dimensioni grossolane sono state ottenute risolvendo un bilancio stazionario a cui sono stati assegnati i valori del coefficiente di trasporto del calore e della differenza di temperatura per ricavare l'area di scambio. Una volta progettato il reattore, la parte sperimentale ha riguardato lo studio del trasferimento di calore, essendo questo il fenomeno limitante del processo. I risultati ottenuti hanno permesso di trarre conclusioni per l'ottimizzazione del processo di stoccaggio, ad esempio modificando il tasso di iniezione dell'idrogeno o i set point di pressione. L'intero progetto è stato realizzato dal dipartimento di Ricerca e Sviluppo di Regas Srl, fornitore di tecnologie e servizi avanzati per le società di trasporto e distribuzione del gas naturale a livello mondiale.