Analisi sulla selezione del compressore per diversi tipi di stazioni di rifornimento di idrogeno

Analisi sulla selezione del compressore per diversi tipi di stazioni di rifornimento di idrogeno

1.Analisi delle tipologie di stazioni di rifornimento di idrogeno

A seconda della fonte di idrogeno, stazioni di rifornimento di idrogeno possono essere suddivisi in stazioni di rifornimento di idrogeno in loco e stazioni di rifornimento di idrogeno fuori sede. Le stazioni di rifornimento di idrogeno in loco producono idrogeno direttamente alla stazione attraverso vari metodi (come l'elettrolisi dell'acqua, il reforming del gas naturale, ecc.), e quindi riforniscono i veicoli a celle a combustibile. Questo metodo riduce il costo e la complessità del trasporto dell’idrogeno. Le stazioni di rifornimento di idrogeno fuori sede ottengono idrogeno da fornitori esterni, lo trasportano alla stazione tramite autocisterne per lo stoccaggio e quindi fanno rifornimento. Questo metodo è più comune, soprattutto nella fase iniziale della costruzione delle infrastrutture per l’energia dell’idrogeno.

In base alle diverse configurazioni delle apparecchiature, le stazioni di rifornimento di idrogeno possono essere suddivise in stazioni di rifornimento di idrogeno fisse e stazioni di rifornimento di idrogeno montate su skid. Le stazioni fisse di rifornimento di idrogeno sono generalmente strutture di rifornimento di idrogeno su larga scala, costruite in modo permanente, adatte ad aree con una domanda di idrogeno ampia e stabile. Le stazioni di rifornimento di idrogeno montate su skid sono caratterizzate da un design modulare e da un'installazione montata su skid, facili da implementare e spostare rapidamente e sono adatte per l'esplorazione iniziale del mercato o per occasioni di domanda temporanea.

In base ai diversi livelli di pressione di rifornimento, le stazioni di rifornimento di idrogeno possono essere suddivise in stazioni di rifornimento di idrogeno da 35 MPa, stazioni di rifornimento di idrogeno da 70 MPa e stazioni di rifornimento di idrogeno da 35 MPa+70 MPa. Le stazioni di rifornimento di idrogeno da 35 MPa servono solitamente autocarri pesanti a idrogeno, camion per letame, autobus e veicoli logistici. Le stazioni di rifornimento di idrogeno da 70 MPa servono veicoli a celle a combustibile dotati di bombole di stoccaggio di idrogeno ad alta pressione da 70 MPa, in particolare autovetture. Il livello di pressione mista delle stazioni di rifornimento di idrogeno +35MPa+70MPa può soddisfare le esigenze dei veicoli con due pressioni contemporaneamente, fornendo una maggiore flessibilità per le stazioni di rifornimento di idrogeno e garantendo che le stazioni di rifornimento di idrogeno possano adattarsi a una gamma più ampia di mercati di veicoli a idrogeno.

2.1 Compressore a membrana

Il compressore a membrana comprime il gas attraverso un diaframma metallico alternativo. I vantaggi sono che il gas è completamente isolato dal pistone e non c'è inquinamento da olio. La cavità della membrana adotta una tenuta statica con basso tasso di perdita. Il gas entra direttamente in contatto con il coperchio terminale e il gruppo diaframma metallico per formare un buon effetto di trasferimento del calore, che può raggiungere un'efficienza di volume molto elevata e una semplice manutenzione e funzionamento. Lo svantaggio del compressore a membrana è che non può essere avviato o arrestato a piacimento, il compressore vibra leggermente ed è necessaria una base di progettazione speciale. Grazie alla sua elevata produttività, al basso consumo energetico e ai bassi requisiti di raffreddamento, si è dimostrato molto efficace nelle applicazioni con idrogeno e viene solitamente utilizzato nelle stazioni fisse di rifornimento di idrogeno che richiedono funzionamento a lungo termine ed elevati requisiti di purezza dell'idrogeno.

2.2 Compressore a pistoni azionato da liquido

Il compressore a pistone azionato da liquido è un processo in cui l'olio idraulico aziona il pistone del corpo del cilindro idraulico, facendo muovere il pistone della camera di compressione del gas installato sulla stessa asta del pistone, realizzando il processo di aspirazione e scarico del gas. Il vantaggio è che, grazie all'uso dell'azionamento idraulico senza movimento della biella dell'albero motore, può adattarsi a frequenti condizioni di avvio-arresto, la frequenza di compressione è bassa e la vibrazione è piccola e i requisiti per la fondazione del compressore non sono elevati.

Lo svantaggio del compressore a pistone azionato a liquido è che il compressore monostadio è basso, i requisiti di raffreddamento sono elevati e si verificherà inevitabilmente usura durante il movimento alternativo del pistone, con conseguente particelle di polvere che contaminano la pulizia dell'idrogeno e la perdita è superiore a quella del compressore a membrana. Le parti del cilindro del pistone sono di grandi dimensioni e complesse da riparare e sostituire. Poiché il suo costo è adattato alle frequenti condizioni di avvio e arresto e presenta bassi requisiti per le fondamenta delle apparecchiature, viene solitamente utilizzato in stazioni di rifornimento di idrogeno montate su skid o stazioni di rifornimento di idrogeno mobili che non richiedono un funzionamento a lungo termine.

2.3 Compressore a membrana azionato da liquido

Il compressore a membrana a comando liquido adotta uno schema di compressione a doppio diaframma monostadio e uno schema di azionamento "pompa idraulica + valvola di inversione rotativa". Il vantaggio è che la pompa idraulica aziona l'olio idraulico invece del tradizionale pistone e biella di manovella che azionano l'olio idraulico, riducendo il gruppo pistone, il gruppo meccanismo di biella-manovella, l'albero motore e altre parti di trasmissione meccanica, e il layout è più compatto.

Combina i vantaggi dell'elevata tenuta e dell'assenza di olio dei compressori a membrana con i vantaggi dei compressori a pistoni azionati a liquido nell'adattarsi ad avviamenti e arresti frequenti. Lo svantaggio del compressore a membrana a comando liquido è che la necessità di utilizzare due teste a membrana aumenta il rischio di rottura della membrana e la pressione della pompa dell'olio idraulico deve essere superiore alla pressione di scarico, che ha requisiti elevati per le prestazioni di tenuta del circuito dell'olio. Attualmente, il compressore a membrana azionato da liquido è simile al compressore a pistone azionato da liquido e viene utilizzato principalmente nelle stazioni di idrogenazione montate su skid o nelle stazioni di idrogenazione mobili. Le specifiche e i parametri comuni del compressore a membrana azionato da liquido sono simili a quelli del compressore a membrana.

3.Conclusione

I compressori di idrogeno per le stazioni di rifornimento di idrogeno hanno fatto grandi progressi in termini di cilindrata, pressione di esercizio, ciclo di manutenzione e potenza specifica e hanno costantemente ridotto il divario tecnico con i prodotti stranieri. I compressori domestici di idrogeno hanno gradualmente sostituito i prodotti stranieri. Dai tipici esempi di stazioni di rifornimento di idrogeno sopra menzionati, i compressori a membrana e i compressori a liquido hanno ottenuto risultati operativi relativamente buoni nei rispettivi scenari applicativi. Il compressore domestico a liquido da 90 MPa è stato sviluppato con successo, ma non esistono ancora casi di applicazione commerciale. Esiste ancora un ampio divario tra le tecnologie di compressione come i compressori a pistoni ad alta pressione, i compressori di liquidi ionici e i compressori a idruro metallico e quelli stranieri. L’iterazione tecnologica e i test di mercato sono importanti direzioni di sviluppo in futuro.

Nell’attuale fase di costruzione, i compressori delle stazioni di rifornimento di idrogeno dovrebbero concentrarsi sulla maturità d’uso, sul rapporto di compressione dell’idrogeno, sulla stabilità delle condizioni di lavoro e sul funzionamento effettivo del progetto. Negli scenari delle stazioni fisse di rifornimento di idrogeno per la produzione di idrogeno fuori sito e delle stazioni di rifornimento di idrogeno per la produzione di idrogeno in loco, i compressori a diaframma possono essere utilizzati per primi. Negli scenari delle stazioni di rifornimento di idrogeno montate su skid e delle stazioni di rifornimento di idrogeno da 90 MPa in cui la frequenza di rifornimento è relativamente bassa e sono richiesti avvii e arresti frequenti, è possibile dare priorità ai compressori azionati a liquido.