Optimisation de la conception d'un magnésium

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13436 (2022) Citer cet article

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Les hydrures métalliques (MH) sont connus comme l'un des groupes de matériaux les plus appropriés pour le stockage de l'énergie hydrogène en raison de leur grande capacité de stockage d'hydrogène, de leur faible pression de fonctionnement et de leur sécurité élevée. Cependant, leur lente cinétique d’absorption de l’hydrogène diminue considérablement les performances de stockage. Une évacuation plus rapide de la chaleur du stockage MH peut jouer un rôle essentiel pour améliorer son taux d’absorption d’hydrogène, ce qui se traduira par de meilleures performances de stockage. À cet égard, la présente étude vise à améliorer les performances de transfert de chaleur afin d’avoir un impact positif sur le taux d’absorption d’hydrogène des systèmes de stockage MH. Un nouveau serpentin semi-cylindrique est d'abord conçu et optimisé pour le stockage de l'hydrogène et intégré en tant qu'échangeur de chaleur interne avec de l'air comme fluide caloporteur (HTF). L'effet de nouvelles configurations d'échangeurs de chaleur est analysé et comparé à la géométrie normale des serpentins hélicoïdaux, sur la base de différentes tailles de pas. De plus, les paramètres de fonctionnement du stockage MH et HTF sont étudiés numériquement pour obtenir des valeurs optimales. ANSYS Fluent 2020 R2 est utilisé pour les simulations numériques. Les résultats de cette étude démontrent que les performances de stockage MH sont considérablement améliorées grâce à l’utilisation d’un échangeur de chaleur à serpentin semi-cylindrique (SCHE). La durée d'absorption de l'hydrogène est réduite de 59 % par rapport à un échangeur de chaleur à serpentin hélicoïdal normal. Le pas de bobine le plus bas de SCHE entraîne une réduction de 61 % du temps d'absorption. En termes de paramètres de fonctionnement du stockage MH avec SCHE, tous les paramètres sélectionnés apportent une amélioration majeure du processus d'absorption de l'hydrogène, notamment la température d'entrée du HTF.

L’abandon des ressources énergétiques basées sur les combustibles fossiles au profit de formes d’énergie renouvelables est en cours à l’échelle mondiale. Étant donné que de nombreuses formes d’énergie renouvelable fournissent de l’électricité de manière dynamique, le stockage de l’énergie est nécessaire pour équilibrer la charge. Le stockage d'énergie à base d'hydrogène fait l'objet de beaucoup d'attention à cette fin, notamment parce que l'hydrogène peut être utilisé comme carburant alternatif « vert » et comme moyen de stockage d'énergie, en raison de ses caractéristiques et de sa portabilité1. De plus, l’hydrogène offre également une capacité énergétique par masse supérieure à celle des combustibles fossiles2. Il existe quatre principaux types de stockage d’énergie hydrogène : le gaz comprimé, le stockage souterrain, le stockage liquide et le stockage solide. L’hydrogène gazeux comprimé est le principal type utilisé dans les véhicules à pile à combustible tels que les bus et les chariots élévateurs. Cependant, ce stockage offre une faible densité volumétrique d'hydrogène (environ 0,089 kg/m3) et présente des problèmes de sécurité concernant une pression de fonctionnement élevée3. Le stockage liquide stockera l’hydrogène sous forme liquide, sur la base d’un processus de conversion à basse température et pression ambiante. Cependant, il y a environ 40 % de perte d’énergie lors du processus de liquéfaction. De plus, cette technique est également connue pour sa consommation d’énergie plus élevée et pour sa durée de vie par rapport à la technique de stockage solide4. Le stockage solide est une option réalisable pour l’économie de l’hydrogène qui stocke l’hydrogène en le combinant dans des matériaux solides par absorption et en libérant de l’hydrogène par désorption5. L'hydrure métallique (MH) est l'une des technologies de stockage de matériaux solides qui a récemment suscité un intérêt significatif dans les applications de piles à combustible en raison de sa capacité élevée en hydrogène, de sa faible pression de fonctionnement et de son faible coût par rapport au stockage liquide, pour les applications stationnaires et mobiles6, 7. De plus, les matériaux MH offrent également des performances sûres en tant que stockage efficace de grands volumes8. Cependant, il existe un problème qui limite les performances du MH : les réacteurs MH souffrent d’une faible conductivité thermique9, ce qui entraîne une absorption et une désorption lentes de l’hydrogène.

Un transfert approprié de chaleur pendant les réactions exothermiques et endothermiques est la clé pour améliorer les performances du réacteur MH. Pour le processus de chargement d'hydrogène, la chaleur générée doit être évacuée du réacteur afin de contrôler le débit de chargement d'hydrogène au débit souhaité avec la capacité de stockage maximale10. En revanche, de la chaleur est nécessaire pour améliorer le taux de libération d’hydrogène pendant le processus de décharge. Pour améliorer les performances de transfert de chaleur et de masse, de nombreux chercheurs ont étudié la conception et l'optimisation en fonction de plusieurs facteurs, notamment les paramètres de fonctionnement, la structure MH et l'optimisation MH11. L'optimisation du MH peut être effectuée en ajoutant des matériaux à haute conductivité thermique tels que les mousses métalliques dans le lit MH12,13. Grâce à cette méthode, la conductivité thermique effective peut être augmentée de 0,1 à 2 W/mK10. Cependant, l’ajout de matière solide réduit considérablement la capacité du réacteur MH. Pour les paramètres de fonctionnement, des améliorations peuvent être obtenues par l'optimisation des conditions initiales de fonctionnement du lit MH et du fluide caloporteur (HTF). La structure du MH peut être optimisée par la géométrie du réacteur et la disposition des conceptions des échangeurs de chaleur14. En termes de configuration de l'échangeur de chaleur du réacteur MH, les approches peuvent être classées en deux types. Il s'agit d'un échangeur de chaleur interne, intégré dans le lit MH, et d'un échangeur de chaleur externe tel que des ailettes, une chemise de refroidissement et un bain-marie qui recouvrent le lit MH15. Pour l'échangeur de chaleur externe, Kaplan16 a analysé les performances d'un réacteur MH en utilisant de l'eau de refroidissement comme enveloppe pour réduire la température à l'intérieur du réacteur. Les résultats ont été comparés à un réacteur doté de 22 ailettes circulaires et à un autre réacteur refroidissant par convection naturelle. Ils ont affirmé que le fait d'avoir une enveloppe de refroidissement réduisait considérablement la température du MH, ce qui entraînait un meilleur taux d'absorption. L'étude numérique du réacteur MH avec chemise d'eau de Patil et Gopal17 a indiqué que la pression d'alimentation en hydrogène et la température du HTF sont les paramètres clés pour affecter les taux d'absorption et de désorption de l'hydrogène.