Wysokociśnieniowe zbiorniki kompozytowe do gromadzenia wodoru

Transkrypt

1 Wysokociśnieniowe zbiorniki kompozytowe do gromadzenia wodoru (skrót prezentacji) dr hab. inż. Jerzy Kaleta, prof. nadzw. PWr. dr inż. Paweł Gąsior Politechnika Warszawska, Płock, r.

2 Zbiorniki wysokociśnieniowe zastosowania i typy Aplikacje w motoryzacji oraz stacjonarne Sprzęt ratowniczy, sportowy i inny Różne typy zbiorników wysokociśnieniowych przeznaczonych do gromadzenia paliw

3 Wysokociśnieniowe zbiorniki do gromadzenia sprężonych paliw gazowych (na przykładzie wodoru). Podstawowe parametry Nominalne ciśnienie pracy: do 700 barów Ciśnienia rozrywania: 1645 barów i więcej (CH2) Ciśnienie badań cyklicznych: 1.25 x NWP Liczba cykli: Temperatura pracy: -45ºC 90ºC Wilgotność: 0 95% Zbiornik po badaniach niszczących Kompozytowe zbiorniki ciśnieniowe do gromadzenia CH2 i CNG typ II, III i IV

4 Wysokociśnieniowy zbiornik kompozytowy na wodór; idea procesu wytwarzania metodą nawijania (1) Schemat procesu nawijania Geometria nawoju warstwy kompozytowej zbiornika

5 Wytwarzanie zbiorników w IMMT - PWr

6 Badania normowe zbiorników kompozytowych Lp Rodzaj badania Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 1. Statyczna próba na rozrywanie X X X X 2. Badania cykliczne w temperaturze pokojowej X X X X 3. Test na odporność chemiczną X X X 4. Próba ogniowa X X X X 5. Próba na przestrzelenie X X X X 6. Odporność na wady X X X 7. Pełzanie w wysokiej temperaturze X X X 8. Przyśpieszone badania wytrzymałościowe X X X 9. Próba zrzutowa X X 10. Test na przenikalność X 11. Ocena działania zaworu bezpieczeństwa X X X X 12. Badania cykliczne CNG/wodór X 13. Badania cykliczne w warunkach ekstremalnych X X X 14. Badania cykliczne na przeciekanie X X X Na podstawie: ECE R110, Compressed Gaseous Hydrogen Regulation, ISO/DIS , Gaseous hydrogen and hydrogen blends Land vehicle fuel tanks, ISO 11439:2000(E), Gas cylinders High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles, 2000 ECE Compressed Gaseous Hydrogen Regulation, Revision 12b, 2003

7 Badania zbiorników wysokociśnieniowych do gromadzenia CNG oraz CH2 (1) Badania cykliczne : Max. ciśnienie cyklowania: 140 MPa Min. ciśnienie cyklowania: < 2 MPa Liczba cykli: < 10 cycles / min (w zależności od pojemności zbiornika, ciśnienia cyklowania, itp. Medium robocze: olej lub glicol Zakres temperatur ekstremalnych: C Badania statyczne: Max. ciśnienie testowe: 300 MPa Prędkość obciążania: <0,5 MPa/s Medium robocze: woda Stanowisko do badań cyklicznych i statycznych zbiorników wysokociśnieniowych

8 Badania zbiorników wysokociśnieniowych do gromadzenia CNG oraz CH2 (2) Próba zrzutowa (Drop test): Trzy różne pozycje zrzutowe (pozioma, pionowa i pod kątem 45 ) Badania cykliczne w warunkach pokojowych Przyśpieszone badania wytrzymałościowe: Zbiornik pod ciśnieniem 1.5 x NWP zanurzony w gorącej wodzie (85 C) przez 1000 godzin Próba na rozrywanie Pełzanie zbiornika w wysokich temperaturach: Zbiornik pod ciśnieniem 1.5 x NWP jest wygrzewany w temperaturze 100 C przez co najmniej 200 godzin Badanie na rozszerzalność i szczelność

9 Kompozytowe zbiorniki typu Smart ; jak zredukować masę i koszt i zapewnić bezpieczną eksploatację? Wprowadzenie na szeroką skalę zbiorników kompozytowych do paliw gazowych wymaga skutecznego rozwiązania wielu problemów, a w tym: optymalizacji technologii wytwarzania w celu redukcji masy, a więc i kosztów produkcji, zapewnienia bezpieczeństwa użytkowania zbiorników w okresie od 10 do 15 lat eksploatacji.

10 Światłowodowe czujniki do monitorowania stanu technicznego obiektów technicznych: FBG i SOFO CZUJNIKI PUNKTOWE CZUJNIKI TYPU LONG-GAGE Zasada działania czujnika FBG Zasada działania systemu interferometrycznego SOFO Czujniki FBG typu bare fiber Czujniki typu SOFO SMARTape

11 Zalety światłowodowych metod pomiarowych Wysoka czułość pomiarowa przy pomiarach odkształceń (-3%.. 3%, rozdzielczość 1 με) oraz temperatury ( C, rozdzielczość 0.1 K) Liniowa charakterystyka odkształceniowa i temperaturowa Zalety wynikające z właściwości światłowodów: brak iskrzenia odporność na pola elektromagnetyczne wysokie temperatury małe wymiary i ciężar łatwa integracja z monitorowanym obiektem odporność na obciążenia cykliczne Przykłady czujników światłowodowych do pomiarów odkształceń

12 Idea systemu monitorującego stan techniczny zbiornika Koncepcja układu monitorowania stanu technicznego zbiorników kompozytowych Założenia wstępne: niska cena układu, wykrywanie parametrów krytycznych, kontrolowanie procesu degradację materiału, przewidywanie okresu bezpiecznego użytkowania zbiornika.

13 Badania cykliczne zbiorników kompozytowych. Zbiornik typu 3-go Zbiornik testowy w komorze bezpieczeństwa Zmiana wartości maksymalnych odkształceń (dla P = 875 barów) w funkcji liczby cykli obciążeń oraz analiza parametru ABS dla zbiornika testowego

14 Wytwarzanie zbiorników kompozytowych metodą wyplatania (1) Integracja czujników OFS oraz monitorowanie procesu wyplatania Odkształcenia rejestrowane przez czujniki OFS w trakcie procesu wyplatania

15 Zbiorniki wysokiciśnieniowe dla helikopterów PZL W-3RM Anakonda (PZL W-3 Sokół) 1992 Pressure vessels for fast filling safety pontoons with air

16 Laboratorium zbiorników wysokociśnieniowych do gromadzenia CNG i CH2 Research Development Testing

17 Doświadczenia w projektach zbiornikowych FP6, FP7, FCH JU, EIT-KIC, krajowe Współpraca w ramach projektów: wytwarzanie i badania zbiorników wysokociśnieniowych badania nowych materiałów kompozytowych (na próbkach NOL, płaskich, rurowych) modelowanie procesów degradacji optymalizacja geometrii nawoju kompozytowej powłoki nośnej zbiornika, konstrukcji linera i króćca opracowanie systemów do monitorowania stanu technicznego zbiornika (SHM)

18 Storage of Hydrogen StorHy (6ty PR, lata )

19 StorHy Consortium Budżet: 16M

20 InGAS - Integrated GAS Powertrain. Low emissions, CO2 optimised and efficient CNG engines for passenger cars (PC) and light duty vehicles (LDV) InGAS, 7PR EU Cele projektu InGAS: Modernizacja silników CNG dla samochodów osobowych i dostawczych Dobór optymalnej struktura gazu w tym z udziałem biogazu i wodoru, Sposób gromadzenia miał zapewnić zasięg 600 km przy jednorazowym tankowaniu. Efektywne spalanie charakteryzujące się wysoką sprawnością, niskim poziomem emisji i nową generacją katalizatorów Budżet: 21,644 M

21 Enhanced Design Requirements and Testing Procedures for Composite Cylinders intended for the Safe Storage of Hydrogen (HyComp) - FCH JU, Cele projektu HyComp: Opracowanie skutecznych metod do bezpiecznego i taniego sposobu magazynowania sprężonego wodoru w pojazdach, transporcie i aplikacjach stacjonarnych Opracowanie zaleceń dla poprawy obowiązujących norm europejskich i międzynarodowych oraz rozporządzeń w sprawie wysokociśnieniowych butli wodorowych dla ww. zastosowań Budżet: 4 M

22 HYbrid HYdride HYdrogen & pressure storage project (HY-cube) KIC EIT; Cele projektu : zbiornik wysokociśnieniowy wykonany zgodnie z nowymi europejskimi dyrektywami dotyczącymi pojazdów zasilanych ogniwami paliwowymi (406/2010) technologia wytwarzania zbiorników przeznaczonych do zastosowań stacjonarnych (> 1m 3, zgodnych z kontenerami typu 20 ft ) koncepcja zbiorników hybrydowych przeznaczonych do równoczesnego gromadzenia wodoru w ciałach stałych oraz pod wysokim ciśnieniem ( barów) Budżet: ~5 M

23 Inne aplikacje czujników światłowodowych System SHM dla kotła energetycznego Sensors instalation and Central Measurement Point inside Electric Power Plant Scheme of power boiler OFz-425; courtesy of RAFAKO Remote access to the measurement results

24 Inne aplikacje czujników światłowodowych System SHM dla rurociągów w IOS View of the circulator piping system and the absorber (desulfurization system) in 858 MW boiler Exemplary strain measurement results

25 Wykorzystanie wodoru odpadowego ZAK Kędzierzyń-Koźle SKOTAN S.A. The use of waste hydrogen for the energy production (chemical plant in Poland; energy power: 1MW)

26 Dziękuję za uwagę Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechnika Wrocławska ul. Smoluchowskiego 25, Wrocław