从可再生能源中获得氢作为未来的能源载体

作者:本刊编译 发布时间:2021-08-10
未来,私人用户将能够采用小型风力涡轮机生产他们所需要的氢气——基于这一想法,弗劳恩霍夫应用聚合物研究所IAP和勃兰登堡工业大学的轻量化结构专家们,以及一家工业领域的合作伙伴,正在为此开发所需要的关键技术:小型高效的转子和安全的储氢罐。

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适合弱风的新型转子和内嵌安全传感器的储氢罐,使得在风力微弱的地区为私人用户提供小型风力涡轮机成为可能

根据德国环境署的数据,目前私人住户的能源消耗约占德国能源消耗总量的1/4,这些能源有一半来自天然气和原油。考虑到日益加剧的气候变化,这一统计数据令人震惊。

提及当前的形势,德国勃兰登堡工业大学的轻量化结构专家及弗劳恩霍夫应用聚合物研究所(IAP)的“聚合物材料与复合材料PYCO”研究项目负责人Holger Seidlitz教授强调说,从可再生能源中获得氢气并将其作为未来的能源载体具有更大的潜力。为此,他与团队一道,通过与一家中等规模的企业合作,对氢的未来采取了双管齐下的策略:

首先,致力于寻找制造氢气所需的能源。为实现这一目标,他们的合作伙伴公司正在开发一种小型高效的风力发电设备;

其次,其团队正忙于研究如何储存这些有价值的气体。为此,他们正在采用纤维增强复合材料来制造一种新型储氢罐。

用风力涡轮机生产氢气

Holger Seidlitz解释说:“我们的目的是设计一个足够小的风力涡轮机,以便私人住户能够在他们的花园里安装这样的系统。氢气将在一个小型电解槽中就地产生,然后被储存到氢气罐中,用于驱动房屋内的燃料电池,以便同时生成热量和电能。未来,氢动力汽车的拥有者在家就能为他们的汽车充气。要实现这一概念,最关键的是,要将整个系统设计得非常小巧且极为高效。”

从风力涡轮机开始,这些轻量化结构的专家们设计了一种新的螺旋桨,即使在风力微弱的情况下也能启动。

弗劳恩霍夫IAP负责监督该项目的机械工程师Marcello Ambrosio解释说:“德国卢萨蒂亚地区的风力要比德国北部的风力弱得多,因此,我们设计了适应这些风力条件的转子叶片,与传统的小型风力涡轮机相比,它们的尺寸减小了大约30%。”

为此,Fraunhofer IAP 还购买了一台工业化的3D打印机,能够制造出两米乘两米的部件。利用这项技术,Marcello Ambrosio与其同事们刚刚制成了一个塑料模具,以便采用纤维增强复合材料来制造适合弱风的转子。作为同样从事轻量化结构的专业公司,EAB Gebäudetechnik Luckau公司为他们提供了帮助。

轻便灵活的转子

纤维增强复合材料是通过将纤维条精确地嵌入到模具中被制成的,然后用树脂或其他的合成材料浸润,固化后即形成部件。通常情况下,纤维条的放入是由人工完成的,但在弗劳恩霍夫IAP,这项工作由一台现代化的自动纤维铺放机完成,它将增强纤维精确地放入模具中要求的位置上。与人工铺放相比,机器铺放减少了重叠,因而极大地减小了尺寸。

虽然是为了在弱风情况下提高效率而设计的,但这些转子也能抵御强风。转子叶片的设计使其在暴风雨中可以弯曲,在风中可以旋转,这样,涡轮机就会自动减慢旋转速度,避免任何损伤,从而取消了对复杂控制技术和复杂机械装置的需求。在接下来的几个月里,这些转子将在户外进行测试。

内置安全传感器的储氢罐

储氢罐的制造也涉及到采用轻量化的结构技术。通常,适合工业应用的传统储氢罐一般由两个耐压的钢容器组成,而针对成千上万的私人用户使用,需要采用碳纤维增强复合材料,以明显更少的材料用量来制造轻量化的储氢罐, 这样才便于操作,并能提供一些特殊优势,尤其是针对汽车的应用。

最重要的是,它们还必须非常安全。这是因为,氢气可能会与大气中的氧气形成爆炸性的混合物,因此不允许有任何泄漏。为此,Lusatia 团队提出了一个有趣的解决方案。他们将碳纤维条缠绕到圆柱体上,用合成树脂浸渍,然后固化,形成储氢罐。由此制成的储氢罐可以承受数百巴的压力。

为了检测泄漏情况,他们还将传感器集成到储氢罐中。“我们目前使用的3D打印机能够处理导电染料,我们把这些染料直接加到纤维增强复合材料中。” Marcello Ambrosio解释说。

这些研究人员甚至可以将微小的电子元件集成到储氢罐的壁中。这一预警系统是未来最终用户安全使用的关键标准之一。

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