Optimisation des transferts de chaleur dans un système de stockage d'hydrogène à base d'alanate de sodium

Le déploiement des applications de transport basées sur l'hydrogène comme source d'énergie est assujetti à l'identification d'une méthode efficace pour son stockage. En ce qui concerne la voie de stockage solide, les principaux inconvénients sont les faibles propriétés thermiques de l'hydrure, le long temps de chargement du réservoir et sa faible capacité gravimétrique.

Dans ce cadre, l'alanate de sodium est choisi comme matériau de référence pour optimiser le fonctionnement d'un système de stockage d'un kilogramme d'hydrogène, en termes d'efficacité thermique et de capacités gravimétrique et volumétrique. Trois configurations ont été considérées en variant la disposition du lit d'hydrure et du fluide de refroidissement ainsi que le choix des échangeurs de chaleur et des structures permettant l'amélioration des propriétés thermiques de ce lit.

Le modèle mathématique décrivant les transferts de chaleur et de masse au sein du lit d'hydrure a été résolu avec le logiciel commercial COMSOL Multiphysics^® 3.5a. Les résultats numériques nous ont permis de déterminer l'interaction entre les propriétés géométriques des éléments d'échange de chaleur et le taux de stockage d'hydrogène ainsi que sa dépendance des conditions opérationnelles.

L'efficacité thermique du système de stockage est déterminée en comparant le taux de stockage d'hydrogène calculé à celui issu du modèle de cinétique et validé avec les données expérimentales. Une fois que la quantité d'hydrogène stocké est optimisée, la contribution des éléments d'échange de chaleur au poids et au volume du réservoir et les capacités gravimétrique et volumétrique des configurations correspondantes sont déterminées et discutées en fonction des critères de sélection fixées par le DOE.

Alternate abstract:

The deployment of transport applications based on hydrogen as an energy source is subject to the identification of an efficient method for its storage. Regarding the solid storage route, the main disadvantages are the poor thermal properties of the hydride, the long tank loading time and its low gravimetric capacity.

In this context, sodium alanate is chosen as a reference material to optimize the operation of a storage system for one kilogram of hydrogen, in terms of thermal efficiency and gravimetric and volumetric capacities. Three configurations were considered by varying the arrangement of the hydride bed and the cooling fluid as well as the choice of heat exchangers and structures allowing the improvement of the thermal properties of this bed.

The mathematical model describing the heat and mass transfers within the hydride bed was solved with the commercial software COMSOL Multiphysics® 3.5a. The numerical results allowed us to determine the interaction between the geometric properties of the heat exchange elements and the hydrogen storage rate as well as its dependence on operational conditions.

The thermal efficiency of the storage system is determined by comparing the calculated hydrogen storage rate to that derived from the kinetics model and validated with experimental data. Once the quantity of hydrogen stored is optimized, the contribution of the heat exchange elements to the weight and volume of the tank and the gravimetric and volumetric capacities of the corresponding configurations are determined and discussed according to the selection criteria set by the DOE.