نیروگاه ذخیره ای هیدروژن

وسيله تولید و ذخیره هیدروژن و تبدیل آن به برق است که متشکل از یک مبدل انرژی می باشد که از یک طرف به برق و از طرف دیگر به مخازن هیدروژن و اکسیژن و آب وصل می شود، که با الکترولیز الکتریکی آب در یک سیکل هیدروژن اکسیژن تولید و ذخیره می کند و در سیکل دیگر با اکسایش کنترل شده همان هیدروژن اکسیژن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند، که شکل لوله ای الکترودها علاوه بر آنکه با کارکرد آند و کاتد بار الکتریکی را منتقل می کند انتقال گاز را هم انجام می دهد و  سلول‌های استوانه ای پلاریزاسیون کمتر و مقاومت اهمی بالاتر و ذخیره سازی و زمان شارژ کمتری دارد و همچنین به حذف آب از سلول کمک می کند.: که این وسیله ازاجزاي زيرتشكيل شده است

– مبدل انرژی برق به هیدروژن و برعکس،

– الکترود لوله ای مارپیچ شکل از جنس نانوکامپوزیت فیبر کربن،

– ازن ژنراتور با لامپ فرابنفش،

– پیزوالکتریک سازنده نیروی امواج اولتراسوند،

– لوله های انتقال هیدروژن اکسیژن آب و مخازن و پمپ های ذخیره ،

– سیستم کنترل دریچه ها و تنظیم حرارت و فشار، – بدنه وسازه که اجزای مختلف مبدل انرژی درون آن نصب می شوند.

روش و فرآیندی است جهت تولید و ذخیره انرژی برق یا هیدروژن غیرهمزمان با فرآیندی جهت تولید گاز هیدروژن و اکسیژن در یک سیکل با تکنیک الکترولیز الکتریکی آب الکترودها بصورت لایه داخلی کاتد و لایه خارجی آند باردار شده و مولکول آب در بیرون لوله ها می شکند، به این ترتیب گاز اکسيژن در بیرون لوله و گاز هیدروژن با عبور از لایه غشای تبادل پروتون درون لوله آزاد می شود که از طریق لوله به مخزن ذخیره هدایت می گردد. همچنین در سیکل دیگر جهت تولید انرژی الکتریکی با تکنیک اکسایش کنترل شده، الکترودها بصورت لایه خارجی کاتد و لایه داخلی آند مولکول هیدروژن شکسته و بار الکتریکی آزاد می کند و با عبور از لایه غشای تبادل پروتون، به سوی کاتد حرکت کرده و با گاز اکسیژن یا ازن ترکیب شده و آب تولید می شود. که در این روش برای بالا بردن بهره وری و کارایی از الکترود های لوله ای مارپیچ از جنس نانوکامپوزیت فیبر کربن در لایه داخلی و در لایه خارجی با لایه ای از غشای تبادل پروتون در بین آنها و همچنین از نیروی امواج اولتراسوند برای افزایش تراکنش شیمیایی و الکتریکی و از ازن ژنراتور و تزریق ازن به آب، برای افزایش هدایت الکتریکی الکترولیت استفاده شده است. که روش تولید دوگانه الکترولیز و سلول سوختی دستگاه و امکان ورود و هم خروج گازهای هیدروژن و اکسیژن و امکان تعییر سریع عملکرد تولید کمتر از یک دقیقه امکان پذیر است.

مکانیزم استفاده از نانوکامپوزیت فیبر کربن کاتد و آند در لایه بیرونی و درونی الکترود دارای محافظ در برابر خوردگی بوده و با توجه به دو سیکل در الکترولیز و در سلول سوختی دستگاه، کاهش و افزایش یون کاتد یا آند در سیکل های رفت و برگشت جبران می گردد.

شکل مارپیچ لوله الکترود موجب ایجاد تماس بیشتر هیدروژن با سطح درونی می گردد و همچنین شکل استوانه حاصل از مارپیچ مجرایی برای حرکت آب و اکسیژن و ازن می باشد که با افزایش واکنش شیمیایی و الکتریکی، کارایی را افزایش می دهد.

روش بهبود فرآیند با استفاده از لامپ فرابنفش اکسیژن ذخیره شده به ازن تبدیل می شود که در هر دو سیکل ازن به عنوان اکسیدان موجب افزایش واکنش می شود . در سیکل تولید گازها موجب افزایش هدایت الکتریکی الکترولیت می شود و در سیکل تولید برق تمامی هیدروژن ها را وادار به واکنش می نماید تا هیدروژن کمتری دوباره گردش داده شود.

روش بهبود عملکرد با استفاده از پیزوالکتریک تولید نیروی امواج اولتراسوند فراصوت موجب حرکت متناوب در الکترولیت و یا گازها شده و واکنش شیمیایی و الکتریکی را در هر دو سیکل افزایش می دهد و همچنین موجب حرکت و تخلیه سریع تر سیال می گردد.

روش اجرایی به كارگیری اختراع

برای تولید در ظرفیت های پایین، می توان از یک مبدل ذخیره ای انرژی پرتابل استفاده کرد که شامل یک لوله الکترود مارپیچ است که در یک سیلندر قرار گرفته است. با توجه به ظرفیت مورد نیاز، مارپیچ الکترود می تواند بصورت رفت و برگشتی طراحی شود، که داخل لوله مسیر حرکت هیدروژن و داخل سیلندر مسیر حرکت آب و اکسیژن می باشد. بدنه استوانه جهت تبادل حرارتی بخصوص خنک سازی در مرحله اکسایش کنترل شده استفاده می گردد.
برای استفاده از یک مبدل انرژی ذخیره ای پرتابل برای مثال در مصارف خانگی و یا صنعتی، مدلی بهینه سازی شده طراحی شده است که شامل چهار سیلندر 1-مبدل انرژی 2- مخزن ذخیره هیدروژن 3- مخزن ذخیره اکسیژن 4- مخزن ذخیره آب است که سه مخزن ذخیره از طریق لوله به سیلندر مبدل انرژی متصل هستند. مخازن ذخیره دارای کمپرسور و رگولاتور فشار می باشند.

برای استفاده از یک مبدل انرژی ذخیره ای پرتابل در خودرو برقی, علاوه بر آنکه نیازی به باتری های سنگین و پرهزینه نیست، در صورت وجود سلول های خورشیدی فتوولتاییک روی بدنه می توان برق تولیدی را به صورت هیدروژن ذخیره نمود.
پیاده‌ سازی روش ارائه شده در تقاضانامه برای استفاده از یک نیروگاه خورشیدی فتوولتاییک برای یک خانه مسکونی به عنوان یک روش اجرایی برای به کارگیری اختراع در نظر گرفته شده است.
معمول تولید برق برای یک خانه طی روز آفتابی برای 100 مترمربع پنل خورشیدی نصب شده در بام محاسبه شده است. توان برق تولیدی طی روز برای 8 ساعت مفید می باشد. با فرض استفاده از پنل خورشیدی 72 سلولی با 2 متر ارتفاع و 1 متر عرض، با مساحت 2 متر مربع هر یک پنل خورشیدی مونوکریستال 72 سلولی،: 50 پنل 400 واتی با پوشش 100 متر مربع حدود 20 کیلووات تولید برق خواهیم داشت.
با فرض تبدیل همه ظرفیت به هیدروژن و ذخیره آن، با راندمان تولید بالا می توان به ازای مصرف هر 44 کیلووات یک کیلو هیدروژن تولید کرد، که برای 20 کیلووات حدود 455 گرم هیدروژن در ساعت با کیفیت خلوص 98% تولید می شود. که در 8 ساعت 3.64 کیلوگرم هیدروژن تولید خواهد شد.
در فشار 700 بار (10,000 PSI)، می توان 3.64 کیلوگرم هیدروژن را در یک سیلندر هیدروژن 0.08 مترمکعب ذخیره نمود.
در طی شب ، با توجه به افت حرارتی تبدیل انرژی در این مرحله برای هر کیلوگرم هیدروژن 33 کیلووات ساعت خواهد بود، که با تبدیل 0.5 کیلوگرم هیدروژن در هر ساعت حدود 16.5 کیلووات ساعت و در کل 120 کیلووات ساعت برای بیش از 7 ساعت انرژی برق قابل مصرف تامین می گردد.
به لحاظ اقتصادی هزینه مخزن هیدروژن و سلول سوختی نسبت به موتور ژنراتور سوخت هیدروژنی و بانک باتری راه‌حلی ارزان‌تر و قابل اطمینان‌تر است.
با توجه به آنکه در مرحله تبدیل هیدروژن به برق حرارت قابل ملاحظه ای تولید می شود که به همراه آب تولید شده است، دستگاه می تواند علاوه بر تولید برق نیازهای حرارتی و گرمایشی را نیز تامین کند و جایگزین آبگرمکن و شوفاژ باشد.
در صورتی که نیاز باشد می توان از خود هیدروژن هم به عنوان سوخت استفاده کرد و برای سوخت اجاق گاز، بخاری، چراغ های روشنایی و یا خودرو هیدروژن سوز مستقیما خود هیدروژن را استفاده کرد.
در صورتی استفاده از دستگاه در یک کلینیک یا بیمارستان باشد، می تواند از اکسیژن برای درمان استفاده کرد و همچنین واحد صنعتی که برای فعالیت فنی نیاز به اکسیژن داشته باشد.

كاربرد صنعتی اختراع

برای تولید در ظرفیت های بالای مگاوات، تعداد زیاد الکترودها و شکل قرارگیری آنها در کنار یکدیگر موجب بالا بردن واکنش شیمیایی و الکتریکی دستگاه می باشد و کارایی و ظرفیت تولید را بسیار افزایش می دهد.
پیاده‌ سازی روش ارائه شده در تقاضانامه برای استفاده از یک نیروگاه ذخیره ای انرژی برق هیدروژن برای یک شبکه توزیع برق به عنوان یک کاربرد صنعتی برای به کارگیری اختراع در نظر گرفته شده است.

ساعات اوج مصرف به ساعاتی از روز گفته می شود که مصرف برق و انرژی الکتریکی به اوج خود می رسد که در شش ماه اول سال ساعات 13 الی 17 است و در شش ماه دوم ساعات 20 تا 24 است را ساعات اوج مصرف می نامند که رکورد پیک مصرف برای ایران حدود 60 هزار مگاوات می باشد که اختلاف پیک روز با پیک شب در برخی اوقات به ۴ هزار مگاوات می‌رسد. در این ساعات بیشترین مصرف انرژی الکتریکی از نیروگاه ها دریافت می شود و چنانچه نیروگاه ها نتوانند برق مورد نیاز را تولید کنند با قطعی برق روبرو می شویم. احداث نیروگاه به زمانی در حدود سه سال نیاز دارد و سرمایه گذاری اولیه برای احداث و ساخت نیروگاه نیز سنگین است. به طوری که در این ساعات نحوه محاسبه هزینه برق 3 برابر است، ولی در ساعات شب مانند ۱۲ شب تا ۶ صبح بدلیل نبود مصرف، تعرفه برق مشمول تخفیف هم می‌شود.
حال اگر با کمک نیروگاه ذخیره ای انرژی برق هیدروژنی، در ساعات کاهش مصرف هدروژن ذخیره شود و در ساعات پیک دوباره به برف تبدیل شده و به شبکه برق بازگردد، می تواند به لحاظ اقتصادی تا 600 درصد انتفاع مالی ایجاد نماید. اگر معمول تولید برق برای یک نیروگاه 100 مگاوات باشد، یک نیروگاه ذخیره ای برق هیدروژن به ظرفیت ورودی 6 مگاوات می تواند این اختلاف محاسبه شده را به خوبی تامین کند. توان تبدیل برق به هیدروژن طی شب برای 8 ساعت مفید می باشد. با فرض تبدیل همه ظرفیت به هیدروژن و ذخیره آن، با راندمان تولید بالا می توان به ازای مصرف هر یک مگاوات برق حدود 250 متر مکعب یا 22 کیلوگرم هیدروژن تولید کرد، که برای شش مگاوات حدود 1500 متر مکعب یا 132 کیلوگرم هیدروژن در ساعت با کیفیت خلوص 98% تولید می شود. که در 8 ساعت حدود هزار کیلوگرم هیدروژن تولید خواهد شد.
در فشار 700 بار (10,000 PSI)، می توان 1000 کیلوگرم هیدروژن را در 35 مترمکعب مخازن هیدروژن ذخیره نمود.
در طی پیک مصرف برق، با تبدیل انرژی سوختی هیدروژن به برق، در این مرحله برای هر کیلوگرم هیدروژن 33 کیلووات ساعت خواهد بود، که با تبدیل 132 کیلوگرم هیدروژن در کل 4 مگاوات ساعت انرژی برق قابل مصرف تامین می گردد.
با فرض استفاده از نیروگاه ذخیره ای برق هیدروژن بدلیل دو مرحله تبدیل انرژی افت تولید برق خواهیم داشت، که در مقایسه با ارزش افزوده 600 درصدی برآیند مناسبی دارد. به لحاظ اقتصادی هزینه مخزن هیدروژن و سلول سوختی نسبت به نیروگاه تلمبه ذخیره ای راه‌حلی ارزان‌تر و قابل اطمینان‌تر است و با فضایی کمتر و در هر شرایطی قابل اجرا می باشد.
با توجه به آنکه در مرحله تبدیل هیدروژن به برق حرارت قابل ملاحظه ای تولید می شود که به همراه آب تولید شده است، که می توان با استفاده از ژنراتور حرارتی تولید برق نمود.
در صورتی که نیاز باشد می توان از خود هیدروژن یا اکسیژن هم به عنوان سوخت استفاده کرد و سوخت صنایع مثلا هیدروژن برای فرآیند ساخت فولاد و یا خودرو هیدروژن سوز خود هیدروژن را مستقیما استفاده کرد.