Cyber-Fuel-Cell: июля 2018

Профессор, д. т. н. ФОМИН В. М.

Глава 2.

Системы АККУМУЛИРОВАНИя ВОДОРОДА

2.2. Трубопроводная транспортировка водорода

Трубопроводный транспорт газообразного водорода к АЗС может осуществляться с помощью технических средств, аналогичных применяемым сегодня для транспорта природного газа. Естественно, что оптимальное давление, диаметр трубопровода, шаг компрессии, оборудование (компрессоры и т.д.) для водорода будут иными, чем для природного газа, в некоторых случаях может потребоваться и применение иных материалов.

Существующие системы трубопроводного транспорта природного газа также могут быть использованы для транспортировки водорода или смесей водорода с другими газами при относительно невысоком давлении, однако при этом параметры системы не будут оптимальными. Затраты энергии на компримирование водорода при его трубопроводной транспортировке в расчете на единицу передаваемой энергии примерно в 4 раза превосходят затраты энергии при транспортировке природного газа по тому же трубопроводу.

Определенный опыт трубопроводной транспортировки водорода и его смесей с другими газами накоплен в мировой практике. Смесь водорода с оксидом углерода (так называемый водяной или городской газ) широко использовалась в Европе и передавалась по трубам при низких давлениях с середины прошлого столетия.

В Германии на предприятиях Chemische Werke Huls AG в Руре эксплуатируется подземный трубопровод для транспортировки газообразного водорода (более 10⁵ т условного топлива в год при максимальном расходе 18 т/ч) под давлением от 1,5 до 4 МПа общей длиной 210 км при диаметрах труб от 150 до 300 мм. Водород распределяется девяти потребителям, система не имеет промежуточных компрессорных установок, водород подается в нее в четырех раздельных пунктах. Суммарные потери водорода по системе не превосходят 1%.

В ЮАР в районе Иоганесбурга эксплуатируется трубопровод длиной около 80 км, по которому транспортируется смесь углеводородных газов с 50% водорода.

В районе Хьюстона (США, Техас) эксплуатируются подземные трубопроводы общей длиной около 100 км для транспортировки водорода и оксида углерода диаметром от 100 до 300 мм. Водород чистотой 99,5% передается по трубопроводу под давлением от 0,34 до 5,5 МПа. В США на некоторых исследовательских стендах НАСА для хранения и распределения водорода применяются сосуды высокого давления и трубопроводы из высокопрочной легированной стали длиной несколько километров, по которым транспортируется водород при давлениях до 103 МПа.

В Тессиди (Англия) из подземного хранилища водород чистотой 95 % в количестве около 80 тыс.т условного топлива в год транспортируется потребителям по наземным трубопроводам длиной около 16 км под давлением 5 МПа.

Относительно короткие трубопроводы для транспортировки водорода и смесей водорода с другими газами (несколько километров длиной) эксплуатируются и во многих других странах. Следует отметить, что подавляющее большинство функционирующих сегодня систем трубопроводного транспорта водорода не имеет промежуточных компрессорных установок.

Трубопроводный транспорт газообразного водорода может осуществляться различным образом:

- путем перевода существующих систем трубопроводов для транспортировки природного газа на транспортировку водорода;

- путем инъекции водорода в существующие сети транспортировки природного газа и смеси природный газ—водород;

- по специально созданным для транспортировки водорода системам трубопровода.

Многие авторы указывают на то, что при обычных температурах и относительно невысоких давлениях (до 7—10 МПа по различным данным) трубопроводный транспорт газообразного технического водорода может осуществляться с помощью обычных технических средств, применяемых для трубопроводного транспорта природного газа, и не требует применения дорогостоящих и дефицитных материалов.

При более высоких давлениях, в особенности при транспортировке особо чистого водорода, иногда может наблюдаться водородное охрупчивание обычно применяемых материалов и необходимо применение специальных легированных сталей. Наличие в водороде примесей других газов — кислорода, углеводородов и таких как СО₂, СО, S0₂ - обычно приводит к ингибированию взаимодействия водород—металл и защищает материал от охрупчивания, однако этот вопрос в настоящее время изучен недостаточно [8].

Оценки, исходящие из физико-химических свойств газообразного водорода (плотность, вязкость, теплота сгорания), показывают, что оптимальным давлением для его трубопроводного транспорта является до 14 МПа. Однако в связи с отмеченными выше особенностями взаимодействия водорода с материалом трубопровода представляется более рациональным использование систем крупномасштабного трубопроводного транспорта водорода под давлением не выше 7…7,5 МПа. Компрессоры, используемые при таком транспорте водорода, будут отличаться от таковых для природного газа прежде всего большим числом ступеней и большими сечениями. Мощность компрессора в расчете на единицу передаваемой энергии для водорода должна быть примерно в 3…4 раза больше, чем для природного газа. Стоимость таких компрессоров в расчете на единицу передаваемой мощности для водорода оказывается на 30…50 % выше, чем для природного газа. По оценкам [9] стоимость трубопроводного транспорта водорода под давлением 7 МПа в расчете на единицу энергии будет в 1,5…2,5 раза превосходить стоимость такого же транспорта природного газа.

Стоимость распределения водорода по локальным отводам превышает стоимость распределения природного газа на единицу передаваемой энергии в 2…2,5 раза в зависимости от расстояния и объема потребления. Институтом технологии газа США выполнено экспериментальное исследование возможности использования для распределения газообразного водорода многочисленным мелким потребителям существующих систем, созданных для распределения природного газа [10]. Исследование показало, что при прочих равных условиях потери водорода из системы по объему в 3—3,5 раза превосходят потери природного газа, т.е. потери энергии практически эквивалентны. Объемный расход водорода в 2,5…3 раза больше, чем природного газа, что позволяет передать при тех же условиях в водороде 80…90% энергии, передаваемой в природном газе, несмотря на то, что объемная теплотворность водорода в 3 раза ниже, чем природного газа.

После шести месяцев эксплуатации системы распределения не обнаружено каких-либо повреждений или изменений труб и других металлических частей системы, пластиковые и резиновые материалы, использованные в системе, претерпели незначительные изменения, несущественные для работоспособности системы. Таким образом, использование существующих систем распределения природного газа для распределения водорода, по-видимому, возможно, однако этот вывод требует дополнительного подтверждения при более длительных испытаниях.

Исследование возможности трубопроводного транспорта водорода в смеси с природным газом по существующим системам его транспорта и распределения, выполненное рядом лабораторий США [11], показало, что при объемном содержании водорода в смеси до 40 % существующие системы транспорта газа практически не требует модернизации.

Для большинства сегодняшних потребителей природного газа вполне приемлема технически его замена смесями с водородом при объемном содержании водорода до 20—25% без заметной модернизации оборудования, но при использовании смесей с содержанием водорода выше 20-25% потребуется существенная и дорогостоящая модернизация. Для потребителей чистого водорода при снабжении по таким системам потребуется создание эффективных устройств для выделения водорода из смесей с природным газом. Такие устройства различных типов разрабатываются сегодня во многих научных центрах.

Системы совместного трубопроводного транспорта водорода и природного газа при объемном содержании водорода до 20% по оценкам [11] могут оказаться эффективными в перспективе. В таких системах может осуществляться и аккумулирование водорода путем изменения его концентрации в смеси.

В настоящее время большинство крупномасштабных потребителей используют водород при относительно невысоких давлениях. В то же время, автомобильный транспорт в относительно небольших масштабах использует водород при высоких давлениях (более 10 МПа). Затраты энергии и стоимость оборудования для сжатия водорода до таких давлений при условии сохранения его чистоты и относительно небольших масштабах потребления приводят к большому удорожанию производства. В этих условиях может оказаться более эффективным применение комбинированной системы хранения.

В этом случае доставка водорода и его хранение на заправочных станциях осуществляется в жидком виде в специальных цистернах. По мере необходимости жидкий водород подается из цистерны, сжимается компрессором до необходимого давления и закачивается в испаритель, в котором испаряется за счет низкопотенциальной теплоты, поступающей из окружающей среды или от другого источника, затем водород попадает в буферные емкости высокого давления, из которых поступает на заправку ТС.

Такая система допускает длительное хранение водорода. Конечно, в этом случае необходимо применять дорогостоящие легированные материалы. Однако, несмотря на это, а также на то, что ожижение водорода приводит к его удорожанию, применение такой системы хранения и распределения водорода для указанных потребителей оказывается более выгодным, чем снабжение газообразным при низком давлении с последующими операциями его хранения, очистки и компримирования [11]

................

2.5. Аккумулирование водорода в твердофазном связанном состоянии в гидридах металлов

Идея использования гидридов металлов для аккумулирования водорода в твердофазном связанном состоянии была выдвинута во второй половине 60-х годов прошлого столетия. Активные исследования и разработки в этой области в последующие годы привели к созданию эффективных поглощающих сплавов и систем аккумулирования водорода с их использованием.