Jakie są wyzwania przechowywania wodoru skompresowanego i ciekłego?

Po wyprodukowaniu zielonego wodoru przechodzi on przez sprężarkę, zanim trafi do zbiorników lub podziemnych przestrzeni magazynowych. Sprężarki wodoru muszą cechować się wysokimi stosunkami ciśnienia, minimalnymi stratami oraz wysoką efektywnością energetyczną. Stosunek sprężania można wyrazić matematycznie za pomocą wzoru:

gdzie $r_p$ to stosunek ciśnienia, $P_{out}$ to ciśnienie wyjściowe z sprężarki, a $P_{in}$ to ciśnienie wodoru wchodzącego do sprężarki. Stosunek sprężania w sprężarkach wodoru może wynosić aż 20:1, co oznacza, że ciśnienie wodoru może zostać pomnożone przez 20, przechodząc przez pojedynczy etap sprężania, minimalizując liczbę sprężarek, które są wymagane do uzyskania wysoko sprężonego wodoru. Proces sprężania wodoru jest energochłonny, a typowe wymagania energetyczne wynoszą od 1,7 do 6,4 kWh/kg, w zależności od specyficznych cech systemów sprężania oraz ostatecznego ciśnienia i ilości sprężonego wodoru.

Sprężanie wodoru wiąże się również z istotnymi kosztami. Koszt sprężania wynosi około 1,34 USD/kg, co jest ważnym czynnikiem do uwzględnienia przy projektowaniu stacji sprężania wodoru. Koszty te mają duży wpływ na rentowność takich projektów, a ich analiza jest niezbędna przy podejmowaniu decyzji o inwestycjach w infrastrukturę wodoru.

Przykład projektowania stacji sprężania

Załóżmy, że fabryka produkująca amoniak wymaga 250 kg wodoru sprężonego do ciśnienia 600 bar dziennie. Wodór ten może pochodzić z pobliskiej elektrolizerni produkującej zielony wodór o ciśnieniu 3 bar. Celem jest włączenie stacji sprężania wodoru do infrastruktury fabryki. Należy obliczyć (a) liczbę i rodzaj sprężarek oraz (b) inwestycje i roczne koszty operacyjne stacji sprężania.

Dostępne na rynku sprężarki mają następujące charakterystyki:

• Sprężarka A: Stosunek sprężania 5:1, zużycie energii 2,7 kWh/kg, cena 60 000 USD, roczny koszt utrzymania 10,2% ceny rynkowej.

• Sprężarka B: Stosunek sprężania 10:1, zużycie energii 4,2 kWh/kg, cena 85 000 USD, roczny koszt utrzymania 11,3% ceny rynkowej.

• Sprężarka C: Stosunek sprężania 15:1, zużycie energii 4,8 kWh/kg, cena 100 000 USD, roczny koszt utrzymania 12,8% ceny rynkowej.

• Sprężarka D: Stosunek sprężania 20:1, zużycie energii 5,9 kWh/kg, cena 132 000 USD, roczny koszt utrzymania 14,1% ceny rynkowej.

Do obliczenia kosztów konieczne jest uwzględnienie taryfy za energię elektryczną wynoszącej 0,085 USD/kWh oraz zakłada się, że stacja będzie działać przez 345 dni w roku bez strat na skutek przecieków lub spadków ciśnienia.

Zaczynamy od obliczenia wymaganego stosunku sprężania dla stacji sprężania wodoru. Wodór podawany jest pod ciśnieniem 3 bar, a wymaga się, aby był sprężony do 600 bar. Obliczając stosunek sprężania za pomocą wzoru:

Oznacza to, że ciśnienie wodoru musi zostać pomnożone przez 200, aby osiągnąć pożądane ciśnienie wyjściowe, co nie jest możliwe za pomocą jednej sprężarki. W związku z tym należy wybrać kilka sprężarek, które razem zapewnią łączny stosunek sprężania równy 200:1.

W zależności od wyboru sprężarek i liczby etapów sprężania, może to wyglądać następująco:

• Sprężarka B (10:1) w pierwszym etapie wytwarza ciśnienie 30 bar, sprężarka D (20:1) w drugim etapie – 600 bar.

Po obliczeniu inwestycji, kosztów operacyjnych i kosztów energii można oszacować całkowity roczny koszt operacyjny stacji sprężania na 102 262 USD. Inwestycja początkowa w sprężarki wynosi 217 000 USD, a roczny koszt utrzymania wynosi 28 217 USD. Koszt energii elektrycznej wynosi 74 045 USD.

Rodzaje zbiorników do przechowywania wodoru

Przechowywanie sprężonego wodoru odbywa się w zbiornikach magazynowych lub w podziemnych przestrzeniach. Istnieje pięć typów zbiorników: Typ I, II, III, IV i V. Każdy typ ma swoje cechy charakterystyczne:

• Typ I: Zbiorniki wykonane z aluminium lub stali, które wytrzymują ciśnienie od 175 do 200 bar. Są to najcięższe zbiorniki, z gęstością objętościową wynoszącą około 1,36 kg/L. Są również najtańsze, kosztując około 83 USD/kg. Mimo że są stosunkowo tanie i dostępne, ich ograniczona gęstość magazynowania i waga sprawiają, że są używane głównie w aplikacjach stacjonarnych.

• Typ II: Zbiorniki wykonane z aluminium lub stali, które mają dodatkowe owijanie kompozytami szklanymi lub węglowymi, wytrzymujące ciśnienie od 263 do 300 bar.

Zarówno w przypadku sprężania, jak i przechowywania wodoru, kluczowym wyzwaniem pozostaje efektywność energetyczna oraz minimalizacja strat w procesach. Zmniejszenie kosztów operacyjnych oraz poprawa technologii sprężania i magazynowania mają kluczowe znaczenie dla rozwoju rynku wodoru jako nośnika energii. Warto zauważyć, że w kontekście wodoru, zarówno technologia sprężania, jak i przechowywania, musi uwzględniać specyficzne wymagania dotyczące ciśnienia, energii oraz materiałów, co może mieć wpływ na finalne koszty produkcji i dystrybucji.

Jakie są zalety i wyzwania przechowywania wodoru w stanie kriokomprymowanym oraz opartego na materiałach?

Systemy przechowywania wodoru w stanie kriokomprymowanym są bardziej efektywne pod względem gęstości energii niż tradycyjne systemy skraplania i skompresowanego wodoru. W tym przypadku wodór jest najpierw skraplany do temperatury krytycznej, a następnie kompresowany do ciśnienia 250–300 barów. Zostały opracowane specjalne zbiorniki, które umożliwiają przechowywanie wodoru w różnych fazach – ciekłej, gazowej i nadkrytycznej. Wodór nadkrytyczny to stan pośredni pomiędzy gazem a cieczą, który występuje, gdy ciśnienie wodoru jest poniżej 8 barów, a jego temperatura wynosi od −237,15°C do −239,15°C.

Zbiorniki do przechowywania wodoru w stanie kriokomprymowanym są zazwyczaj wykonane z kompozytów typu III, podobnych do tych używanych w systemach przechowywania skompresowanego wodoru. Zbiornik jest otoczony przez izolację próżniową z wieloma warstwami, aby zminimalizować przekazywanie ciepła. Dodatkowo wyposażony jest w wymienniki ciepła, które utrzymują odpowiednią temperaturę chłodziwa i przechowywanego wodoru w wartości kriogenicznej. W przypadku zagrożeń lub wycieków, system próżniowy uruchamia moduł awaryjny, który blokuje układ przechowywania. W skład tego modułu wchodzą zawory bezpieczeństwa, które pozwalają na wentylację wodoru w przypadku wzrostu ciśnienia.

Do tej pory najskuteczniejszy prototyp systemu przechowywania wodoru w stanie kriokomprymowanym opracowała firma BMW w 2011 roku, który był przeznaczony do pojazdu elektrycznego z ogniwem paliwowym. System ten był w stanie wytrzymać ciśnienie do 350 barów oraz temperaturę −240°C, przechowując 8 kg wodoru w stanie kriokomprymowanym z gęstością magazynowania 5,4% wag. (w porównaniu do systemów skroplonego wodoru). Jednak systemy kriokomprymowane wciąż znajdują się w fazie badań i rozwoju, a ich zastosowanie w magazynowaniu wodoru na dużą skalę nie zostało jeszcze dokładnie oszacowane. Niemniej jednak ich zdolność do przechowywania wodoru w różnych fazach jednocześnie oraz potwierdzona efektywność przechowywania z minimalnymi stratami wycieków sprawiają, że badania nad tymi systemami mają sens, szczególnie w zastosowaniach lotniczych i motoryzacyjnych.

W przypadku przechowywania wodoru opartego na materiałach, technologia ta polega na wykorzystaniu specyficznych materiałów, które mogą magazynować wodór w sposób odwracalny. Rewersyjna chemiczna magazynowanie wodoru obejmuje reakcje chemiczne, które można odwrócić, umożliwiając tworzenie i rozrywanie wiązań chemicznych pomiędzy pierwiastkami lub substancjami. Dla skutecznego przechowywania wodoru materiały te muszą posiadać odpowiednie cechy, takie jak dobra odwracalność, wysoką pojemność magazynowania przy wymaganym ciśnieniu i temperaturze operacyjnej oraz szybkie kinetyki (szybkie wiązanie i uwalnianie cząsteczek wodoru).

Dotychczasowe technologie oparte na fizycznym przechowywaniu wodoru mają swoje ograniczenia, głównie związane z ograniczoną pojemnością magazynowania, wysokimi wymaganiami energetycznymi, zagrożeniami bezpieczeństwa (w przypadku przechowywania wodoru w skompresowanych zbiornikach), ograniczeniami geograficznymi (w przechowywaniu podziemnym), wysokimi wskaźnikami wycieków (w systemach skroplonego wodoru) oraz złożonością konstrukcji, aby wytrzymać wysokie ciśnienie i temperatury (w przypadku systemów kriokomprymowanych). Dlatego badacze na całym świecie poszukują nowych technologii, które umożliwią wyższe pojemności magazynowania wodoru przy niskich i średnich ciśnieniach oraz temperaturach, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu wskaźników wycieków wodoru i większym bezpieczeństwie.

Technologie magazynowania wodoru oparte na materiałach dzielą się na technologie adsorpcji i absorpcji. W chemii, adsorpcja to proces, w którym jony lub cząsteczki substancji przylegają do powierzchni innej substancji. Absorpcja natomiast polega na przenoszeniu jonów lub cząsteczek substancji przez inną substancję. W obu procesach substancja, która przylega do powierzchni (adsorbent) lub przechodzi przez inną substancję (absorbent), jest nazywana odpowiednio adsorbentem lub absorbentem.

W technologii przechowywania wodoru opartej na adsorpcji, wodór może być przechowywany na powierzchni porowatego materiału, wykorzystując fizyczne siły van der Waalsa między cząsteczkami wodoru a powierzchnią materiału o dużej powierzchni specyficznej. Siły van der Waalsa to słabe siły międzycząsteczkowe, które powstają w wyniku interakcji między nie naładowanymi atomami lub cząsteczkami. Ze względu na słabość tych wiązań, konieczne jest stosowanie niskich temperatur i wysokich ciśnień, aby zapewnić odpowiednią pojemność magazynowania wodoru. Operowanie w zakresie ciśnienia od 10 do 100 barów jest niezbędne do sukcesu tych technologii. Choć przechowywanie wodoru za pomocą adsorpcji wykazuje znaczący potencjał w zakresie skutecznego przechowywania wodoru o dużej pojemności, technologie te wciąż są ograniczone do prototypów na poziomie laboratoryjnym.

Wśród najbardziej obiecujących materiałów do przechowywania wodoru za pomocą adsorpcji znajdują się materiały węglowe, metalowo-organiczne struktury (MOF), polimery o wewnętrznej mikroskopowości (PIM), kowalentne struktury organiczne (COF) oraz zeolity. Wśród materiałów węglowych, węgiel porowaty, węgiel aktywowany, nanostruktury węglowe i grafen wykazują szeroki wachlarz właściwości do przechowywania wodoru. Na przykład węgiel porowaty uzyskany przez karbonizację włókien rayonu może osiągnąć powierzchnię specyficzną do 3144 m²/g. Wykorzystanie tego materiału umożliwia uzyskanie gęstości magazynowania wodoru w granicach 0,9–7,01% wag. przy temperaturze 77 K (= −196,15°C) i ciśnieniu 40 barów. Ponadto węgiel aktywowany, pozyskany w wyniku karbonizacji biomasy, jest dobrze znanym materiałem do przechowywania wodoru za pomocą adsorpcji, posiadającym powierzchnię specyficzną w zakresie od 2000 do 3100 m²/g.

Jakie materiały i technologie najlepiej nadają się do przechowywania wodoru?

Wodór, jako nośnik energii, zyskuje na znaczeniu w kontekście zielonej gospodarki wodorowej. Jednym z wyzwań związanych z jego szerokim zastosowaniem jest skuteczne przechowywanie wodoru. Aby rozwiązać ten problem, badacze opracowali różnorodne materiały i technologie magazynowania wodoru, w tym różne formy węgla, ramy organiczno-metalowe (MOF), polimery, a także technologie oparte na adsorpcji i absorpcji. Wśród najważniejszych rozwiązań, które zasługują na uwagę, znajdują się węgiel, MOF, polimery o właściwościach mikroporozowych, a także nowoczesne technologie absorpcyjne, takie jak amoniak.

Węgiel, zwłaszcza w postaci nanorurek węglowych, stanowi obiecującą opcję dla przechowywania wodoru. Nanorurki węglowe są zbudowane z dużej liczby atomów węgla połączonych pojedynczymi i podwójnymi wiązaniami. Charakteryzują się one wyjątkową zdolnością do adsorpcji, szczególnie kiedy są połączone z metalami. W zależności od rozmiaru, krzywizny rurki oraz rodzaju użytego metalu, gęstość magazynowania wodoru w nanorurkach węglowych może wynosić od 5 do 9,8% wagowych. Na przykład, nanorurki węglowe połączone z aluminium mogą zapewnić gęstość magazynowania wodoru na poziomie 6,15% wagowych, podczas gdy połączenie z skandem może podnieść tę wartość nawet do 9,8% wagowych. Grafen, wśród materiałów opartych na węglu, posiada najwyższy potencjał do przechowywania wodoru, oferując gęstość magazynowania na poziomie 13,8% wagowych w połączeniu z aluminium, a nawet 20% wagowych, gdy połączony jest z boranem i potasem.

Obok materiałów opartych na węglu, ramy organiczno-metalowe (MOF) stają się coraz bardziej popularne w badaniach nad magazynowaniem wodoru. MOF to porowate materiały krystaliczne o dużej powierzchni właściwej, która może wynosić nawet do 4800 m²/g. MOF składają się z metalowych jonów (klastrów), które łączą się za pomocą organicznych łączników. Wśród obiecujących materiałów tego typu wymienia się MOF-5, który może przechowywać wodór w temperaturach pokojowych i kriogenicznych, a jego gęstość magazynowania może wynosić od 1% wagowych w warunkach pokojowych do 4,5% wagowych w temperaturach kriogenicznych. MIL-101(Cr), inny typ MOF, wykazuje jeszcze większy potencjał, osiągając gęstość magazynowania do 17,6% wagowych w temperaturze kriogenicznej i ciśnieniu 80 bar.

Polimery o właściwościach mikroporozowych, takie jak PIM-1 i PIM-7, stanowią kolejną opcję w kontekście przechowywania wodoru. Polimery te charakteryzują się zdolnością do adsorpcji wodoru, choć ich efektywność jest ograniczona w porównaniu do innych materiałów. PIM-1 i PIM-7 mogą przechowywać wodór w niewielkich ilościach przy bardzo niskich temperaturach i ciśnieniu 1 bar, osiągając gęstość magazynowania wodoru na poziomie 1,04% wagowych dla PIM-1 oraz 1% wagowych dla PIM-7. Jednak niska cena polimerów i łatwość ich wytwarzania sprawiają, że prace nad ich rozwojem wciąż trwają, a nowe typy polimerów mogą zaoferować większą zdolność przechowywania wodoru.

Kolejną obiecującą kategorią materiałów są kowalentne ramy organiczne (COF), które są krystalicznymi, porowatymi polimerami organicznymi o trwałej porowatości. COF-5, jeden z najlepiej zbadanych materiałów tego typu, osiąga gęstość magazynowania wodoru na poziomie 5,5% wagowych w temperaturach kriogenicznych. Chociaż COF nie dorównują w zakresie pojemności magazynowania wodoru materiałom MOF, oferują one korzystne właściwości, takie jak niższy koszt, łatwość wytwarzania i wysoce uporządkowaną strukturę, co czyni je atrakcyjną alternatywą.

Zeolity, stanowiące kolejną grupę materiałów, również wykazują zdolność przechowywania wodoru. Zeolity to krystaliczne, trójwymiarowe ciała stałe zbudowane z krzemianów glinu. Mogą przechowywać wodór na dwa główne sposoby: poprzez adsorpcję w niskich temperaturach i umiarkowanym ciśnieniu lub przez inkapsulację, czyli wtłaczanie wodoru do porów zeolitów pod bardzo wysokim ciśnieniem. Choć zeolity nie zapewniają tak wysokich gęstości magazynowania wodoru jak niektóre inne materiały, ich niski koszt i łatwość produkcji sprawiają, że pozostają one interesującą opcją, zwłaszcza w kontekście stosunkowo stabilnego przechowywania wodoru w warunkach pokojowych.

Warto także wspomnieć o technologii przechowywania wodoru za pomocą adsorpcji, gdzie wodór jest magazynowany w słabych wiązaniach van der Waalsa. Jest to technologia, która wymaga mniejszych nakładów energetycznych w porównaniu do innych metod, ale oferuje mniejszą stabilność magazynowania wodorowego. Z kolei technologie przechowywania wodoru za pomocą absorpcji, które polegają na chemicznym wiązaniu wodoru z absorbentem, umożliwiają bardziej stabilne przechowywanie, ale wiążą się z wyższymi kosztami energetycznymi.

Przechowywanie wodoru w amoniaku, będące jednym z najwięcej badań obejmujących tematów, również zasługuje na uwagę. Amoniak, tworzony w wyniku reakcji wodoru i azotu, może działać jako nośnik wodoru, który po uwolnieniu może zostać ponownie wykorzystany w procesach przemysłowych.

Jakie są wyzwania i możliwości przechowywania wodoru w podziemnych zbiornikach?

Przechowywanie wodoru w podziemnych przestrzeniach geologicznych to jedna z najbardziej obiecujących metod umożliwiających stabilizację dostaw tego czystego nośnika energii w ramach zrównoważonego rozwoju. Z uwagi na rosnącą potrzebę efektywnego magazynowania energii w systemach opartych na odnawialnych źródłach energii, wykorzystywanie przestrzeni podziemnych, w tym wygasłych kopalni, porzuconych złóż gazu czy akwenów solankowych, zyskuje na znaczeniu.

Jednym z głównych powodów, dla których składowanie wodoru w takich przestrzeniach staje się coraz bardziej popularne, jest ich ogromny potencjał do przechowywania dużych ilości gazu w sposób względnie tani i efektywny energetycznie. W porównaniu do tradycyjnych metod magazynowania, takich jak kompresja gazu czy skraplanie, magazyny podziemne oferują długoterminowe przechowywanie przy minimalnych stratach energii. W dodatku, przestrzenie te są już dostępne, co znacząco zmniejsza koszty budowy nowych instalacji.

Wykorzystanie wygasłych kopalni węgla i innych porzuconych kopalni minerałów może być także rozwiązaniem ekologicznie korzystnym, pozwalającym na ponowne użycie terenów już zniszczonych przez przemysł, przy jednoczesnym zmniejszeniu ryzyka związanego z wydobywaniem węgla czy innych surowców w nowych lokalizacjach. Z kolei akweny solankowe, które występują w wielu miejscach na świecie, mogą zapewnić stabilne warunki przechowywania wodoru, wykorzystując naturalne właściwości geologiczne tych obszarów.

Jednak, jak każda technologia, magazynowanie wodoru w przestrzeniach podziemnych wiąże się z wieloma wyzwaniami. Pierwszym z nich jest zapewnienie szczelności zbiorników. Woda, sól, gaz i ciśnienie panujące w głębokich warstwach ziemi mogą stanowić wyzwanie, zwłaszcza w przypadku akwenów solankowych, gdzie konieczne jest odpowiednie dobranie parametrów geologicznych, aby zminimalizować ryzyko wycieków. W przypadku kopalni, dodatkowym zagrożeniem mogą być zaburzenia strukturalne i wstrząsy sejsmiczne, które mogą być wynikiem nieodpowiedniego zagospodarowania tych przestrzeni.

Innym istotnym zagadnieniem jest kwestia technologii wtryskiwania wodoru do podziemnych zbiorników. W zależności od rodzaju przestrzeni, w której wodór jest magazynowany, stosowane muszą być różne metody wstrzykiwania i wydobywania gazu, co wymaga zaawansowanej technologii, a także odpowiednich badań geologicznych przed podjęciem jakiejkolwiek działalności w danej lokalizacji.

Również kwestie związane z bezpieczeństwem i kontrolą ciśnienia są kluczowe. Wodór to gaz wybuchowy, który może łatwo reagować z powietrzem, tworząc niebezpieczne mieszaniny. Zatem dokładne monitorowanie ciśnienia i składu gazu w podziemnych przestrzeniach przechowywania jest absolutnie konieczne. Odpowiednie technologie detekcji i zawory bezpieczeństwa muszą być na najwyższym poziomie, aby uniknąć potencjalnych katastrof.

Warto również zwrócić uwagę na ekonomiczne aspekty tej technologii. Chociaż wykorzystanie przestrzeni podziemnych do przechowywania wodoru może być mniej kosztowne niż inne metody, wymagają one jednak dużych nakładów na badania wstępne, przygotowanie infrastruktury i dbałość o utrzymanie jakości przechowywanego gazu przez długie lata. Czasami koszt związany z monitorowaniem, konserwacją i rewitalizacją takich zbiorników może być wyższy niż początkowe oszczędności.

Nie można zapominać, że rozwój technologii magazynowania wodoru w podziemnych przestrzeniach wciąż trwa. Istnieje wiele obszarów, które wymagają dalszych badań, takich jak wpływ długoterminowego przechowywania wodoru na właściwości geologiczne zbiorników, a także efektywność energetyczną tych procesów. Wymaga to innowacyjnych podejść oraz wdrożenia nowoczesnych narzędzi do symulacji i monitorowania, aby zoptymalizować całkowity proces przechowywania.

Dodatkowo, należy pamiętać, że technologia ta, mimo że posiada wiele zalet, nie jest panaceum na wszystkie problemy związane z magazynowaniem wodoru. W przyszłości prawdopodobnie niezbędne będzie połączenie różnych technologii, takich jak skraplanie wodoru, przechowywanie w formie gazu pod wysokim ciśnieniem oraz wykorzystanie podziemnych zbiorników. Takie zintegrowane podejście pozwoli na uzyskanie najbardziej efektywnych i bezpiecznych rozwiązań w długoterminowym przechowywaniu wodoru.

Jakie czynniki należy uwzględnić przy projektowaniu systemów transportu wodoru?

W 2021 roku w różnych krajach o zróżnicowanych zdolnościach handlowych zaobserwowano szereg procesów eksportowych wodoru. Przykłady takich procesów przedstawiono w tabeli 6.3, która ilustruje eksport wodoru według krajów, a także wskazuje na potencjał rynkowy w zakresie transportu wodoru do 2050 roku, zaprezentowany na rysunku 6.7. Belgia, jako jeden z głównych eksporterów wodoru w tym roku, osiągnęła zdolność eksportową wynoszącą 201 338 000 m³. Eksport wodoru wymaga zastosowania dobrze określonych procedur, które umożliwiają jego transport pomiędzy państwami. Szacowanie kosztów transportu wodoru jest kluczowe dla zapewnienia ekonomicznej efektywności tych procesów.

W procesie eksportu wodoru należy rozważyć kilka etapów, które pozwalają na oszacowanie kosztów związanych z produkcją zielonego wodoru w krajach o wysokich zdolnościach wytwórczych energii odnawialnej. Pierwszym krokiem jest identyfikacja krajów dysponujących największymi zasobami odnawialnej energii, co pozwala na zaplanowanie infrastruktury niezbędnej do eksportu. Następnie tworzy się zestawienie danych dotyczących zdolności produkcyjnych oraz danych czasowych zasobów energii odnawialnej. Te informacje są następnie wykorzystywane w modelu optymalizacji energetycznej, który ma na celu zaprojektowanie infrastruktury eksportowej przy minimalnym koszcie. Po optymalizacji definiuje się lokalną infrastrukturę eksportową, a następnie oblicza całkowite koszty eksportu, uwzględniając wszystkie etapy – od produkcji do transportu do portu.

Transport wodoru wymaga również uwzględnienia mechanizmów transportu gazu przez rurociągi. Istnieje wiele czynników, które wpływają na transport gazu, takich jak prędkość przepływu, temperatura, średnica rury oraz właściwości gazu. Różnice ciśnienia na wejściu i wyjściu z rurociągu pomagają w przemieszczaniu gazu. Z kolei opór wewnętrzny rurze, wynikający z tarcia gazu o ściany, prowadzi do spadku ciśnienia. Dodatkowo, im rura jest dłuższa i bardziej szorstka, tym większe straty ciśnienia. Prędkość gazu w rurociągu jest również istotnym czynnikiem, ponieważ jej wzrost może prowadzić do erozji ścian rur. Istnieje jednak maksymalna prędkość gazu, nazywana prędkością erozji, której nie można przekroczyć przy projektowaniu systemu rurociągów.

Aby dokładnie obliczyć przepływ gazu w rurociągu, niezbędne jest uwzględnienie różnych parametrów fizycznych, takich jak gęstość gazu, lepkość dynamiczna, średnica rury oraz prędkość przepływu. Równanie, które pozwala określić objętościowy przepływ wodoru, to m = A × v, gdzie m to przepływ masowy, A to pole przekroju rury, a v to średnia prędkość gazu. Ważnym parametrem jest również liczba Reynoldsa, która wskazuje na rodzaj przepływu (laminarny lub turbulentny) i zależy od prędkości gazu, gęstości, lepkości oraz średnicy rury. Przepływ turbulentny występuje, gdy liczba Reynoldsa przekracza wartość 4000, co charakteryzuje się nieregularnym ruchem gazu z wirami i zawirowaniami. W przypadku przepływu laminarnego (Re < 2300) gaz porusza się w płynnych warstwach równolegle.

Do analizy przepływu gazu w rurociągu należy także uwzględnić współczynnik tarcia Darcy'ego, który jest istotny przy obliczaniu oporu przepływu w rurociągach. Współczynnik ten zależy od wielu czynników, takich jak chropowatość rury, średnica rury i liczba Reynoldsa. Do jego obliczeń wykorzystuje się równanie Colebrooka-White'a, które pozwala uzyskać dokładne wartości współczynnika tarcia w przypadku przepływów turbulentnych. Aby obliczyć spadki ciśnienia w rurociągach, powszechnie stosuje się równanie Darcy'ego-Weisbacha, które uwzględnia tarcie oraz straty ciśnienia wynikające z przepływu gazu przez rury.

Ostateczne obliczenia kosztów transportu wodoru obejmują wszystkie aspekty, od kosztów związanych z produkcją zielonego wodoru po jego eksport do portów. Dla uzyskania jak najlepszej efektywności, niezbędne jest zastosowanie zaawansowanych modeli obliczeniowych, które uwzględniają wszystkie zmienne związane z transportem gazu, projektowaniem infrastruktury oraz zarządzaniem energetycznym.