Ciekły wodór, będący jednym z najperspektywniejszych nośników energii w kontekście zielonej gospodarki, staje się kluczowym elementem rozwoju infrastruktury energetycznej. Transportowanie wodoru na duże odległości, szczególnie w postaci ciekłej, jest niezbędne do efektywnego rozwoju rynków energii wodorowej. W przeciwieństwie do gazowego wodoru, który wymaga przechowywania pod wysokim ciśnieniem, ciekły wodór oferuje wyższą gęstość energetyczną, co czyni go bardziej efektywnym w transporcie.

Ciekły wodór transportuje się głównie drogą lądową lub morską. Pojazdy transportowe do przewozu wodoru w postaci ciekłej, takie jak cysterny, mają pojemność ładunkową wynoszącą od 2,5 do 3,3 tony, co stanowi 6–8 razy większą pojemność niż transport wodoru w postaci gazowej za pomocą przyczep o ciśnieniu 20 MPa. Dodatkowo, w porównaniu do innych metod transportu, pojazdy te charakteryzują się mniejszą wagą, co obniża koszty transportu. Zasięg transportu ciekłego wodoru może wynosić nawet ponad 1000 km, co czyni go opłacalnym rozwiązaniem na długie dystanse.

Transport morski stanowi inną istotną metodę przechowywania i transportowania wodoru w postaci ciekłej. Współpraca firm LH2 Europe i C-Job NavAl Architects zaowocowała zaprojektowaniem 141-metrowego statku do transportu wodoru w stanie ciekłym, napędzanego ogniwami paliwowymi. Statek ten wyposażony będzie w trzy zbiorniki na ciekły wodór o łącznej pojemności 37 500 m³, co pozwoli na zasilenie wodorowych ogniw paliwowych 400 000 średniej wielkości pojazdów lub 20 000 ciężarówek napędzanych wodorem.

Po dostarczeniu wodoru do stacji tankowania, do zasilania pojazdów ogniwami paliwowymi z magazynami wodoru o ciśnieniu 35 MPa lub 70 MPa, stosuje się pompę cieczy wodorowej, która zwiększa ciśnienie i następnie podgrzewa wodór za pomocą podgrzewacza (wykorzystując ciepło otoczenia, bez potrzeby dodatkowego zużycia energii). Dzięki temu, proces tankowania wodoru jest bardziej energooszczędny niż stosowanie sprężarek gazu, a pompa wodoru cieczy jest efektywniejsza w porównaniu do tradycyjnych metod sprężania gazu. Całkowite zużycie energii w procesie tankowania nie przekracza 2 kWh/kg, co stanowi wyraźną przewagę energetyczną.

Ciężkie pojazdy wodorowe o dużym zasięgu wymagają, by pojazd miał wbudowany system magazynowania wodoru o pojemności co najmniej 50 kg. W przypadku stosowania wysokociśnieniowych zbiorników wodorowych, nawet przy ciśnieniu 70 MPa, konieczne jest użycie od 5 do 8 zbiorników o pojemności 250 L. W porównaniu, zbiorniki na ciekły wodór mogą pomieścić tę samą ilość paliwa w jednym zbiorniku o pojemności od 0,8 do 1,3 m³. Woda w postaci ciekłej oferuje wyższą gęstość objętościową i masową niż wodór w formie sprężonej, co czyni ją bardziej efektywną w magazynowaniu i transporcie.

Zaletą zastosowania wodoru w postaci ciekłej w transporcie jest nie tylko wyższa gęstość magazynowania, ale również jego wyjątkowa czystość. Woda w stanie ciekłym nie zawiera innych gazów oprócz helu, które mogą się oddzielić podczas procesu odparowywania wodoru, co skutkuje uzyskaniem ultra-czystego wodoru. Ta jakość wodoru pozostaje nienaruszona aż do momentu wejścia do ogniwa paliwowego, co ma ogromne znaczenie dla systemów zasilania ogniwami paliwowymi, które wymagają długowieczności i wysokiej wydajności.

Aplikacje wodoru w postaci ciekłej są szczególnie odpowiednie w dużych skalach, takich jak transport wodorem dla ciężkich pojazdów, statków, pociągów czy samolotów. Z kolei w przypadku pojazdów pasażerskich oraz małych i średnich samochodów komercyjnych, wodór w postaci gazowej pod wysokim ciśnieniem wciąż stanowi bardziej praktyczną opcję.

Zastosowanie ciekłego wodoru oferuje liczne korzyści ekonomiczne, takie jak zmniejszenie całkowitego zużycia energii, oszczędności związane z magazynowaniem, transportem i tankowaniem oraz wysoką gęstość przechowywania wodoru. Dzięki temu rozwiązania te zyskują na znaczeniu w dużych aplikacjach transportowych, stanowiąc fundament wodorowej gospodarki.

Jakie będą przyszłe metody przechowywania i transportu wodoru w Europie?

Zapotrzebowanie na wodór w Europie rośnie w szybkim tempie, a szacowane zasoby mogą przekroczyć 50 000 Nm3/h, co sprawia, że transport wodoru gazociągami stanie się głównym sposobem przesyłu tego surowca w przyszłości. W szczególności, transport wodoru gazociągami rozwiązuje problem związany z dużymi odległościami oraz zwiększoną intensywnością wykorzystania odnawialnych źródeł energii, jak energia wiatru czy słońca. W związku z tym kluczowym elementem zapewniającym efektywność transportu wodoru będzie rozwój technologii składowania energii, która pozwala na długoterminowe przechowywanie energii w obszarach, w których niestabilność podaży energii jest problemem.

Magazynowanie energii w cyklu sezonowym wspiera długoterminowy i szeroko zakrojony transfer energii, stanowiąc fundament dla systemów opartych na odnawialnych źródłach energii o dużym udziale w miksie energetycznym. Przechowywanie energii przez długi czas staje się kluczowym rozwiązaniem w kontekście unikania przerw w dostawach energii. Koszty stałego magazynowania energii można analizować z dwóch perspektyw: kosztów inwestycyjnych oraz kosztów cyklu życia. W 2020 roku przeprowadzono badania porównawcze kosztów skali magazynowania energii różnych technologii, wskazując, że technologie elektrochemiczne, takie jak baterie litowo-jonowe i sodowo-jonowe, posiadają potencjał znaczącej redukcji kosztów, co pozwala spodziewać się ich dominacji w krótkoterminowym magazynowaniu energii (na poziomie godzin). Niemniej jednak, gdy czas przechowywania energii się wydłuża, koszty te rosną, a elektrochemiczne technologie magazynowania energii stają się coraz mniej opłacalne, podczas gdy koszty wodoru, sprężonego powietrza czy energii w zbiornikach wodnych wzrastają stosunkowo wolniej.

Dla scenariuszy przechowywania energii w cyklu sezonowym, aktualne koszty magazynowania elektrochemicznego są ponad sześciokrotnie wyższe niż w przypadku wodoru, a do 2060 roku różnica ta może sięgnąć nawet pięciokrotności. Dlatego wodór ma duży potencjał, by stać się główną metodą magazynowania energii sezonowej. Wodór ma również dodatkową zaletę, będąc łatwiejszym do przechowywania w postaci stałej lub wodorków, co czyni go potencjalnie idealnym nośnikiem energii w długoterminowych systemach energetycznych.

W miarę rozwoju technologii wodorowych, które obejmują transport, magazynowanie, przemysł oraz codzienne zastosowania, możliwe stanie się stworzenie zintegrowanego, społecznego systemu energetycznego wspieranego przez wodór. W takim systemie energia odnawialna jest wykorzystywana do produkcji wodoru (proces P2H – od energii elektrycznej do wodoru), następnie wodór jest przechowywany (HS) i wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła (H2P, H2T), co pozwala na integrację z sieciami energetycznymi i sieciami gazowymi.

W odniesieniu do źródeł energii, system będzie obejmował różnorodne źródła odnawialne, w tym elektrownie wiatrowe, panele fotowoltaiczne, elektrownie jądrowe, wodne oraz biomasowe. Jednym z kluczowych problemów przy wdrażaniu takich systemów jest niestabilność wytwarzania energii, szczególnie w odniesieniu do energii słonecznej i wiatrowej. Aby zminimalizować zmienność dostaw energii, elektrownie wiatrowe i fotowoltaiczne powinny być sprzężone z elektrolizerami, które umożliwiają konwersję nadmiaru energii w wodór. Równocześnie elektrownie jądrowe mogą pełnić rolę stabilnego źródła energii, wytwarzając stały poziom mocy bazowej, co pozwala na efektywne wykorzystanie dostępnych zasobów energetycznych i minimalizowanie strat.

Z kolei w przypadku ciepła, systemy oparte na wodoru mogą obejmować zarówno bezpośrednie spalanie wodoru w piecach wodorowych, jak i połączenie z pompami ciepła, które wykorzystują odpady ciepła z przemysłowych procesów produkcyjnych. Takie rozwiązanie daje możliwość stabilizacji dostaw ciepła w obliczu zmienności innych źródeł, takich jak energia słoneczna. Z tego względu wprowadzenie systemów opartych na wodorze do przemysłu grzewczego stanowi interesującą alternatywę w regionach, gdzie występują sezonowe wahania zapotrzebowania na ciepło.

Transport gazu w kontekście wodoru również ma ogromne znaczenie. W systemach transportowych wodór może być przesyłany przez sieci gazociągowe, podobnie jak inne paliwa, takie jak gaz ziemny, a także wykorzystywany w przemyśle chemicznym, hutnictwie czy transporcie. Aby to było możliwe, niezbędne są innowacje w technologii wykorzystywanych materiałów, aby zapobiec ich korozji i wzmocnić odporność na uszkodzenia spowodowane obecnością wodoru.

Kwestia bezpieczeństwa wodoru w procesach przechowywania i transportu również wymaga szczególnej uwagi. Wodorowe systemy przechowywania muszą być odporne na uszkodzenia spowodowane np. wtrąceniami wodoru do materiałów konstrukcyjnych, które mogą prowadzić do ich pękania czy utraty wytrzymałości. Dlatego tak ważne jest, by systemy te były projektowane z zachowaniem najwyższych standardów bezpieczeństwa, a także ciągłego monitorowania stanu technicznego instalacji w celu zapobiegania wyciekom i innych niebezpiecznych sytuacjom.

Kluczowe będzie także rozwijanie technologii wykrywania wodoru w powietrzu oraz systemów zabezpieczeń przeciwpożarowych, które pozwolą szybko reagować w przypadku wycieku gazu. Zatem, dla zapewnienia skuteczności, bezpieczeństwa oraz stabilności systemu energetycznego opartego na wodoru, niezbędna jest ciągła praca nad doskonaleniem zarówno technologii przechowywania, jak i metod transportu, a także tworzenie odpowiednich regulacji prawnych, które ułatwią rozwój tej branży.

Jakie są zalety i wyzwania związane z magazynowaniem wodoru w wysokociśnieniowych zbiornikach stalowych?

Zbiorniki wysokociśnieniowe do magazynowania wodoru stanowią kluczowy element w infrastrukturze do przechowywania i transportu tego gazu. Odgrywają fundamentalną rolę w zapewnieniu bezpiecznego i efektywnego przechowywania wodoru pod dużym ciśnieniem, co jest niezbędne w kontekście rozwoju technologii ogniw paliwowych oraz innych zastosowań przemysłowych. Wybór odpowiednich materiałów, konstrukcji i technologii produkcji dla takich zbiorników jest kwestią krytyczną, aby zapewnić ich niezawodność, wytrzymałość oraz odporność na korozję i wypadki związane z pęknięciem.

Ważnym wyzwaniem przy projektowaniu wysokociśnieniowych zbiorników magazynujących wodór jest zapewnienie ich odporności na tzw. kruchość wodorową. Materiały używane do produkcji tych zbiorników muszą wykazywać wysoką odporność na uszkodzenia spowodowane długotrwałym kontaktem z wodorem pod wysokim ciśnieniem. Testy prowadzone od lat 60-tych XX wieku w Sandia National Laboratories w Stanach Zjednoczonych doprowadziły do powstania bazy danych materiałów odpornych na kruchość wodorową, co miało znaczący wpływ na wybór materiałów do produkcji zbiorników wysokociśnieniowych. Na przykład, w Japonii, w Instytucie Zaawansowanych Technologii Przemysłowych, opracowano platformę testową, która umożliwia badania przy ciśnieniu dochodzącym do 210 MPa, co jest obecnie najwyższym ciśnieniem na świecie.

Zbiorniki wysokociśnieniowe mogą być produkowane przy użyciu różnych konstrukcji. Jednym z innowacyjnych rozwiązań jest konstrukcja zbiorników typu „z podwójną warstwą”, która składa się z wewnętrznego pojemnika wykonanego ze stali austenitycznej i zewnętrznego pojemnika wykonanego z wysokiej wytrzymałości stali. Tego rodzaju konstrukcja zmniejsza ryzyko pęknięć w wyniku kruchości wodorowej, ponieważ ciśnienie gazu wewnątrz zbiornika jest równoważone z ciśnieniem azotu w warstwie zewnętrznej. Takie podejście zapewnia lepszą kontrolę nad stresem działającym na wewnętrzny pojemnik i ogranicza ryzyko rozprzestrzeniania się pęknięć.

Oprócz materiałów i konstrukcji, dużą rolę w rozwoju technologii magazynowania wodoru odgrywa sama produkcja zbiorników. Stosowanie innowacyjnych metod produkcji, takich jak wytwarzanie zbiorników z wykorzystaniem nawiniętej taśmy stalowej (MSLV), pozwala na tworzenie zbiorników o dużej pojemności i wytrzymałości. Zbiorniki te mają szereg zalet: zapewniają wysoką odporność na wybuchy i pęknięcia, eliminują problem głębokich spoin obwodowych, a także umożliwiają monitorowanie wycieków wodoru w czasie rzeczywistym. Ponadto ich produkcja jest tańsza i prostsza, ponieważ wymaga mniejszej liczby spoin i stosowania tańszych materiałów w częściach, które nie stykają się bezpośrednio z wodorem.

Konstrukcja MSLV obejmuje szereg warstw stali, zewnętrzną warstwę ochronną oraz wnętrze, które może być wzmocnione dodatkową warstwą stali. Tego rodzaju zbiorniki mają zastosowanie nie tylko w magazynowaniu wodoru, ale również w transporcie, gdzie duża wytrzymałość na ciśnienie i bezpieczeństwo operacyjne są kluczowe. Dzięki unikalnej konstrukcji, MSLV pozwala na stworzenie zbiorników o bardzo dużej pojemności, które są jednocześnie bezpieczne i trwałe.

Ważne jest również zrozumienie, że pomimo zaawansowanych technologii magazynowania wodoru, wyzwaniem pozostaje dalszy rozwój technologii i materiałów, które mogą jeszcze lepiej odpowiadać na potrzeby w zakresie przechowywania gazu pod ekstremalnym ciśnieniem. Wymaga to kontynuowania badań nad materiałami odpornymi na kruchość wodorową, jak również nad optymalizacją struktur i technologii produkcji. Dlatego konieczne jest dalsze inwestowanie w badania nad wysokociśnieniowymi systemami magazynowania wodoru, w tym testowanie nowych materiałów, rozwój nowych konstrukcji oraz udoskonalanie metod produkcji, co pozwoli na osiągnięcie większej efektywności i niezawodności w przyszłych systemach magazynowania wodoru.

Jak zachowanie kwantowe wpływa na transport elektronów w połączonych kropkach kwantowych?
Jak zwykła szyba okienna może nas pozbawić ciepła, a co by było, gdybyśmy zaczęli stosować szkło ogrodnicze?
Jak rozumieć pojęcia z rachunku wektorowego: zbieżność, ciągłość, pochodne wektorowe