Jakie są wyzwania związane z technologią sprężania wodoru i jej wpływem na materiały?

Technologia sprężania wodoru w stacjach tankowania wodoru staje się coraz bardziej zaawansowana, a jej znaczenie w kontekście rozwoju infrastruktury wodorowej na całym świecie nieustannie rośnie. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na wysokociśnieniowe zbiorniki na wodór, stacje tankowania i systemy sprężania muszą sprostać wyzwaniom związanym z wydajnością, niezawodnością oraz trwałością. W tym kontekście istotną rolę odgrywają różne typy sprężarek, w tym sprężarki tłokowe, sprężarki z metalową membraną oraz te napędzane cieczą jonową, które znajdują zastosowanie w systemach sprężania gazów wodorowych.

Sprężarki tłokowe, mimo że od lat stanowią podstawę technologii sprężania gazów, napotykają liczne wyzwania związane z ich zastosowaniem w kontekście wysokociśnieniowych stacji tankowania wodoru. Typowy cykl sprężania w tych urządzeniach jest obarczony wieloma ograniczeniami, szczególnie w zakresie temperatury i wydajności. Sprężarki tłokowe są narażone na wysokie temperatury, które powstają w wyniku sprężania gazu, co może negatywnie wpływać na ich trwałość i efektywność energetyczną. Ponadto, tradycyjne technologie wymagają skomplikowanych systemów smarowania, co zwiększa ryzyko zanieczyszczenia wodoru i zmniejsza ogólną niezawodność systemu.

W obliczu tych wyzwań, rozwój sprężarek membranowych, które wykorzystują metalowe membrany, stanowi obiecującą alternatywę. Sprężarki tego typu charakteryzują się wyższą niezawodnością i niższym ryzykiem awarii, ponieważ nie wymagają tradycyjnych systemów smarowania. Z kolei technologia sprężarek napędzanych cieczą jonową, będąca stosunkowo nowym rozwiązaniem, obiecuje dalszą poprawę efektywności energetycznej oraz wydajności, szczególnie w przypadku stacji tankowania wodoru pracujących w bardzo wysokich ciśnieniach, dochodzących nawet do 90 MPa.

Warto również zauważyć, że wybór odpowiedniej technologii sprężania wodoru w dużej mierze zależy od specyfiki konkretnej stacji tankowania i jej wymagań operacyjnych. Dla niektórych stacji, szczególnie tych znajdujących się w obszarach o dużym zapotrzebowaniu na wodór, sprężarki tłokowe mogą być wystarczające, pod warunkiem, że zostaną odpowiednio dostosowane do warunków pracy. Z kolei w miejscach, gdzie wymagane są wyższe ciśnienia i lepsza efektywność, technologie membranowe oraz jonowe mogą okazać się bardziej odpowiednie.

Przy analizowaniu rozwoju technologii sprężania wodoru, istotnym elementem jest również uwzględnienie aspektu bezpieczeństwa. Stacje tankowania wodoru muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby minimalizować ryzyko wycieków wodoru i zapewniać odpowiednie środki ochrony w przypadku awarii sprężarki. Z tego względu, współpraca pomiędzy producentami sprzętu, naukowcami oraz regulacjami państwowymi ma kluczowe znaczenie w kształtowaniu przyszłości tego sektora.

W kontekście rozwoju stacji tankowania wodoru warto również zauważyć, że oprócz samego procesu sprężania gazu, nie mniej ważne są aspekty związane z przechowywaniem wodoru. Wysokociśnieniowe zbiorniki na wodór, zarówno te stacjonarne, jak i mobilne, muszą spełniać rygorystyczne normy jakości, aby zapewnić bezpieczne magazynowanie gazu i zapobiec jego przypadkowemu uwolnieniu. Nowoczesne technologie w zakresie materiałów kompozytowych, które wykorzystywane są do budowy zbiorników na wodór, mogą przyczynić się do dalszego rozwoju sektora tankowania wodoru, zwiększając zarówno bezpieczeństwo, jak i efektywność systemów.

Jakie wyzwania napotykają stacje tankowania wodoru i rurociągi przesyłowe wodoru w kontekście przechowywania i transportu gazu?

W Chinach przeprowadzono demonstrację stacji tankowania wodoru, która wykazała dobrą wydajność operacyjną. Zbiorniki do przechowywania wodoru w tych stacjach, zbudowane z stalowej podkładki i pełnej struktury kompozytu z włókna węglowego, stanowią zaawansowane rozwiązanie w kontekście magazynowania wodoru pod wysokim ciśnieniem. Kluczowym wyzwaniem przy projektowaniu takich zbiorników jest zapobieganie zjawisku embrittlementu wodoru w wysokociśnieniowym środowisku, co ma na celu zapewnienie zasady „wyciek przed pęknięciem” w przypadku uszkodzenia zbiorników. Zjawisko to odnosi się do procesu, w którym wodór przenika do metalu, co w połączeniu z naprężeniami powoduje osłabienie wytrzymałości materiału, w tym jego ciągliwości i odporności na pęknięcia. W miejscach o wyższej koncentracji wodoru może wystąpić opóźnione pęknięcie indukowane przez wodór, które jest poważnym zagrożeniem w przypadku wysokociśnieniowych zbiorników przechowujących wodór.

W celu rozwiązania tego problemu, przeprowadzane są różnorodne testy embrittlementu wodoru, które dzielą się na dwie główne kategorie: wstępne testy do oceny materiałów oraz testy in-situ, które pozwalają na ocenę właściwości mechanicznych materiału pod wpływem wodoru. Testy takie jak próby rozciągania przy powolnym tempie naprężenia, testy wzrostu pęknięć zmęczeniowych czy próby zmęczenia na żywotność pozwalają uzyskać szczegółowe dane na temat wytrzymałości materiałów narażonych na wodór.

W przypadku stacjonarnych zbiorników wodoru, które są narażone na liczne fluktuacje ciśnienia – sięgające nawet 10^3–10^5 cykli – istotnym aspektem jest uwzględnienie zmęczenia materiału przy niskich cyklach. Chociaż normy w Chinach (TSG 21–2016, GB/T 34542) szczegółowo określają wymagania dotyczące konstrukcji takich zbiorników, odpowiednie projektowanie materiałów, ich obróbka oraz kontrola naprężeń procesowych mają kluczowe znaczenie w celu uniknięcia uszkodzeń spowodowanych zarówno embrittlementem, jak i zmęczeniem materiału.

Rurociągi wodoru w Europie są już rozwinięte, a historia ich budowy sięga końca lat 30. XX wieku, kiedy to Niemcy zbudowały rurociąg o długości 208 km, służący do transportu wodoru pod ciśnieniem 2 MPa. Dzisiaj rurociągi wodoru w Europie obejmują około 1598 km, z ciśnieniem transportu w zakresie 2–10 MPa. W Stanach Zjednoczonych z kolei, najwięcej rurociągów wodoru znajduje się w Teksasie, Luizjanie oraz Kalifornii. Systemy te są w głównej mierze podziemne, o ciśnieniu wynoszącym około 6,9 MPa, a materiałami rurociągów są stal pipeline, takie jak X52 i X80, z przewidywaną trwałością do 30 lat.

Również w Chinach, choć budowa długodystansowych rurociągów wodoru jest w początkowej fazie, zrealizowano już rurociąg o długości 25 km, który jest jednym z najdłuższych w kraju. Ten rurociąg o średnicy 508 mm i ciśnieniu roboczym 4 MPa umożliwia roczny transport 100 400 ton wodoru. Do 2030 roku planuje się rozbudowę infrastruktury rurociągów wodoru w Chinach do 3000 km.

Wszystkie te informacje wskazują na to, że kluczowym aspektem zarówno w przypadku stacji tankowania wodoru, jak i transportu wodoru przez rurociągi, jest nie tylko zapewnienie odpowiedniego ciśnienia, ale także minimalizacja ryzyka uszkodzenia materiałów w wyniku ich kontaktu z wodorem. Wydajność technologii przechowywania i transportu wodoru zależy od ciągłego doskonalenia materiałów, technik produkcji i norm, które pozwalają na bezpieczne i ekonomiczne wykorzystanie wodoru w różnych sektorach przemysłowych.

Jakie wyzwania stoją przed elektrochemiczną syntezą amoniaku i rozkładem amoniaku dla produkcji wodoru?

1. Brak efektywnych katalizatorów, które mogłyby skutecznie aktywować i rozrywać potrójne wiązanie N≡N;

2. Niska selektywność reakcji, prowadzącej do wydzielania wodoru (HER), co zmniejsza efektywność procesu.

Z perspektywy wykorzystania membran wymiany anionowej (AEM) w elektrochemicznej syntezie amoniaku, elektrolity alkaliczne wydają się bardziej odpowiednie do cykli wiązania i wykorzystania azotu, z uwagi na ich zdolność do tłumienia reakcji HER. W elektrolitach kwaśnych, mimo ich wysokiej selektywności do adsorpcji amoniaku, reakcja HER jest bardziej intensywna, co negatywnie wpływa na efektywność procesu. Elektrolity alkaliczne, używające wody jako źródła protonów i niecennych metalicznych anod do reakcji wydzielania tlenu (OER), mogą zatem lepiej wspierać reakcję redukcji azotu (NRR), eliminując problem, który wiąże się z produkcją, magazynowaniem i transportem wodoru.

Komercyjna produkcja amoniaku elektrochemicznego wymaga spełnienia określonych standardów, takich jak: wskaźnik produkcji amoniaku ≥ 10−6 mol/(cm²s), wydajność Faradaya ≥ 90% oraz efektywność wykorzystania energii ≥ 60%. Obecnie, niezależnie od rodzaju katalizatora elektrochemicznego używanego w procesie syntezy, wydajność Faradaya jest niższa niż 1%. Dlatego kluczowe dla przyszłości tej technologii jest opracowanie katalizatorów o wysokiej wydajności, które potrafią tłumić reakcję HER, a jednocześnie wspomagać reakcję redukcji azotu.

Amoniak ma również inne zastosowania, w tym jako nośnik wodoru. Zjawisko rozkładu amoniaku w celu uzyskania wodoru cieszy się coraz większym zainteresowaniem, zwłaszcza w kontekście produkcji, magazynowania i transportu wodoru. Proces ten jest endotermiczny i stanowi odwrotną reakcję syntezy amoniaku, z równowagą kontrolowaną termodynamicznie. Pomimo że reakcja rozkładu amoniaku przy 450°C może osiągnąć 99% konwersji, wysoka bariera energetyczna ogranicza szybkość produkcji wodoru. Jednakże rozkład amoniaku może być wykorzystywany w ogniwach paliwowych, co w połączeniu z jego właściwościami jako paliwa bezemisyjnego, może znacząco przyczynić się do zmniejszenia emisji CO2, a także unikać zjawiska zatrucia katalizatorów w ogniwach paliwowych.

W ostatnich latach Japonia oraz Korea Południowa poczyniły znaczne inwestycje w badania nad ogniwami paliwowymi i komercjalizację technologii rozkładu amoniaku. Japonia jako pierwszy kraj wprowadziła na rynek system mikro-CHP (Combined Heat and Power), bazujący na ogniwach paliwowych, które do 2020 roku sprzedały ponad 300 tysięcy jednostek w Japonii i 10 tysięcy w Europie. Podobne inwestycje zostały poczynione przez Australię, gdzie technologie rozkładu amoniaku dla produkcji wodoru zyskały na znaczeniu.

Membranowe reaktory do rozkładu amoniaku stanowią kolejny krok w kierunku poprawy efektywności tej technologii. Usuwanie wodoru w procesie rozkładu amoniaku umożliwia uzyskanie wyższej konwersji, zgodnie z zasadą Le Chatelier'a, i pozwala na eliminację konieczności stosowania drobnych systemów do oczyszczania gazu wodoru. Stąd rozwój wysokowydajnych katalizatorów, które wspomagają ten proces, ma kluczowe znaczenie dla dalszej komercjalizacji tej technologii.

Jakie są zalety i wady technologii przechowywania wodoru za pomocą związków organicznych (LOHC) i w jakim stopniu mogą one rozwiązać problemy związane z magazynowaniem wodoru?

Magazynowanie wodoru stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej energetyki. Jednym z rozważanych podejść jest stosowanie związków organicznych, zwanych Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC), które mogą efektywnie przechowywać wodór w postaci chemicznych nośników. W odróżnieniu od tradycyjnych metod przechowywania wodoru, takich jak sprężanie czy skraplanie, LOHC umożliwiają przechowywanie wodoru w cieczy, co jest mniej wymagające pod względem ciśnienia i temperatury.

Technologia ta opiera się na wykorzystaniu organicznych związków chemicznych, które w formie nośnika mogą wiązać wodór w sposób odwracalny. Proces polega na dehydrogenacji (usuwaniu wodoru) oraz hydrogenacji (dodawaniu wodoru) do i z nośnika organicznego, co pozwala na cykliczne magazynowanie i transport wodoru. Związki takie jak H0-BT są obiecującymi kandydatami w tej technologii, wykazującymi potencjał w zakresie gęstości magazynowania wodoru zarówno w odniesieniu do masy, jak i objętości. Gęstość masy wodoru w tych nośnikach może wynosić około 6% wagowo, co jest znaczącym osiągnięciem w porównaniu do innych technologii.

Jednakże, pomimo tych zalet, procesy związane z LOHC nie są wolne od trudności. Przede wszystkim, w procesie dehydrogenacji, wymagane są odpowiednie katalizatory, a reakcje muszą odbywać się w odpowiednich warunkach temperatury i ciśnienia, co zwiększa koszty i skomplikowanie technologii. Dodatkowo, chociaż cykliczne ładowanie i rozładowywanie wodoru z nośników jest możliwe, każda taka operacja wiąże się z pewnymi stratami efektywności.

W szczególności, zastosowanie technologii SPERA HYDROGEN, opracowanej przez Chiyoda Corporation, stanowi jeden z przykładów wdrożenia LOHC w praktyce. SPERA wykorzystuje związek organiczny, który jest dehydrogenowany w miejscu pozyskania wodoru i hydrogenowany na miejscu zużycia, co umożliwia bezpieczne i efektywne przechowywanie wodoru na dużą skalę. Zaletą tego podejścia jest możliwość transportu wodoru w postaci cieczy przy względnie niskich ciśnieniach, co znacząco upraszcza logistykę. Jednocześnie, istotną wadą tej technologii jest konieczność zastosowania drogich katalizatorów oraz kosztów związanych z całym procesem dehydrogenacji i hydrogenacji, które mogą znacząco podnieść koszt końcowy wodoru.

Z drugiej strony, metanol, również rozważany jako nośnik wodoru, posiada teoretyczną gęstość masy wodoru na poziomie 12,5%. Jednakże, przez reforming metanolu z wodą, możliwe jest uzyskanie dodatkowego wodoru, co pozwala zwiększyć tę gęstość do 18,75%. Wzrost efektywności metanolu w procesie dehydrogenacji oraz reakcji reformingowych stanowi obiecujący kierunek w rozwoju technologii magazynowania wodoru. Jednakże, tak jak w przypadku innych metod, także i tutaj pojawiają się wyzwania związane z katalizatorami oraz koniecznością precyzyjnego kontrolowania warunków reakcji, aby uniknąć utraty wydajności.

Podstawowe trudności związane z wykorzystaniem takich technologii to nie tylko kwestie techniczne, ale także ich opłacalność ekonomiczna. Wysokie koszty produkcji, transportu i magazynowania wodoru mogą stanowić istotną barierę w implementacji tych rozwiązań na szeroką skalę. Istnieje jednak nadzieja, że dalsze badania nad nowymi materiałami katalitycznymi oraz optymalizacją procesów dehydrogenacji i hydrogenacji pozwolą na znaczne obniżenie tych kosztów.

W kontekście praktycznego zastosowania LOHC w przyszłości, warto zauważyć, że technologie takie jak SPERA HYDROGEN mogą stać się kluczowym elementem w globalnym łańcuchu dostaw wodoru, zwłaszcza w scenariuszu, w którym wodór jest wykorzystywany jako czyste źródło energii w transporcie czy przemyśle. Mimo wyzwań technologicznych i ekonomicznych, LOHC pozostają jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań dla magazynowania wodoru na dużą skalę.