Technologia magazynowania i transportu wodoru w postaci stałej polega na przechowywaniu i transportowaniu gazowego wodoru za pomocą adsorpcji fizycznej/chemicznej lub tworzenia hydrydy, przy użyciu stałych materiałów magazynujących wodór, takich jak stopy wodoru, złożone hydrydy czy materiały MOF. Współczesne badania nad magazynowaniem wodoru koncentrują się głównie na materiałach stałych, ponieważ oferują one szereg korzyści, które są trudne do osiągnięcia za pomocą tradycyjnych systemów magazynowania wodoru w stanie gazowym.

Obecnie najpraktyczniejszym rozwiązaniem w tej dziedzinie są stopy wodoru, które umieszczane są w specjalnych zbiornikach do magazynowania wodoru, umożliwiając procesy ładowania i rozładowania wodoru. Technologie te cechują się wysoką gęstością magazynowania wodoru, przy objętościowej gęstości wynoszącej co najmniej 100 g/L, co pozwala na efektywne przechowywanie większych ilości wodoru w kompaktowej formie. Dodatkowo, wymagają one niższego ciśnienia roboczego, co oznacza, że mogą być bezpośrednio dopasowane do ciśnienia wyjściowego elektrolizerów wykorzystywanych w procesie produkcji wodoru. W ten sposób eliminowana jest potrzeba stosowania urządzeń do sprężania, a tym samym całkowicie zmniejsza się ryzyko związane z wybuchami i innymi zagrożeniami.

Dodatkową zaletą jest bardzo długi cykl ładowania i rozładowania wodoru – ponad 1000 cykli, co sprawia, że systemy te mogą być wielokrotnie używane. Reakcje magazynowania wodoru są proste, a uzyskany wodór charakteryzuje się wysoką czystością. W zależności od zastosowania, dobór odpowiednich stopów wodoru może różnić się w zależności od temperatury, w jakiej mają one działać. Istnieje kilka typów stopów wodoru, które różnią się właściwościami, co pozwala na dostosowanie technologii do różnych warunków użytkowania.

Pierwszym typem są stopy wodoru niskotemperaturowego, które działają w temperaturach zbliżonych do temperatury pokojowej. Należą do nich serie LaNi5, TiFe, TiMn2 oraz stopy oparte na wanadzie. Gęstość magazynowania wodoru w tych stopach wynosi od 1 do 3,7 wt%. Te materiały są szczególnie odpowiednie do zastosowań w stałych scenariuszach, takich jak stacje paliw wodorowych, stałe magazynowanie energii czy specjalistyczne zastosowania w pojazdach, takie jak wózki widłowe.

Z kolei stopy wodoru wysokotemperaturowego, takie jak stopy magnezowe (Mg), działają w temperaturach powyżej 150°C i charakteryzują się wyższą gęstością magazynowania wodoru, wynoszącą od 4 do 7,6 wt%. Stopy te są idealne do zastosowań związanych z dużymi projektami, w tym magazynowaniem wodoru na dużą skalę, w energetyce, w stacjach paliw wodorowych i innych aplikacjach wymagających masowego przechowywania wodoru. Magnez jest surowcem o dużych zasobach na świecie, co czyni magnezowe stopy wodoru stosunkowo tanimi w produkcji.

Również Japonia była pionierem w rozwoju technologii magazynowania wodoru. Już w latach 80. XX wieku, Kawasaki Heavy Industries wykorzystała stop rzadkich ziemi, niklu i aluminium, by stworzyć największy na świecie zbiornik magazynowania wodoru o pojemności 175 m³. W latach kolejnych Japonia rozwijała systemy do magazynowania wodoru w pojazdach, takich jak stosowanie stopów na bazie magnezu w systemach przechowywania wodoru. Francja i Chiny także rozwijały systemy, które po dziś dzień są wykorzystywane w różnych projektach pilotażowych, takich jak systemy magazynowania wodorowego w bazach komunikacyjnych czy projektach związanych z wytwarzaniem energii z odnawialnych źródeł.

W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił ogromny rozwój technologii magazynowania wodoru w postaci stałej. Na przykład w 2020 roku Unia Europejska uruchomiła projekt HyCARE, w którym używano stopu TiFe. Projekt ten obejmował magazynowanie wodoru i produkcję energii, z zastosowaniem 20 kW elektrolizera i ogniwa paliwowego 10 kW, by poprawić efektywność wykorzystania energii. Z kolei w Australii powstał system z ogniwem paliwowym zasilanym wodorem, który został włączony w system zasilania awaryjnego bazujący na technologii wodoru w postaci stałej.

Stopy wodoru niskotemperaturowego i wysokotemperaturowego znalazły zastosowanie również w pojazdach elektrycznych z ogniwami paliwowymi. Na przykład w Chinach, firma Grinm Technology opracowała system magazynowania wodoru w pojazdach, który bazuje na stopach TiMn2, a jego pojemność wynosi 17 kg wodoru. Tego typu technologie zaczynają odgrywać ważną rolę w rozwoju transportu opartego na ogniwach paliwowych i wodorowych pojazdach publicznych, takich jak autobusy wodorowe.

Technologia magazynowania wodoru w postaci stałej jest więc niezwykle obiecującą dziedziną, która może zrewolucjonizować sposób przechowywania i transportowania wodoru w różnych gałęziach przemysłu, od energetyki po transport i przemysł wodorowy. W miarę jak zapotrzebowanie na wodór będzie rosło, rozwój technologii związanych z jego magazynowaniem i transportem stanie się kluczowy dla przyszłości energetycznej świata.

Jakie wyzwania stoją przed transportem wodoru wysokociśnieniowymi rurociągami?

Transport wodoru, zwłaszcza w formie gazu, wiąże się z wieloma wyzwaniami, które muszą być pokonane, aby zapewnić efektywność, bezpieczeństwo i ekonomiczność całego procesu. Woda, choć niewielka w ilości, ma ogromne znaczenie w kwestiach przechowywania i przesyłania gazu przez długie odległości. Straty ciśnienia w rurociągu występują przez opory tarcia samego gazu oraz tarcie w ścianach rurociągu. Z tego względu niezbędne jest ograniczenie minimalnego i maksymalnego ciśnienia wodoru transportowanego rurociągiem, aby zapewnić optymalne warunki. Do osiągnięcia efektywności transportu gazu na długie odległości, uwzględniając wytrzymałość rurociągu na ciśnienie, w regularnych odstępach co 80–100 km umieszczane są stacje kompresorowe. Ich rolą jest ponowne sprężanie wodoru, co zapewnia nieprzerwaną i efektywną jego transportację. Gdy konieczne jest połączenie rurociągów o różnych ciśnieniach roboczych, montuje się stację redukcji ciśnienia, gdzie gaz przechodzi przez zawór zwężający, umożliwiając płynne połączenie dwóch odcinków sieci.

W kontekście transportu wodoru kluczowym elementem jest także infrastruktura samej sieci transportowej. W przypadku centralnie produkowanego wodoru, gaz jest sprężany i przesyłany do stacji rozdzielczych za pomocą długodystansowych rurociągów. Z kolei sieci rozdzielcze dostarczają wodór do stacji tankowania oraz końcowych odbiorców. Różnice między tymi dwoma rodzajami rurociągów są znaczące: rurociągi długodystansowe charakteryzują się dużymi średnicami, wysokim ciśnieniem wodoru i dużymi odległościami, natomiast sieci rozdzielcze to instalacje o małych średnicach i niższym ciśnieniu, zwykle o krótszym zasięgu. Nadwyżki wodoru, które powstają w wyniku centralnej produkcji, mogą być składowane w warstwach solnych, zbiornikach wodonośnych, złożach ropy naftowej i gazu oraz innych strukturach geologicznych, co pozwala na elastyczność w dostosowywaniu podaży do zmieniającego się zapotrzebowania sezonowego.

Obecny stan rozwoju infrastruktury rurociągów wodoru na świecie świadczy o rosnącym znaczeniu tego sektora. Na przykład, do grudnia 2020 roku długość rurociągów wodoru w Stanach Zjednoczonych wynosiła około 2500 km, z czego 90% znajduje się wzdłuż Zatoki Meksykańskiej, obsługując głównie rafinerie oraz zakłady przemysłu chemicznego. W Europie, długość rurociągów wodoru wynosiła około 1600 km, z najdłuższym rurociągiem przebiegającym przez Francję, Belgię i Holandię. Na lata 2020–2040 Unia Europejska planuje budowę sieci wodoru o długości 23 000 km, z czego 75% będzie pochodzić z przekształcenia istniejącej sieci gazu ziemnego. W Niemczech natomiast do 2022 roku miała powstać 130-kilometrowa sieć rurociągów wodoru, której całkowita produkcja będzie pochodzić z odnawialnych źródeł energii.

Również Chiny rozwijają swoje sieci transportu wodoru, chociaż ich długość wciąż pozostaje niewielka w porównaniu do innych krajów – wynosi około 100 km. Przykładem jest planowana budowa rurociągu wodoru o długości 145 km pomiędzy Hebei Dingzhou a Gaobeidian. Chociaż Chiny dysponują ogromnym doświadczeniem w budowie sieci gazu ziemnego, wciąż trwają prace nad dostosowaniem istniejącej infrastruktury gazowej do transportu wodoru. Zastosowanie tego rozwiązania, polegającego na mieszaniu wodoru z gazem ziemnym w rurociągach, pozwala na stopniowe wprowadzenie wodoru do sieci gazowej bez konieczności budowania nowej infrastruktury.

Podstawowym wyzwaniem, które staje przed projektantami i operatorami takich systemów, jest problem związany z wysokim ciśnieniem i cyklicznymi zmianami ciśnienia w rurociągach, a także zjawiskiem embrittlementu wodoru. Może ono prowadzić do pogorszenia trwałości stalowych rurociągów, co wpływa na ich wytrzymałość i bezpieczeństwo. Wymaga to dalszych badań nad mechanizmem przenikania wodoru w materiałach konstrukcyjnych, odpowiednich materiałów, jak i procesów formowania i obróbki cieplnej, które pozwolą na wydłużenie żywotności rurociągów i zmniejszenie kosztów utrzymania.

Kolejnym istotnym problemem jest możliwość wycieków na różnych odcinkach sieci. Wyciek wodoru, który jest łatwopalny, stwarza ryzyko wybuchu i pożaru, a tym samym zagrożenie dla bezpieczeństwa całej sieci. Stąd konieczność zastosowania nowoczesnych technologii detekcji wycieków, które muszą być zarówno precyzyjne, jak i efektywne kosztowo. Obecnie technologie te, choć skutecznie stosowane w przypadku gazu ziemnego, nadal wymagają dostosowania do specyfiki wodoru.

Problemy związane z kompresorami wodoru stanowią kolejny aspekt wyzwań. Wymagają one wysokiej niezawodności, a ich kosztowna konstrukcja często wiąże się z ryzykiem zanieczyszczenia wodoru smarami. Rozwiązaniem może być opracowanie nowych technologii sprężania wodoru, które zminimalizują wykorzystanie smarów lub opracowanie nowych, tanich metod oczyszczania wodoru z zanieczyszczeń.

W kontekście przyszłości transportu wodoru warto również zwrócić uwagę na fakt, że transport wodoru gazowego wiąże się z dużymi wymaganiami technologicznymi oraz kosztami związanymi z utrzymaniem odpowiedniego ciśnienia i integralności całej sieci rurociągów. W związku z tym dąży się do znalezienia technologii umożliwiających transport wodoru w sposób bardziej efektywny i mniej kosztowny, zwłaszcza w długoterminowej perspektywie. W szczególności rozważane są możliwości związane z przekształceniem istniejących rurociągów gazowych w sieci wodoru, co pozwala na efektywne wykorzystanie dotychczasowej infrastruktury.

Jak Donald Trump wykorzystał władzę łaski prezydenckiej?
Jakie są wyzwania w leczeniu uveitis i sarkoidozy ocznej?
Jak działa Ethernet i dlaczego zrewolucjonizował komunikację oraz przemysł?