Jak wykorzystać istniejące rurociągi gazu ziemnego do transportu wodoru?

Ze względu na wysokie jednorazowe koszty budowy rurociągów do transportu wodoru na duże odległości, technologia wykorzystywania istniejących rurociągów gazu ziemnego do transportu gazu ziemnego wzbogaconego wodorem, lub ich przekształcanie w rurociągi wodoru, zyskała szerokie zainteresowanie. W porównaniu do rurociągów gazu ziemnego, obecny wolumen budowy rurociągów wodoru nadal jest stosunkowo mały, a średnice rur i projektowane ciśnienia są także mniejsze niż w przypadku rurociągów gazu ziemnego. Zatem jak wykorzystać istniejące rurociągi gazu ziemnego do transportu wodoru i dalej rozwijać je na rurociągi czystego wodoru, staje się jedną z głównych dróg szybkiego rozwoju infrastruktury rurociągów wodoru.

W porównaniu do gazu ziemnego, wodór ma niższą gęstość, ale wartość opałowa na jednostkę masy jest znacznie wyższa. Wodór łatwiej się zapala, a jego prędkość płomienia jest znacznie szybsza niż w przypadku gazu ziemnego. Dodatkowo, wodór może powodować pękanie stali (tzw. kruchość wodoru), co stanowi problem, którego nie ma w przypadku gazu ziemnego. W związku z tym, rurociągi do transportu wodoru nie mogą być projektowane i budowane zgodnie ze standardami długodystansowych rurociągów gazu ziemnego.

Aktualnie brak jest odpowiednich norm dotyczących rurociągów do transportu wodoru na dużą odległość, zarówno w Chinach, jak i w innych krajach. Normy międzynarodowe, takie jak ASME B31.12: 2019 „Hydrogen piping and pipelines” oraz CGA G-5.6: 2005 „Hydrogen pipeline systems”, odnoszą się głównie do projektowania rurociągów długodystansowych oraz rozdzielczych rurociągów wodoru. W Chinach opracowywana jest norma GB/T 34542.5 „Systemy przechowywania i transportu wodoru - Część 5: Wymagania techniczne dla systemów transportu wodoru”, która szczególną uwagę przykłada do problemu kruchości wodoru i zmieniających się właściwości materiałów rurociągów.

Rurociągi są jednym z kluczowych elementów technologii transportu wodoru. Formuła projektowa dla rurociągów wodoru różni się od tej dla rurociągów gazu ziemnego. Zawiera tzw. współczynnik wydajności materiału, który uwzględnia niekorzystny wpływ wodoru na właściwości mechaniczne metalowych rurociągów. Po uwzględnieniu współczynnika wydajności materiału, obliczona grubość ścianek rury będzie relatywnie większa, a ciśnienie projektowe mniejsze, co korzystnie wpływa na bezpieczeństwo długodystansowych rurociągów wodoru.

Różne materiały stosowane do budowy rurociągów wodoru mają różne współczynniki wydajności materiału. Na przykład rury o wyższej wytrzymałości na rozciąganie (X70, X80) mają mniejszą dopuszczalną wartość ciśnienia, co należy uwzględnić przy projektowaniu.

Rozwój technologii związanych z transportem wodoru i przekształcaniem istniejącej infrastruktury gazu ziemnego w infrastrukturę wodoru staje się kluczowy w kontekście dążenia do redukcji emisji CO2. Z racji ciągłego wzrostu znaczenia odnawialnych źródeł energii oraz rosnącego zapotrzebowania na czystą energię, wykorzystanie istniejącej sieci rurociągów gazowych do transportu wodoru stanowi rozwiązanie pośrednie, które może przyspieszyć rozwój tej technologii, zmniejszając koszty inwestycji.

Jakie są wyzwania i możliwości technologii przechowywania i transportu wodoru w postaci ciekłej?

Technologia przechowywania i transportu wodoru w postaci ciekłej wiąże się z licznymi wyzwaniami, ale także oferuje duży potencjał w zakresie efektywności energetycznej, zwłaszcza w kontekście zastosowań przemysłowych i transportowych. Proces polega na schładzaniu gazowego wodoru do temperatury poniżej jego temperatury skraplania, co pozwala na jego przechowywanie i transport w formie ciekłej. Główne zalety tej technologii to wysoka gęstość magazynowania na jednostkę masy. Jednak nie brakuje także trudności, które należy rozwiązać, by zwiększyć jej efektywność.

Jednym z najważniejszych wyzwań jest wysokie zużycie energii potrzebne do skroplenia wodoru. Proces skraplania wymaga ogromnych ilości energii, które mogą sięgać ponad 20 kWh na kilogram wodoru. Co więcej, wodór w stanie ciekłym ma tendencję do łatwego parowania, zatem codzienna strata w postaci pary wynosi od 0,3 do 2% jego objętości. Kolejnym problemem są wymagania dotyczące pojemników do przechowywania, które muszą być niezwykle odporne na niskie temperatury oraz odpowiednio izolowane, aby zminimalizować straty energii.

Pomimo tych wyzwań, transport wodoru w postaci ciekłej pozostaje atrakcyjną opcją w kontekście długodystansowego przewozu. Metoda ta charakteryzuje się wysoką gęstością energetyczną, co umożliwia transportowanie dużych ilości wodoru na dużą odległość w stosunkowo krótkim czasie. Dziś technologia ta znajduje zastosowanie przede wszystkim w przemyśle kosmicznym, gdzie wykorzystywana jest do napędu rakiet i innych urządzeń wymagających wysokiej koncentracji energii w wodoru.

W kwestii infrastruktury, transport wodoru ciekłego odbywa się głównie za pomocą specjalistycznych pojazdów, takich jak ciężarówki, pociągi czy statki, które wyposażone są w odpowiednie zbiorniki do przewozu wodoru w niskich temperaturach. Co ciekawe, niektóre z tych transportów odbywają się z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, co pozwala na zminimalizowanie wpływu transportu wodoru na środowisko. W krajach takich jak Chiny, gdzie rozwijane są nowoczesne systemy skraplania wodoru, podejmowane są także próby budowy fabryk skraplania wodoru w rejonach, gdzie dostęp do taniej energii elektrycznej z odnawialnych źródeł jest łatwiejszy, na przykład w pobliżu farm wiatrowych czy słonecznych.

Kolejną istotną kwestią jest rozwój technologii przechowywania wodoru w pojazdach. Istnieją systemy przechowywania, które umożliwiają efektywne wykorzystanie wodoru w różnych zastosowaniach przemysłowych. Przykładem może być rozwój tzw. systemów przechowywania wodoru w formie ciekłej na pokładach pojazdów, co może zrewolucjonizować przemysł motoryzacyjny, umożliwiając rozwój pojazdów napędzanych wodorem.

Pomimo znacznych postępów, które zostały poczynione w tej dziedzinie, wciąż istnieje szereg wyzwań, które trzeba pokonać. Duże zużycie energii w procesie skraplania wodoru, konieczność przechowywania wodoru w niezwykle niskich temperaturach oraz problemy związane z parowaniem wodoru pozostają kluczowymi aspektami, które muszą zostać rozwiązane, aby technologia przechowywania wodoru w postaci ciekłej stała się bardziej opłacalna i szeroko dostępna.

Inżynieria materiałowa także odgrywa istotną rolę w poprawie wydajności technologii wodoru. Stosowanie materiałów o lepszej izolacji termicznej, bardziej efektywnych adsorbentów do przechowywania wodoru czy nowych stopów przeznaczonych do budowy zbiorników może przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa oraz obniżenia kosztów produkcji. Technologie takie jak aktywowane węgiel czy molekularne sitka, które mogą być wykorzystywane do magazynowania wodoru, stanowią istotny element w dalszym rozwoju tej branży.

Jakie właściwości mają stopy metali do magazynowania wodoru i jak je optymalizować?

Magnesium-based hydrides have long been regarded as one of the most promising candidates for hydrogen storage due to their high hydrogen content and low cost. One of the most efficient methods for synthesizing magnesium hydrides is a one-step hydriding combustion process. This method fully exploits the heat generated during the reaction between magnesium (Mg), transition metals like nickel (Ni), and hydrogen (H2), which promotes the completion of the reaction. The products synthesized by this technique, such as Mg2NiH4, Mg2FeH6, and Mg2CoH5, are noted for their high purity, high cycle stability, and excellent reaction activity. The advantages of this synthesis method are evident, as the resulting products do not require any additional activation treatment.

LaNi5 alloys offer several benefits: they have mild absorption and desorption conditions, fast kinetics, easy activation, and are relatively insensitive to impurities. However, they also have significant drawbacks, including a 24% volume expansion during hydrogen absorption, which leads to pulverization of the material, thereby diminishing the alloy's cycle performance. Additionally, the high cost of rare earth elements such as lanthanum limits the widespread application of these alloys.

Efforts to improve the hydrogen storage performance of AB5-type alloys generally focus on the optimization of alloy composition and structural control. By substituting elements such as cerium (Ce), praseodymium (Pr), or neodymium (Nd) for lanthanum (La), alloys can be made more resistant to pulverization. Cerium, in particular, improves the toughness of the alloy, but excessive Ce content can result in lattice distortion and instability. Similarly, the replacement of nickel (Ni) with other metals like cobalt (Co), copper (Cu), or aluminum (Al) can help reduce volume expansion during hydrogen absorption, further enhancing the alloy’s cycle life and overall performance.

Cobalt, specifically, is recognized for its ability to mitigate volume expansion, reduce microhardness, and increase flexibility. Additionally, cobalt forms a protective layer on the surface of the alloy, reducing corrosion and further improving the cycle life. Manganese (Mn) can also be used to reduce the equilibrium hydrogen pressure and minimize the hysteresis of hydrogen absorption and desorption, but excessive Mn may compromise the cycle life of the alloy.

The optimization of the microstructure of AB5-type alloys also plays a crucial role in enhancing their hydrogen storage capacity. These alloys often experience high lattice stress, leading to defects and segregation. To mitigate this, rapid quenching and annealing processes are employed to refine the structure, reducing stress and homogenizing the alloy. Such structural improvements can lead to nanoscale or amorphous phases, which are more efficient at hydrogen storage due to their enhanced surface and size effects.

Another significant area of research is the use of non-stoichiometric ratios in the synthesis of hydrogen storage alloys. Non-stoichiometric alloys, where the A/B ratio deviates from the ideal stoichiometric values, can exhibit improved hydrogen storage performance. For instance, alloys formed by slightly deviating from the ideal LaNi5 ratio show better cycle life and reduced pulverization. The presence of secondary phases, when well-dispersed throughout the primary alloy phase, can further enhance stability and performance during hydrogen absorption and desorption cycles.

Magnesium-based alloys are also of particular interest due to their potential for high hydrogen storage capacity, with MgH2 having a gravimetric hydrogen density of approximately 7.6 wt%. However, magnesium hydrides face challenges such as high reaction temperature and poor kinetics. Nevertheless, their abundant availability and relatively low cost make them attractive for hydrogen storage applications. The typical reaction for hydrogen absorption and release in magnesium-based systems involves the formation of MgH2 from magnesium metal (Mg) and hydrogen gas (H2), following a series of chemical reactions.

Endtext