Как транспортируют водород по трубам
Хранение и транспортировка водорода: особенности технологии
Водород – это распространенный технический газ, который широко применяется в различных сферах промышленности и других направлениях человеческой жизни. При этом одной из самых сложных задач считается транспортировка и хранение водорода. Это связано с тем, что такой газ является наиболее легким в природе, а также обладает одной из самых низких температур кипения. Так, находясь в твердом состоянии, он намного легче обычной воды.
В связи с этим особое распространение в наши дни получила технология хранения этого газа в сжатом состоянии. Тем не менее такой метод далеко не всегда удовлетворяет требованиям в плане пожарной и взрывоопасной безопасности, как и не соответствует стандартам в плане своей массы и габаритов. Поэтому он практически не используется при перевозке газового продукта с использованием наземных видов транспорта, а также морского транспорта – в первую очередь подводных лодок и аппаратов для исследования морских глубин.
Еще один способ хранения водорода – в криогенном виде. Но он также имеет существенный недостаток, так как при его использовании все еще остается высокая опасность возникновения пожара или взрыва. Современные исследования указывают на то, что такой метод подходит только для очень непродолжительного применения (до нескольких суток, но не более того). При этом важно учитывать и те риски, которые могут возникнуть с учетом уровня взрывопожарной опасности такой технологии хранения.
Где применяется криогенный способ хранения водорода?
Сегодня наибольшее распространение такой метод транспортировки и хранения одного из самых распространенных в природе газов получил в области космонавтики. Ученым удалось выяснить, что уровень взрывопожарной опасности такого химического элемента зависит от его объемов. Таким образом, снижение объема хранимого водорода позволяет добиться приемлемого показателя взрывопожарной безопасности.
Благодаря этому технология криогенного хранения водорода применялась в нескольких космических операциях, в том числе и во время экспедиции космического корабля «Аполлон» на поверхность Луны. Но лишь в сфере космонавтики удается обеспечить небольшие объемы транспортируемого газа и его хранения на непродолжительное время. Ведь, к примеру, когда речь заходит о морском или подводном транспорте, то такой метод является вовсе неподходящим из-за высоких объемов и продолжительных сроков (до 10 суток и более) хранения и транспортировки газового продукта.
Какой метод хранения водорода считается наиболее безопасным?
Если речь заходит о транспортировке этого технического газа с применением различных транспортных средств, то наиболее предпочтительным будет способ хранения в химически связанном виде. Кроме того, удачным решением может стать и метод применения управляемой сорбции-десорбции водорода с использованием интерметаллических соединений. Например, в немецких подводных кораблях U-212 газ хранится в связанном виде с использованием гидридов интерметалллов.
Если говорить об основных преимуществах хранения водорода в химически связанном состоянии, то следует выделить следующие из них:
Что касается недостатков технологии хранения водорода в связанном состоянии, то к ним следует отнести и значительный вес предназначенной для этого системы, а также относительно высокую стоимость данного метода.
Эксперты оценили возможность поставлять водород через «Северный поток-2»
Опрошенные РБК эксперты оценили возможность использовать трубопровод «Северный поток-2» для транспортировки водорода. Ранее исполнительный директор Nord Stream 2 AG (оператор трубы) Маттиас Варниг сообщил, что компания изучает такую возможность.
«Исследования в этом направлении ведутся и в рамках научно-технической деятельности «Газпрома», и, судя по заявлению господина Варнига, на уровне компании-оператора. Условий для того, чтобы это внедрять прямо сейчас, нет — ни коммерческих, ни регуляторных. Технически тоже пока не все ясно, но техника тут как раз намного опережает коммерцию и правовую среду», — сообщил РБК заместитель главы Фонда национальной энергетической безопасности Алексей Гривач.
По словам замглавы фонда, в целом перспективы еще большего «озеленения» газа, поставляемого на рынок через новые магистрали из России в Европу, есть, но когда и как это будет происходить, сказать сложно. «На мой взгляд, природный газ, учитывая сегодняшний топливно-энергетический баланс Европы, — это само по себе наиболее экологичное из доступных и надежных решений и самое быстрое из всего спектра возможностей по сокращению вредных выбросов в атмосферу», — добавил он.
Аналитик, старший директор отдела корпораций рейтингового агентства Fitch Дмитрий Маринченко в беседе с РБК заявил, что поставлять чистый водород по текущей системе газопроводов технически проблематично, так как у него атомы небольшого размера и могут вызывать коррозию металла. «Речь идет о том, чтобы смешивать природный газ с водородом и поставлять эту смесь каким-то из текущих покупателей. Это позволило бы «Газпрому» усилить свой имидж как компании, ориентированной на «зеленую» энергетику и потенциально увеличить долю рынка, особенно если европейское законодательно будет давать преференции компаниям, поставляющим и покупающим водород или газоводородную смесь», — отметил он.
Маринченко подчеркнул, что пока механизм ценообразования и регулирования на рынке водорода не ясен, поэтому количественно оценить потенциальные выгоды «Газпрома» от этого проекта невозможно. «Тут скорее можно говорить об опции, а не о четком плане», — считает эксперт.
Декан факультета международного энергетического бизнеса РГУ нефти и газа им. Губкина Елена Телегина в разговоре с РБК заявила, что сейчас водородная энергетика в тренде. «Это сейчас самое модное направление развития. И в принципе, Россия может занять очень хорошую позицию на этом рынке, потому что инфраструктура транспортировки газа легко переделывается под транспортировку водорода. И сейчас уже «Газпром» начал работу в этом направлении. И да, действительно, «Северный поток-2», действующая система, которая есть, может быть достаточно легко трансформирована в транспорт водорода. Это новая стратегия, новый проект — они совместные, потому что это дорогая технология. Они вместе с европейскими компаниями на европейский рынок направлены, потому что водород в рамках низкоуглеродной энергетики — чистое топливо, которое будет очень востребовано на европейском рынке», — рассказала она.
По оценкам Телегиной, трансформировать систему для транспортировки не слишком сложно, самое сложное — разобраться с технологиями производства водорода. «Есть чистые, без выбросов вредных веществ, но это дорогие технологии. И есть более загрязняющие атмосферу. Тут вопрос еще, какие технологии производства водорода будут использоваться, главное — с точки зрения инвестиций. А сама транспортная инфраструктура легко может быть трансформирована технологически, потому что это тот же газ под давлением, который идет по трубопроводным системам. Это прежде всего, наверное, будет немецкий рынок, рынок крупных стран. Европейский рынок, в те страны, которые готовы к использованию водородных технологий», — пояснила она.
О том, что Nord Stream 2 изучает возможность использовать трубопровод для транспортировки водорода, Варниг заявил на прошлой неделе. «Вполне реально, что не позже чем через десять лет мы сможем добавлять водород в одну или обе нитки», — сказал он.
Транспортировка не только газа, но и водорода по «Северному потоку-2» возможна, поскольку при строительстве трубопровода были использованы специальные материалы, говорил глава Восточного комитета немецкой экономики Оливер Хермес. «Северный поток-2» в отличие от более старых газопроводов уже в ближайшие десятилетия может быть на 70% заполнен водородом», — заявил он (цитата по «Интерфаксу»).
Трубы, которых нет
Специальные трубы Mannesmann H2ready для транспортировки водорода
АШ-евских всезнаек вынужден разочаровать сразу же: проблемы использования водорода на западе известны даже лучше, чем всезнайки себе могут представить. Последнее десятилетие этой темой занимаются особенно плотно. Например, в таблице представлен список некоторых документов, имеющих непосредственное отношение к транспортировке водорода и которые также являются стандартами для развития водородной энергетики[3].
Основная критика транспортировки водорода по трубам сводится к следующим типичным утверждениям: «. Для начала найдите трубу, по которой можно перекачивать водород и компрессор, который способен это делать. « или: «. Стальные трубы принципиально не годятся для перекачки водорода, тем более под давлением. «. Особо продвинутые ссылаются при этом на водородное охрупчивание металлов и пр.
Как мне представляется, идея о невозможности транспортировки водорода по трубам, основывается на следующих положениях (упрощённо):
Вполне логичная позиция, полностью соответствующая углеводородному техноукладу.
Однако для Европы, отказывающейся от углеводородного уклада, вышеупомянутые положениях выглядят совсем иначе:
Эта позиция не менее логичнее первой, но соответствует уже, назовём, водородному укладу. Однако, если данную позицию оценивать с точки зрения иксперда углеводородного уклада, то она выглядит «тупой», правда, сам факт мерить лекалами одного уклада другой и выдавать результат таких измерений за ценное суждение, совсем не в пользу умственных способностей иксперда оценивающего.
Будущее, созданное компанией «Mannesmann H2ready» [1] (перевод)
В будущем водород будет играть важную роль в качестве энергоносителя. Для этого нужны не только резервуары, но и как распределительные, так и магистральные газопроводы. Однако материал для труб должен соответствовать высоким требованиям. Поскольку атомы водорода чрезвычайно малы, они могут проникать во многие материалы и даже металлы. Тем не менее, сталь является идеальным решением и технически и экономически явно превосходит другие материалы, такие, как пластиковые трубы. Кроме того, чтобы водород имел плотность энергии, сравнимую с плотностью природного газа того же объема, он должен транспортироваться по газопроводам под высоким давлением.
Чтобы повысить экономическую эффективность труб, Mannesmann Line Pipe также полагается на более высокую прочность материала, что позволяет получить более тонкую стенку трубы и, как следствие, более низкую стоимость материалов. Долгое время беспроблемными для водорода считались только магистральные трубы из низкопрочной стали до класса API 5L X52 (L360). При поддержке Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH Фирма Mannesmann Line Pipe теперь смогла доказать пригодность стальных труб, сваренных методом HFI, марок до класса X70 (L485): ни одно из исследований не выявило повышенного ухудшения прочности материала трубы или сварного шва HFI из-за воздействия сжатого водорода.
Или вся технология в двух словах: подверженность материалов коррозии, вызванной воздействием водорода, зависит не только от класса прочности и легирования. Структура материала, которая зависит от технологии производства, также имеет большое влияние на пригодность материала для транспортировки водорода.
Если взять два материала класса X52 (см. таблицу 1) : материал 1 (Werkstoff 1) и материал 2 (Werkstoffs 2).
Свойства материалов после прокатки даны в таблице, ниже[4].
Если теперь из материала 2 сварить трубу методом HFI, обеспечив при всём производстве достаточно гладкую поверхность, то получаются трубы, пригодные для транспортировки водорода: Mannesmann H2ready.
Испытание труб Mannesmann H2ready из более высокопрочного материала (Х70) также дают положительный результат: «Поведение высокопрочных материалов класса X70 (L485) было испытано под воздействием чистого, сжатого водорода и смесей водород / природный газ, в том числе испытаниями на растяжение, при низкой скорости деформации и при давлении 80 бар. Как основной материал, так и шов HFI или стандартный круглый шов не демонстрируют повышенной восприимчивости к водороду в структурно значимой области»[2].
Несмотря на «отсутствие» труб, арматуры, компрессоров, люди уже более 80 лет транспортируют водород по трубам под давлением, а с появлением специальных труб для водорода, которые являются примером, как технологии могут нивелировать «капризные» свойства водорода, появилась возможность для осуществления более серьёзных, инфраструктурных проектов.
Трубопроводная арматура для водорода
9 марта 2021 года на новостном портале Neftegaz.ru была опубликована статья, посвященная трубопроводной арматуре для водорода, где ключевым вопросом стала готовность российских производителей к эре водородной энергетике.
Примером того, насколько серьезно подходят к данному вопросу, может быть водородная стратегия Германии, опубликованная 10 июня 2020 года. Долгосрочная цель страны — нейтральная для климата экономика с сокращением выбросов СО2 на 95% от уровня 1990 года. И водороду в этом процессе отводится центральная роль: на него планируется перевести не только транспорт, но основные отрасли промышленности. В целом до 2023 года на развитие водородной энергетики Германия выделит более €10 млрд.
На азиатском рынке наиболее активно, внедряет водородные технологии Япония, где еще в 2014 году была принята дорожная карта по построению «общества, базирующегося на водороде». Уже сейчас в этой стране насчитывается около 2,5 тысячи автомобилей с водородным двигателем.
Россия также заявляет свои амбициозные планы на счет водорода. Согласно Энергетической стратегии страна должна войти в число мировых лидеров по его производству и экспорту. В октябре прошлого года Правительство РФ утвердило дорожную карту, в которой предусмотрена реализация ряда пилотных проектов: создание установок производства водорода без выбросов углекислого газа; разработка газовых турбин на метано-водородном топливе, создание опытного образца железнодорожного транспорта на водороде, открытие опытных полигонов низкоуглеродного производства водорода, производство водорода с использованием атомных электрических станций.
О своих намерениях принять участие в развитии водородной энергетики уже заявили «Газпром» и «Росатом».
По словам Дэрила Уилсона, исполнительного директора европейского Совета по водородным технологиям (Hydrogen Council), самым большим препятствием, удерживающим водород от прорыва в прошлом, была высокая стоимость его использования. Сегодня обстоятельства меняются и экономические условия представляются исключительно благоприятными для водорода. Последний отчет Совета показывает, что стоимость водородных решений резко упадет в течение следующего десятилетия – и это произойдет гораздо быстрее, чем ожидалось ранее. По мере расширения масштабов производства, к 2030 году стоимость водорода, по прогнозам, снизится до 50%, что сделает водород конкурентоспособным по сравнению с другими низкоуглеродистыми альтернативами.
Российские компании в настоящее время уже производят водород, но применяется он в основном для промышленности как химический реагент или как охлаждающий агент. Основные потребители водорода химическая и нефтехимическая промышленность. Так, на производство аммиака тратится 50%, на производство метанола – около 10%, а на нефтеперерабатывающих производствах (в процессах гидрокрекинга, гидроочистки и изомеризации) – до 25% водорода, добываемого промышленным методом.
Следует также понимать, что вклад водорода в углеродную нейтральность зависит от того, как он получен, и в настоящее время существует следующая условная классификация водорода в зависимости от способа его производства и выделяемого при этом углеродного следа:
На нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ) данная реакция реализуется в установке каталитического риформинга, а в случае его нехватки дополнительно строятся установки, предназначенные исключительно для этой цели. В качестве углеводородного сырья для производства водорода используют гидроочищенные газы и бензиновые фракции, но чаще всего применяется природный газ, практически полностью состоящий из метана. Процесс осуществляется при температуре до +530°C и давлении до 4,0 МПа с выделением углекислого газа CO2, который отделяют от водорода и собирают для дальнейшего использования.
Требования к оборудованию на водород
Оборудование, применяемое в технологических процессах производства водорода, должно не только соответствовать всем требованиям технического процесса (температура, давление), но и учитывать особые свойства рабочей среды.
1.Водород адсорбируется на металле:
он заполняет собой все имеющихся на поверхности поры и микротрещины и в силу своей химической активности образует гидриды, которые нарушают пластичность, приводя к хрупкому разрушению стали.
2.Молекулы водорода очень малы:
они обладает высокой проникающей способностью, поэтому все уплотнительные элементы и контактирующие детали должны максимально плотно прилегать друг к другу.
при смеси с воздухом он образует взрывоопасную смесь – «гремучий газ», а значит все оборудование должно обладать повышенным ресурсом надежности, не допуская ни малейшей утечки во внешнюю среду.
Арматура для водорода
Помимо требований к конструкции, для шаровых кранов ПТПА на водород заложены особые требования к технологии изготовления. Например, если используется сварка, то помимо надлежащего контроля качества сварных швов, особое внимание уделяется тому, чтобы в зону сварки не попала влага, в составе которой в металл проникает водород. Электроды должны храниться в подогреваемом контейнере, чтобы быть сухими, а охлаждение после термообработки должно быть медленным и плавным, чтобы не спровоцировать повреждение металла. Также изготовление деталей для обеспечения полной герметичности изделия должно осуществляться на высокоточном механообрабатывающем оборудовании, обеспечивающем установленные зазоры и минимальную шероховатость уплотнительных поверхностей.
По требованию заказчика стойкость материала деталей и сварных швов к водородному растрескиванию может быть подтверждена заключением специализированной аккредитованной испытательной лаборатории, оформленным по результатам проведенных испытаний в соответствии с требованиями, например, NACE TM 0284.
Таким образом выпуск арматуры для водорода требует особого внимания к конструкции изделий, подбору материалов, выполнению необходимого объема контроля, проведению испытаний готового продукта. Обеспечить высокое качество изготовления и гарантировать надежную работу изделия возможно только если эти работы выполняются на предприятии, которое имеет опыт выпуска высокотехнологичной арматуры для сложных условий работы и нестандартных рабочих сред.
ПТПА готово к эре водорода, а вы?
Среди отраслей, готовых к переходу на водород, основное внимание многие десятилетия привлекал автотранспорт. Осенью 2014 года на автосалоне в Лос-Анджелесе корпорация Toyota представила первую серийную легковую машину на водородных топливных элементах Toyota Mirai.
Перспективы и недостатки водородной энергетики
Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.
В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.
В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.
По этим способам его разделяют на цветовые градации.
Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.
Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.
Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.
Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.
Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.
Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.
Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм
Водородная энергетика
На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO2 каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.
В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.
Перспективы отрасли
Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.
В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.
Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.
В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:
В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.
Как сделать ремонт и не сойти с ума
Преимущества водородной энергетики
Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.
Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.
Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.
Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.
Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.
Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.
Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.
Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.
В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.
Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.
Недостатки водородной энергетики
Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.