Скачать статью

Главная экологическая проблема современности — большое количество парниковых газов, выделяемых в атмосферу вследствие использования углеводородов, таких как нефть и природный газ. Для сокращения выбросов необходима замена используемых источников энергии на альтернативные, более экологичные. Одной из перспективных областей развития энергетики является транспортирование и хранение водорода.

Водород — самый распространеённый элемент во Вселенной, образование протонов, ядер водорода, произошло в первую секунду после Большого взрыва. Появление нейтральных атомов водорода во Вселенной произошло примерно 370 000 лет спустя, в эпоху рекомбинации, когда плазма остыла настолько, что электроны уже не теряли связь с протонами. В космосе на его долю приходятся около 88,6% всех атомов. Таким образом, водород — основная составная часть звеёзд и межзвеёздного газа.

В условиях звеёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~6000 °C) водород существует в виде плазмы, а в межзвеёздном пространстве — в виде отдельных атомов, ионов и молекул, которые могут образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Роль водорода на Земле определяется не столько его массой, сколько количеством атомов данного элемента. Так, в земной коре массовая доля водорода составляет всего ~1%, а атомная доля ~17%, и по доле атомов он занимает третье место после кислорода (~52%) и кремния (~29-29,5%).

В отличие от кислорода, который существует как в связанном, так и в свободном состоянии, водород находится, главным образом, в связанном состоянии, в виде неорганических соединений, углеводородов и воды. Массовая доля водорода в воде составляет 11,19%, а атомная доля ~67%. Водород присутствует в структуре практически всех органических веществ и, следовательно, в клетках всех живых организмов, где по числу атомов на водород приходятся почти 63%.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что значение водорода для химических процессов, протекающих на Земле, почти так же велико, как значение кислорода.

Лишь в очень незначительном количестве (0,00005% по объеёму для сухого воздуха) водород в виде простого вещества содержится в атмосфере.

Водород сегодня применяется во многих областях. Структура мирового потребления водорода представлена в таблице 1. Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

Таблица 1. Структура мирового потребления водорода

К основным способам относятся:
• паровая конверсия метана (природного газа);
• газификация угля;
• электролиз воды;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии.

Помимо основных способов, существуют технологии получения водорода из мусора, этанола, металлургического шлака, биомассы, выделение водорода в результате реакции алюминия и щелочного раствора, а также другие технологии.

На настоящий момент наиболее экономически выгодным считается производство водорода из ископаемого сырья, а наиболее доступным и дешёевым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться на начальной стадии перехода к водородной экономике, чтобы упростить решение проблемы торможения спроса на водородные автомобили из-за неразвитости инфраструктуры и медленного развития инфраструктуры из-за отсутствия водородных автомобилей. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижение выбросов парниковых газов. Такими источниками могут быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды. Снизить уровень выбросов углерода в производственных отраслях можно за счет водорода, полученного с использованием низкоуглеродных технологий. Для этого можно применять технологии улавливания и хранения углекислого газа, а также электролиза воды, в первую очередь, с помощью энергии объектов атомной, ветряной, солнечной и гидроэнергетики.

Рис. 1. Газовая инфраструктура России

Рис. 2. Цветовая градация водорода

В классификации водорода по цвету главным критерием является экологичность процесса его получения. Цветовая градация водорода зависит от способа его выработки и углеродного следа, то есть количества вредных выбросов. Кроме этих пяти существуют также и другие «цвета» водорода, но они менее распространены. Для сравнения альтернативных процессов получения водорода необходимо рассмотреть экономические затраты на производство, которые представлены в таблице 2.

Независимо от области применения водорода и способа его получения происходит рост потребления, и одними из основных задач являются хранение и транспортировка. Транспортировка водорода может осуществляться по трубопроводам, в баллонах и моноблоках, а также в криогенных цистернах или с помощью носителей, таких как аммиак или гидриды металлов.

Таблица 2. Экономические затраты на производство водорода

Основным способом транспортировки водорода остаются трубопроводы. Большинство этих трубопроводов расположены на территориях предприятий, где водород транспортируют от места производства до потребителя, и такие трубопроводы имеют малую протяженность. На сегодняшний день самый протяженный трубопровод связывает Германию и Бельгию и составляет порядка 400 км. Следует отметить, что использование трубопроводов природного газа для транспортировки водорода возможно с большими ограничениями, так как водород более пожаро- и взрывоопасен, чем природный газ, а также вызывает водородную коррозию высокоуглеродистой стали. Водородная коррозия стали — это химическое взаимодействие растворенного водорода с карбидной составляющей стали, приводящее к образованию метана. Метан не растворяется в стали и поэтому вызывает микротрещины. Особенно опасно то, что водородную коррозию нельзя выявить обычным визуальным осмотром. Она может быть определена только при исследовании микроструктуры металла. Экспериментальные исследования возможности транспортировки водорода с использованием стальных трубопроводов для природного газа показали, что потери водорода из системы по объему в 3-3,5 раза больше потерь природного газа. Это снижает КПД использования водорода, а также может привести к повышению объема диссипации водорода из верхних слоев земной атмосферы в космическое пространство из- за его повышенной летучести и, как следствие, к риску безвозвратного сокращения гидросферы планеты.

Таблица 3.Сравнительная таблица длин трубопроводов для водорода по странам

Одним из наиболее распространенных, надежных и востребованных массовых методов транспортировки водорода является перевозка в баллонах. Безопасность при транспортировке и применении водорода всегда должна быть на первом месте. Поэтому выбор конструкционных материалов критически важен. Компания Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) специализируется на изготовлении оборудования для хранения и транспортировки водорода под давлением 200 и 300 бар.

Рис 3.Водородные моноблоки МВиФ

При выборе баллона необходимо учитывать требования ISO 11114-1, а именно предел прочности стали, который не должен превышать 950 МПа, так как при большей прочности появляется риск водородного охрупчивания, если давление хранения выше 50 бар. Именно это требование заставляет изготавливать баллоны в соответствии с ISO 9809-1 и выполнять особые требования по обеспечению показателей прочности используемого материала. К сожалению, из- за этого баллоны для водорода имеют большую толщину стенки и, соответственно, массу, что на 30% увеличивает их вес в сравнении с баллонами для продуктов разделения воздуха. С не меньшим вниманием надо относиться к подбору материалов для водородных трубопроводов. При применении трубопроводов из аустенитных сталей рекомендуем отдавать предпочтение маркам сталей типа 316L с пониженным содержанием углерода.

Рис 4.Азотные (слева) и кислородные моноблоки (справа) производства МВиФ

Для подключения моноблока должно использоваться специальное подсоединение, например №1 по DIN 477 (W21.8х1/14LH), CGA350 или W30x2LH по ISO 5145. Выбор правильного подсоединения обеспечит удобство и безопасность эксплуатации оборудования.

В компании Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) накоплен большой опыт изготовления моноблоков для водорода. При изготовлении и разработке учитываются все факторы, влияющие на надежность, удобство транспортировки и эксплуатации. Прочная стальная рама, безупречные сварные швы и эргономичность — это лишь некоторые преимущества наших моноблоков.

Рама моноблока выполнена в форм-факторе пространственного каркаса, защищающего баллоны, коллектор и арматуру. Для долговечной защиты от коррозии использовано горячее цинкование. Защитный слой полностью покрывает стальную поверхность и предохраняет сталь от коррозионного воздействия окружающей среды.

Кроме того, жертвенное поведение цинка защищает сталь даже в случае повреждения или незначительного нарушения целостности покрытия. Наконец, естественное старение покрытия приводит к появлению на поверхности дополнительного слоя защиты. Таким образом, потребителю не приходится заботиться о необходимости постоянного ремонта защитного покрытия, как это происходит с краской, а изделие сохраняет привлекательный внешний вид.

Для удобства выполнения погрузочных и разгрузочных работ предусмотрены проушины в верхней части рамы, а также основание с проемами под вилы погрузчика или ручные гидравлические тележки.

Съемные перемычки на одной из сторон моноблока позволяют удобно демонтировать и монтировать баллоны при освидетельствовании. Срок освидетельствования баллонов, входящих в состав моноблока, — 10 лет.

Габариты моноблока позволяют оптимально использовать пространство благодаря компактным размерам: 990х990 мм для моноблока на 16 баллонов и 990х760 мм на 12 баллонов. В процессе хранения допускается штабелирование моноблоков в 2 яруса

Коллектор после изготовления проходит гидравлические испытания на прочность при давлении в 2 раза выше рабочего. После установки коллектора на моноблок и по окончании сборки каждый моноблок проверяется на герметичность под рабочим давлением. Все сварные швы и разъемные соединения проверяются масс- спектрометрическим методом щупа с применением азотно-гелиевой смеси, содержащей не менее 4% гелия. Чувствительность данного метода составляет 1∙10^-8 м³∙Па/с (1∙ 10^-7 л∙мбар/с), что обеспечивает надежное хранение.

Для удобства контроля давления водорода моноблок по желанию заказчика может быть оборудован манометром.

Для защиты баллонов от осадков и солнечных лучей, а также от случайного повреждения коллектора предусмотрена защитная крыша.

При этом для вентиляции, и исключения накопления атмосферных осадков в крыше сделана перфорация.

Моноблоки, производимые компанией Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F), успешно эксплуатируются в климате нашей страны, так как баллоны и рама рассчитаны на суровые зимы с температурой окружающей среды до -50 °C.

С разработкой каждой новой версии серийной продукции возникает вопрос: что мы можем улучшить? Именно поиск ответа на этот вопрос и движет нами в процессе проектирования и изготовления всех наших изделий.

АВТОР СТАТЬИ
Анатолий Сафаров,
начальник проектно-конструкторского отдела
криогенного оборудования
ООО «МВиФ»