Современная экологическая проблема – большое количество парниковых газов в атмосфере, выделяемых 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 является транспорт и хранение водорода.
Водород – это легкий газ, при сжигании которого выделяется тепло, в несколько раз превышающее тепло от сжигания природного газа.
Различные виды водорода могут использоваться в самых разных областях промышленности и жизни человека. Например, применение водорода распространено в нефтегазовой и химической промышленности, а также в топливной энергетике.
Мировое сообщество, включающее такие страны как Канада, США, Китай, ЕС, Японий, Корея, к 2050 году планируют полностью отказаться от использования угля, нефти и газа, и установить «нулевой выброс» в атмосферу углекислого газа, продолжая развитие «водородной долины».
На сегодняшний день ряд стран уже активно патентует и воплощает в жизнь новые технологии и оборудование, связанные с «зеленой» энергетикой. Например, ведется разработка карьерного самосвала, который полностью будет углеродно-нейтральным, открываются заводы на солнечной энергии по производству водорода, которые могут обеспечивать топливом сотни автомобилей в день. Автомобилей с водородными элементами насчитывается уже около 6000.
В России, согласно энергетической стратегии ЭС-2035, принятой правительством, транспортировка данного источника энергии на экспорт станет одним из приоритетных направлений. Основной задачей будет являться развитие производства и потребления водорода и закрепление России в составе мировых лидеров по экспорту водорода.
Также в скором времени будет запущен ж/д транспорт на Сахалине с применением водородных топливных элементов. Компании «Газпром» и «Росатом» станут первыми производителями водорода, завершив строительство пилотных водородных установок к 2024 году. Преимущественно они будут находиться на объектах добычи газа, предприятиях по переработке сырья и атомных электростанциях. В связи с этим нельзя сказать, что весь водород является экологичным видом топлива, все зависит от способа его получения.
Водород практически не встречается в природе в чистом виде, обычно его получают из химических соединений с помощью различных методов.
По способам получения водород разделяют на цветовые градации, которые представлены ниже [6].
Коричневый (бурый, высокоуглеродный) водород – в процессе производства данного метода выделяются парниковые газы.
Серый (высокоуглеродный) водород – при его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.
Голубой (среднеуглеродный) водород – с использованием CCS и технологии улавливания и захоронения углерода.
Бирюзовый (малоуглеродный) водород – выброс углерода впоследствии либо будет захоронен, либо использован в промышленности.
Желтый (оранжевый, безуглеродный) водород – выбросы СО2 отсутствуют, однако метод нельзя считать абсолютно экологически чистым.
Зеленый (безуглеродный) водород – в процессе производства выбросы СО2 в атмосферу отсутствуют.
Для сравнения альтернативных процессов по получению водорода необходимо рассмотреть экономические затраты на производство.
Можно увидеть, что паровая конверсия метана и газификация угля остаются наиболее дешевыми источниками производства водорода, а переход к электролизу или термохимическим циклам является достаточно длительным и дорогостоящим процессом [7].
По мере возрастания спроса на потребление водорода, увеличивается необходимость в развитии как транспорта от мест его производства до конечного потребителя, так и хранения.
Транспортировка водорода может осуществляться трубопроводным транспортом, с помощью контейнерных перевозок, а также в криогенных цистернах или в носителях, таких как аммиак или гидриды металлов.
Основным способом транспортировки водорода остаются трубопроводы. Водородные трубопроводы эксплуатируются под давлением 0,5–3 МПа и выше и имеют диаметр 250–300 мм. Существуют несколько вариантов трубопроводной транспортировки газообразного водорода:
- по специальным водородным трубопроводам;
- по существующим трубопроводам природного газа.
К 2040 году эксперты прогнозируют водородную сеть протяженностью 23 000 км, 75 % которой будут состоять из переоборудованных газопроводов.
На сегодняшний день самый протяженный трубопровод связывает Германию и Бельгию и составляет порядка 400 км.
Экспериментальные исследования возможности транспортировки водорода с использованием стальных трубопроводов для природного газа показали, что потери водорода из системы в 3–3,5 раза больше по объему потерь природного газа, но поскольку теплота сгорания водорода примерно в три раза больше, то энергетические потери примерно одинаковы.
Транспортировка газообразного водорода наземным транспортом обычно происходит с помощью стальных цилиндрических контейнеров с давлением от 3,5 до 35 МПа и температурой от −40 до +40 °С. Такие контейнеры могут вмещать от 100 до 700 кг. Их можно транспортировать при помощи автомобильного или железнодорожного транспорта.
Недостатком является высокая стоимость перевозки в виду низкой плотности водорода, из-за чего требуется большой объем контейнеров или цистерн для транспортировки, а это дополнительные расходы, в связи с тем, что за один цикл перевозится малый объем продукта.
Трейлеры для перевозки водорода под давлением эффективны для удовлетворения потребностей мелких потребителей, а высокая стоимость доставки может компенсироваться отсутствием потерь. В настоящее время это самый простой способ, особенно в тех районах, где нет трубопроводов.
Преимуществом автоперевозок является то, что автоцистерна может быть автономным хранилищем водорода на автозаправочных станциях и доставлять продукт до самых отдаленных точек потребления.
Транспортировка жидкого водорода осуществляется автомобильными цистернами вместимостью 25 и 45 м3. Сжижение водорода весьма энергоемкий процесс и, следовательно, дорогой, но транспортные расходы для жидкого водорода минимальны. Они примерно совпадают со стоимостью доставки трубопроводным транспортом.
Отличительной особенностью является то, что сжиженный водород получается при температуре −253 °С и для его хранения необходимы специальные криогенные цистерны, хранясь в которых, водород имел бы минимальные потери. Для этого ведется изучение материалов, передовыми технологиями могут стать алюминиевые цистерны и контейнеры из синтетических материалов.
Железнодорожный транспорт для перевозки жидкого водорода используют довольно ограниченно в связи с малой разветвленностью транспортных железнодорожных линий. В криогенных железнодорожных цистернах потери водорода примерно такие же, как и в автоцистернах. При однократном захолаживании в автоцистернах теряется до 15 % водорода, а связанные с несовершенством теплоизоляции потери составляют 0,5 % в сутки от объема транспортируемого водорода.
Существует также транспортировка водорода с помощью носителей, в качестве которых могут служить водородоемкие химические соединения, например аммиак и углеводороды. Из них водород получают посредством химических реакций. Так, при нормальной температуре аммиак сжижается при давлении 1,0 МПа и его можно транспортировать по трубам и хранить в жидком виде (температура сжижения аммиака −33 °С). Водород из аммиака получают посредством его каталитического разложения. Для получения 1 кг водорода необходимо 5,65 кг аммиака.
Существуют и «перезаряжаемые» носители, содержащие водород, которые транспортируют на топливную станцию, где из них выделяют водород, а затем возвращают для новой заправки. К таким носителям относятся, например, гидриды металлов.
Преимуществами таких «носителей» является минимальная стоимость транспортировки, умеренные давление и температура в системе доставки, а также возможность снижения стоимости хранения. Недостатками является повышенное энергопотребление, холостой ход на «перезарядку», возможность попадания примесей в газообразный водород, сложность трансформации при применении на местах [1].
Можно подвести итог, что конкурентоспособность различных вариантов зависит от расстояния, на которое транспортируется водород, объемы и способы конечного использования. Для транспортировки водорода на очень большие расстояния (за рубежом), его, как правило, необходимо сжижать или транспортировать в носителях. Для расстояний менее 1500 км транспортировка водорода в виде газа по трубопроводам обычно является наиболее дешевым вариантом; для расстояний более чем 1500 км, может быть более рентабельным транспортировать водород в виде аммиака.
По мере превращения водорода из промышленного в потребительский товар появляется необходимость в системах его централизованного хранения для обеспечения наличия больших запасов продукта вблизи потребителя. Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода является одной из ключевых проблем водородной энергетики. Сложность этой задачи заключается в том, что водород в свободном состоянии является самым легким и одним из самых низкокипящих газов. Для сравнения, масса одного галлона бензина составляет примерно 2,75 кг, тогда как один галлон водорода имеет массу всего 0,00075 кг (при давлении 1 атм и 0 °C).
Технология хранения водорода кардинально не отличается от технологии хранения природного газа (рис. 4) [5]
.
В сущности, способы хранения водородного топлива можно разделить на две группы:
1. Физические способы хранения;
2. Химические способы хранения.
Первая группа представляет собой физические методы – компрессирование или ожижение для смены агрегатного состояния водорода.
1) Если водород находится в сжатом газообразном состоянии, для его хранения можно использовать: различные газгольдеры; газовые баллоны; стационарные массивные системы хранения (естественные подземные резервуары); трубопроводные системы хранения; стеклянные микросферы.
Следует иметь в виду, что большинство систем хранения не обладают абсолютной герметичностью, поэтому существуют значения допускаемых объемов утечек.
Для производства водородных контейнеров стали применять новые материалы, например углеродное волокно для бесшовных контейнеров. Они не пропускают водород, разве что небольшие протечки возможны через соединения.
Перспективным способом хранения водорода является технология хранения в сверхкритическом состоянии, которая предусматривает изготовление тонкостенных монодисперсных структур, заполненных конденсированным водородом.
Расчеты показывают, что система хранения в полых микросферах имеет лучшие характеристики (по сравнению с традиционной баллонной) по массе (при давлениях газа больше 4,3 МПа), по габаритам (при давлениях больше 26 МПа). Однако затраты на обеспечение данного метода хранения очень высоки. Вместе с тем хранение водорода в сверхкритическом состоянии в монодисперсных полых микрогранулах имеет очевидные преимущества перед другими способами:
¾ длительность хранения;
¾ легкость и вариативность транспортировки микробаллонов;
¾ безопасность: разрушение нескольких микробаллонов не приводит к разрушению других или к нарушению герметичности контейнера [2].
2) Если водород находится в жидком состоянии, для его хранения используются стационарные или транспортные криогенные контейнеры.
Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20 К (превращается в жидкость) до точки замерзания 17 К, когда он переходит в твердое состояние. Следует отметить, что переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными потерями от испарения. Из-за этого фактора система хранения требует сложных методов изоляции.
Вторая группа заключается в использовании химических методов, при которых хранение водорода обеспечивается его взаимодействием с некоторыми материалами путем физических или химических процессов.
¾ Водород в адсорбционном состоянии: цеолиты и родственные соединения; активированный уголь; углеводородные наноматериалы.
¾ Абсорбция в объеме материала (металлогидриды).
¾ Химическое взаимодействие: алонаты; фуллерены и органические гидриды; аммиак; губчатое железо; водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.
Способы хранения водорода в твердой форме – это методы хранения, включающие поглощение или адсорбцию водорода другим материалом. Преимущества хранения водорода в гидриде в том, что они не требуют высоких давлений и обеспечивают высокую плотность, сравнимую с плотностью жидкого водорода. Основным недостатком этой технологии является то, что в этих материалах можно хранить лишь небольшую массу водорода.
При этом для десорбции достаточно будет поднять температуру на несколько десятков градусов. Варьируя разницей температур в сравнительно небольших пределах, можно добиваться изменения давления водорода в широком диапазоне – в зависимости от поставленной задачи [3].
Существует несколько параметров эффективности способов хранения, основными из которых является процент полезной массы и процент полезного объема водорода. Наиболее перспективными, исходя из параметра полезной массы, являются именно методы хранения водорода в виде гидридов, где значения могут достигать и 20 % [4].
Стоит обратить внимание на основные проблемы транспорта и хранения водорода в сравнении с природным газом:
- высокая «просачиваемость» жидкого водорода при температуре выше минус 253 градусов Цельсия вследствие малого размера его молекул;
- охрупчивание и разрушение металлов под воздействием атомарного водорода;
- взрывопожароопасность, возникающая при смешивании водорода с кислородом.
Все эти проблемы дают начало исследованию новых способов транспортировки и хранения, а также разработке и применению новых технологий и материалов.
Решением проблемы могут послужить армированные пластиковые трубопроводы – перспективная альтернатива стальным трубопроводам по техническим и экономическим характеристикам. Данная модель трубы состоит из нескольких слоев: внутренней стороной является непроницаемый лейнер, далее идет защитное покрытие, после чего устанавливаются два промежуточных слоя и завершающими являются внешние барьерный слой и защитное покрытие.
Для изготовления лейнеров могут применяться различные полимерные материалы, такие как полиэтилен, полиамид. Водородопроницаемость этих материалов определяет объем утечек водорода из трубопровода.
Таким образом, в данной статье были определены основные перспективы и сложности в развитии водородной энергетики, а также проанализированы оптимальные способы транспорта и хранения водорода.
В настоящее время объемы транспортировки и потребления водорода не такие большие, и на исследование новых технологий нужны крупные капитальные вложения. Также необходима разработка НТД и технических решений по производству, транспортировке и хранению водорода. Однако за этим последует значительный положительный экологический эффект, именно поэтому данная область является одной из самых развиваемых и перспективных на мировой энергетической арене.
