Transport i magazynowanie wodoru

Istniejąca infrastruktura jest w dużej mierze oparta na paliwach kopalnych, których spalanie powoduje emisję zanieczyszczeń, zwłaszcza dwutlenku węgla. Jest to gaz cieplarniany (GHG), który ma związek z globalnym ociepleniem i zmianami klimatycznymi.

Z kolei podczas spalania wodoru powstaje nieszkodliwa para wodna i pewne ilości tlenków azotu (NOx), ale nie występuje emisja dwutlenku węgla ani innych zanieczyszczeń, takich jak tlenki siarki (SOx). Wodór nadaje się również do stosowania w wielu istniejących turbinach zasilanych gazem ziemnym, których komory spalania mogą być zasilane wodorem, gazem ziemnym lub ich mieszaniną. Jednak przy niewłaściwym obchodzeniu się wodór jest substancją niebezpieczną.

Jego cząsteczki mają najmniejsze rozmiary spośród wszystkich pierwiastków, co stwarza poważne problemy w razie wycieku ze zbiorników czy rurociągów. Szczególną uwagę należy zwrócić na materiały i metody stosowane do uszczelniania tych systemów, takie jak armatura, uszczelki, zawory i inne urządzenia uszczelniające. Aby wykrywać nietypowe zdarzenia, np. utratę szczelności, należy stosować urządzenia monitorujące środowisko, takie jak detektory płomienia i czujniki gazów łatwopalnych lub urządzenia in-line, takie jak przetworniki ciśnienia i temperatury. Nowsze technologie, takie jak detektory gazu działające na podczerwień, często stosowane w aplikacjach gazu ziemnego, nie nadają się do wykrywania wodoru ze względu na dwuatomową strukturę cząsteczki wodoru.

Wycieki są głównie spowodowane kruchością powstającą wskutek absorpcji atomów wodoru przez stal i inne metale. Atomy te mogą ponownie łączyć się ze sobą w cząsteczki wodoru, które dyfundują przez metal i tworzą pęcherzyki, osłabiające dany materiał i powodują kruchość i pękanie, nawet w temperaturze otoczenia. Dlatego ważne jest, aby ograniczać to ryzyko, dobierając materiały odpowiednio do konkretnego zastosowania.

Bezpieczne magazynowanie wodoru to podstawowy warunek postępu technologii wodorowych i ogniw paliwowych.

Wodór może być przechowywany w postaci sprężonego gazu lub cieczy kriogenicznej. Sprężony gazowy wodór jest zwykle przechowywany w zbiornikach pod ciśnieniem 350-700 bar (5,000-10,000 psi). Wodór w stanie ciekłym może być przechowywany w temperaturze około -253 °C (-423 °F), natomiast sprężony kriogeniczny wodór może być przechowywany w temperaturze około -233 °C (-387 °F). Magazynowanie w stanie gazowym stawia mniejsze wymagania wobec sprzętu i jest o wiele bardziej ekonomiczne, ale magazynowanie w stanie ciekłym ma również zalety, szczególnie znacznie wyższą gęstość magazynowania energii

Ciekły wodór od dawna wykorzystywany jest jako paliwo w rakietach kosmicznych. W kosmosie wodór jest przechowywany w butlach, rurach i zbiornikach kulistych w postaci sprężonego gazu lub cieczy kriogenicznej. W postaci gazowej wodór jest zwykle przechowywany w butlach. Do magazynowania ciekłego wodoru zalecane są jednak zbiorniki kuliste, ponieważ mają one mniejszą powierzchnię więc pochłaniają mniej ciepła z otoczenia.

Wodór może być także magazynowany w systemach nośników materiałowych na powierzchni ciał stałych (adsorpcja) lub wewnątrz nich (absorpcja). Metody te opracowuje się, aby spełnić wymogi związane z gęstością paliwa i zwiększyć bezpieczeństwo procesu, ponieważ zmniejszają one ryzyko wycieku i niekontrolowanego spalania.

Środki bezpieczeństwa dla wszystkich systemów magazynowania wodoru są następujące:

• Zbiornik magazynowy należy instalować na zewnątrz w miejscach dobrze wentylowanych, z dala od źródeł zapłonu, w odpowiedniej odległości od budowli, pojazdów, źródeł ciepła, iskier i otwartego ognia
• Nie ciągnąć, nie toczyć, nie przesuwać ani nie upuszczać zbiornika
• Podczas obchodzenia się z wodorem używać wyłącznie narzędzi nieiskrzących i urządzeń przeciwwybuchowych
• Uziemić wszystkie części i rurociągi w instalacji
• Regularnie sprawdzać szczelność instalacji wodoru używając wody z mydłem, nigdy nie używać otwartego ognia

Wymagania związane z magazynowaniem wodoru o dużej gęstości stawiają poważne wyzwania dla systemów transportowych. Gęstość energii wodoru jest znacznie mniejsza niż w przypadku benzyny, więc zmagazynowanie tej samej ilości energii wymaga większych zbiorników. Ogólnie biorąc, zbiorniki wodoru w pojazdach są większe od zbiorników gazu ziemnego i mogą wytrzymać większe ciśnienie.

Wymóg większej przestrzeni obniża funkcjonalność pojazdu, gdyż nie pozwala na wygodny przewóz ludzi i towarów przy efektywnym wykorzystaniu miejsca, a dodatkowa masa ma negatywny wpływ na odległość, jaką pojazd może pokonać przy danej ilości energii. Poza tym, wodorowe ogniwa paliwowe zajmują również więcej miejsca niż silniki spalinowe, są cięższe i są dodatkowym potencjalnym źródłem wycieków.

Samochody osobowe i ciężarowe napędzane wodorem są dostępne, ale na całym świecie ilość stacji tankowania jest ograniczona. Dlatego dla większości ludzi są one niepraktyczne, zwłaszcza przy codziennej eksploatacji. Jednak w miarę rozwoju infrastruktury wodorowej może się to zmienić w przyszłości.

Pomimo tych wad, samochody osobowe i ciężarowe dalekobieżne napędzane wodorem mają również znaczne zalety w porównaniu z pojazdami elektrycznymi. Czas tankowania wynosi kilka minut zamiast kilku godzin a ilość zmagazynowanej energii nie ulega zmniejszeniu w miarę upływu czasu. Gęstość magazynowania energii jest znacznie (ponad 100-krotnie) większa niż w przypadku akumulatorów, więc paliwa są znacznie lżejsze i bardziej kompaktowe od akumulatorów. Ponadto występują braki materiałów, zwłaszcza litu, niezbędnych do produkcji nowoczesnych akumulatorów, a materiały niezbędne do wodorowych ogniw paliwowych są dostępne w dużych ilościach.

Po wyprodukowaniu gazowy wodór może być zużywany na miejscu, sprężany i przesyłany gazociągiem do pobliskich zbiorników magazynowych, sprężany i napełniany do butli lub skraplany dla zwiększenia gęstości magazynowania lub transportowania na duże odległości. Wodór jest zwykle transportowany rurociągami, pojazdami ciężarowymi, koleją i statkami. Rurociągi wykorzystuje się najczęściej do obsługi pobliskich zakładów produkcyjnych i odbiorców lub transportu na większe odległości tam, gdzie spodziewane zapotrzebowanie jest stabilne i długoterminowe.

Na krótkich dystansach wodór jest najczęściej transportowany ciężarówkami, w butlach wysokociśnieniowych na tzw. bateriowozach lub w cysternach ze skroplonym wodorem o temperaturze kriogenicznej. Na średnich dystansach ciekły wodór jest transportowany koleją, natomiast statkami transportowane są duże ładunki na długie dystanse.

Trwają poszukiwania praktycznych, kompaktowych systemów magazynowania wodoru, które mogą być bezpiecznie wykorzystywane zarówno w pojazdach, jak i obiektach stacjonarnych. Postęp w zakresie ekonomicznie opłacalnej produkcji wodoru, w połączeniu z rozwojem transportu i magazynowania pomoże w rozwoju gospodarki opartej na wodorze.

Ponieważ przemysł dąży do ograniczenia emisji dwutlenku węgla poprzez wykorzystywanie wodoru i innych paliw alternatywnych, odpowiednie szkolenie ma ogromne znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa podczas budowy, instalacji, obsługi i konserwacji tych systemów.