В.В.Тимофеев, И.К.Лебедев
ООО САФИТ, 141351, Московская область, Сергиево-Посадский район, Жучки, дом 2д, офис 3
Challenges and prospects of using high-pressure metal composite cylinders for hydrogen transportation and storage
V.V.Timofeev, I.K.Lebedev
LLC SAFIT, 141351, Moscow region, Sergiev-Posad district, Zhuchki village, building 2d e-mail: v_timofeev@safit.su
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.41
В данной статье рассматриваются технологии хранения и транспортировки водорода с учетом мировой практики и планов развития водородной энергетики в Российской Федерации до 2035 года. Области применения водорода как топливного газа весьма различны от ракетных двигателей и водородных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) до, набирающих популярность по мере развития технологий, водородных топливных элементов различного состава и характеристик. В США на смеси водорода и кислорода работали ракетоносители программы Space Shuttle, а год назад была успешно запущена тяжелая ракета Space Launch System. В России ведутся разработки третьей ступени тяжелого ракетоносителя Ангара-5, которая также будет работать на водороднокислородной смеси. Водородные ДВС уже представили такие компании, как BMW, Toyota, Vankel, VM Motori. Водородными топливными ячейками занимаются уже многие и на ряду с ними такие гиганты, как Bosch и Forvia. Стоит отметить передовые достижения в этой области компании ZeroAvia, основанной выходцами из России, которая, совместно с Boing, разрабатывает самолет на водородных топливных элементах, при этом дизайном и производством низкотемпературных водородных топливных элементов они занимаются сами.
Нельзя не заметить и колоссальную по инвестициям, политической и информационной поддержке компанию в США и Европе по «перезагрузке» энергетической системы в сторону водорода, связанную с геополитической ситуацией и продвижением «зеленой» повестки. В США и Европе весьма развита и продолжает расширяться сеть водородных трубопроводов. По данным Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США подключение к трубопроводу начинает быть экономически оправдано в случае, если потребителю требуется не менее 1000кг водорода в день. В США и Европе концентрация таких потребителей достаточно высокая за счет локализации химических производств в технологических и логистических парках. В России крупных локальных розничных потребителей пока нет и расстояния от существующих источников водорода делают затраты на трубопроводную инфраструктуру неоправданными. Например, для заправки объемом 1000 кг водорода требуется проходимость 200 легковых авто в день. Это уровень развитого локального рынка с разветвленной инфраструктурой заправок и количество эксплуатируемых автомобилей на водороде на нем должно быть порядка 120000 шт.
Таким образом водород надо как-то доставлять конечным потребителям и хранить. Криогенные системы, конечно, незаменимы для ракетно-космической отрасли, но есть уже и криогенные баки для автомобилей. Эта технология позволяет достичь высоких показателей плотности, но удержать водород в жидком состоянии тяжело, поэтому есть неизбежные потери продукта и сами системы относительно дорогие.
Металлогидридные (МГН) системы пока мало используются ввиду недостаточной отработки технологии и высокой цены из-за содержания цветных и редкоземельных металлов. Также они имеют большую массу и требуют разработки сложной системы обеспечения и управления температурными параметрами.
В настоящее время одним из самых распространенных способов доставки топливного водорода является его компримирование в сосудах высокого давления в диапазоне от 200 до 700 атм. Для этих целей часто применяются баллоны 4-го типа с полимерным лейнером, так как он показывает одновременно и высокую весовую эффективность изделия, и технологичность его производства. Однако у этого баллона есть ряд существенных недостатков из-за использования полимеров в качестве лейнера. Общим недостатком полимерных материалов является их деструкция в контакте с газами и жидкостями, связанная с явлением диффузии среды в полимер. Суть явления состоит в том, что, проникая в материал за счет диффузии и молярного переноса по дефектам структуры полимера, среда способствует повышению подвижности структурных элементов, играя роль смазки, что способствует разрыву связей в макромолекулах полимера, разрыхлению его структуры, его охрупчиванию и появлению локальных трещин. Описанный процесс обычно называют коррозионным растрескиванием полимеров, и он один из самих распространенных типов разрушения полимеров, определяющий области их использования. Кроме отмеченного выше, при циклических нагружениях полимеров происходит их разрушение в силу так называемого «кессонного» эффекта. В данном случае среда при повышенном давлении диффундирует в структуру полимера, а после снятия нагрузки, давление продиффундировавшей внутрь полимера среды разрывает полимер (Рисунок 1).
Еще одной проблемой применения баллонов 4-го типа для водорода является на порядки более высокая газопроницаемость полимерного лейнера по сравнению с металлическим.
В данной работе представлены результаты создания сверхлегких металлокомпозитных баллонов высокого давления (МКБ ВД) для компримированного и крио-компримированного водорода, разработанных компанией Сафит на основе уникальной запатентованной технологии, которая позволяет решить проблемы с безопасностью, возникающие при использовании композитных баллонов 4-го типа. Газонепроницаемым барьером в данной технологии является тонкостенный 0,5мм лейнер из нержавеющей стали, армированный углеродной нитью (Рисунок 2).
Технологическое решение Сафит с применением нержавеющих сталей в качестве лейнера идеально подходит для компримированного водорода. Согласно справочнику нефтехимика под общей редакцией О. К. Огородникова издание 1978 года водородное охрупчивание отсутствует при использовании легированных сталей с содержанием хрома не ниже 12%, например 12Х18Н10Т (AISI 321) даже при температуре 600°С и давлении до 80МПа (Рисунок 3).
Рисунок 3. Ссылка на справочник нефтехимика под общей редакцией О. К. Огородникова издание 1978 года.
Кроме решения проблемы водородного охрупчивания в композитных баллонах с лейнером из нержавеющей стали практически отсутствует проницаемость водорода.
Результаты:
-
Результаты проектирования и производства металлокомпозитных баллонов для хранения и транспортировки компримированного водородного топлива показали весовую эффективность баллонов Сафит на уровне лучших мировых аналогов.
-
Компанией Сафит также разработан и изготовлен пилотный образец высокотехнологичной криогенной емкости в которой применена комбинация композитных материалов с уникальной вакуумной тепловой изоляцией. Совместно с БГТУ «ВОЕНМЕХ» ИМ. Д.Ф. УСТИНОВА проведены испытания по определению тепловой изоляции конструкции, без вакуумирования емкости. Полученный коэффициент теплопроводности λ=(0.0645±0.0043) Втм∗К сопоставим с хорошими теплоизоляторами, что говорит об относительно эффективных теплоизоляционных свойствах многослойной стенки бака. Ожидается улучшение теплоизоляционных свойств после отработки образца с системой вакуумирования.
Литература:
[1] Васильев В.В., Мороз Н.Г. «Композитные баллоны давления. Проектирование, расчет, изготовление и испытание», Инновационное машиностроение (2015).
