Мировой тренд
Увеличение инвестиций в «чистую энергию» с минимальными выбросами и влиянием на атмосферу - один из главных общемировых трендов. В европейских странах в рамках «Парижского соглашения по климату» уже давно взят курс на развитие низкоуглеродной экономики, направленной на снижение выбросов парниковых газов и увеличение доли возобновляемых источников энергии. Особое место здесь занимает водород, который считается ключевым элемент декарбонизации – постепенного уменьшения объемов потребления нефти, природного газа и угля. При этом согласно новому «Зеленому курсу» Еврокомиссии (Green New Deal), водород рассматривается и как энергоноситель, и как средство накопления избыточной электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ в периоды активного солнца и ветра, когда ее производство превышает спрос потребителей.
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.
А как у нас?
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».
Водородные технологии
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.
Вместе с тем распространение водородной энергетики пока ограничено отсутствием инфраструктуры. Самому старому водородному трубопроводу в районе города Рур (Германия) всего 50 лет, а самый длинный подобный трубопровод имеет протяженность всего лишь 400 км. При этом у России есть подспорье — развитая сеть газовых трубопроводов, по которым можно передавать метано-водородную смесь, а затем, уже у потребителя, разделять эту смесь на водород и метан.
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:
-
«зеленый» водород - наиболее чистый водород, получаемый за счет электролиза воды с применением энергии из ВИЭ;
-
«голубой» водород - водород, получаемый из природного газа с образованием побочного углекислого газа (СО2), который улавливается и хранится в специальных хранилищах;
-
«cерый» водород - водород, при получении которого CO2 выбрасывается в атмосферу.
Чем более экологичней водород, тем он дороже в производстве (так, затраты электроэнергии на производство 1 м3 водорода методом пиролиза метана составляют 0,7-3,3 кВт*ч, а методом электролиза - 2,5-8 кВт*час).
Основным промышленным способом получения водорода в настоящее время является реакция метана с водой, для проведения которой требуется высокая температура: СН4 + 2Н2О = CO2+ 4Н2 - 165 кДж.
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.
3.Водород пожароопасен:
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
АО «ПТПА» - одно из первых предприятий в России предлагает поставку арматуры на водород. Трубопроводная арматура для водорода будет отличаться от стандартной. Например, при разработке кранов шаровых, для эксплуатации в контуре установки каталитического риформинга, специалисты ПТПА заложили следующие обязательные требования:
-
для основных деталей подбирается марка стали с учетом определенного парциального давления водорода и конкретной рабочей температуры (так, при рабочей температуре до +400°С и парциальном давлении водорода до 19,0МПа применимы стали 20 и 09Г2С, а для больших значений температуры и давления могут потребоваться нержавеющие стали 08Х18Н10Т и 10Х17Н13М3Т);
-
качество материала деталей должно быть очень высоким, без внешних и внутренних дефектов (трещин, пор и т.п.), поэтому при выборе исходной заготовки предпочтение отдается прокату и поковке, а в процессе производства детали проходят обязательную проверку неразрушающими методами контроля - радиография, ультразвук и капиллярная дефектоскопия;
-
к водороду устойчивы практически все уплотнения, поэтому при выборе их материала должны быть учтены температура рабочей среды и наличие в ней абразивных частиц (так для температуры более +250°С уплотнения подвижных и неподвижных соединений изготавливают из терморасширенного графита, а при наличии примесей уплотнение затвора выполняется металлическим путем нанесения на уплотнительные поверхности деталей твердого износостойкого покрытия или наплавки);
-
по требованию заказчика с целью минимизации возможных утечек водорода во внешнюю среду возможно изготовление трубопроводной арматуры с сильфонным уплотнением шпиндельного узла;
-
работоспособность изделия при рабочих параметрах должна быть подтверждена соответствующими прочностными расчетами с моделированием процесса на 3D конечно элементной модели;
-
герметичность изделия как по отношению к внешней среде, так и в затворе должна быть подтверждена результатами испытаний, проведенными в соответствии с требованиями ГОСТ33257 или ISO 15848-1 на испытательной среде «гелий», который аналогичен по проникающей способности водороду.
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?
Интересный факт
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.
Автор: Я. Эдемский
