Skraplanie wodoru — jak działa i kiedy skraplać na miejscu

Co to jest skraplanie wodoru i po co się je robi

Wodór pod ciśnieniem atmosferycznym zmienia się w ciecz w temperaturze −252,9 °C (20,3 K), zaledwie 20 stopni powyżej zera bezwzględnego. Ciekły wodór (w skrócie LH2) ma gęstość ok. 71 kg/m³. W tej samej objętości mieści się go mniej więcej trzy razy więcej niż gazu sprężonego do 350 bar i prawie dwa razy więcej niż do 700 bar.

Dlatego wodór skrapla się tam, gdzie liczy się masa i objętość zbiornika: w lotnictwie, w ciężkim transporcie, na statkach, przy tankowaniu dużych flot i przy przewozie wodoru na większe odległości.

Postać wodoru	Gęstość	Typowe zastosowanie
Gaz, 1 bar, 20 °C	ok. 0,08 kg/m³	rurociągi, procesy chemiczne
Gaz sprężony, 350 bar	ok. 24 kg/m³	autobusy, część ciężarówek
Gaz sprężony, 700 bar	ok. 40 kg/m³	samochody osobowe
Ciecz, 1 bar, −253 °C	ok. 71 kg/m³	lotnictwo, ciężki transport, żegluga, magazyny

Ceną za tę gęstość jest energia potrzebna do schłodzenia gazu i zbiorniki, które utrzymają −253 °C.

Jak działa skraplarka wodoru

1. Oczyszczanie gazu. W temperaturze ciekłego wodoru zamarza każda inna substancja: woda, tlen, azot, CO2. Zanieczyszczenia osadzałyby się w wymiennikach i je zatykały, dlatego wodór przed skraplarką musi być bardzo czysty.
2. Chłodzenie wstępne. Gaz schładza się od temperatury otoczenia do kilkudziesięciu kelwinów. Duże skraplarnie robią to zwykle ciekłym azotem (do ok. 80 K), co wymaga stałych dostaw azotu.
3. Chłodzenie końcowe i skroplenie. Od ok. 50–80 K do 20 K. W dużych instalacjach pracuje obieg z rozprężaniem gazu w turbinach (obieg Claude'a lub Braytona, z helem albo wodorem jako czynnikiem), w mniejszych kriochłodziarki.
4. Konwersja orto-para. Odbywa się w trakcie chłodzenia, na katalizatorze w wymiennikach (opis niżej). Bez niej ciekły wodór sam by się odparowywał w zbiorniku.
5. Magazyn. Zbiornik z izolacją próżniową. Nawet najlepszy przepuszcza trochę ciepła, więc część cieczy stale odparowuje (boil-off). Ten gaz trzeba albo zużyć, albo ponownie skroplić.

Konwersja orto-para: dlaczego jest ważna

Cząsteczka wodoru występuje w dwóch odmianach: orto i para. W temperaturze pokojowej wodór to w 75 % orto i w 25 % para. W temperaturze ciekłego wodoru stanem równowagi jest niemal 100 % para.

Przemiana orto w para zachodzi sama, ale powoli, i wydziela więcej ciepła, niż potrzeba do odparowania tej samej ilości cieczy. Jeśli do zbiornika trafi wodór skroplony bez konwersji, w ciągu kilku dni znaczna jego część odparuje, nawet w idealnie izolowanym zbiorniku. Dlatego skraplarka musi przeprowadzić konwersję w trakcie chłodzenia. Udział para w produkcie to jedno z pierwszych pytań, które warto zadać każdemu dostawcy skraplarki.

Ile energii zużywa skraplanie wodoru

Teoretyczne minimum (z konwersją orto-para) to ok. 3,9 kWh na kilogram wodoru. Działające dziś duże skraplarnie zużywają ok. 10–15 kWh/kg, czyli równowartość jednej trzeciej energii zawartej w samym wodorze (33,3 kWh/kg). Małe instalacje zużywają na kilogram więcej.

Skraplanie na miejscu ma jednak inną ekonomię niż duża skraplarnia. Wodór z centralnej skraplarni trzeba dowieźć cysterną, a przy każdym przelewaniu część cieczy odparowuje. Wodór ma bardzo niską gęstość i małe ciepło parowania, więc w tym samym zbiorniku odparowuje kilka razy szybciej niż ciekły azot czy LNG (wg Fabrum ok. 3,5 % dziennie wobec 0,5 % dla azotu). Gdy elektrolizer, skraplarka, magazyn i dystrybutor stoją w jednym miejscu, znikają transport i straty przy przeładunkach. Porównanie zawsze trzeba policzyć dla konkretnej lokalizacji, ilości i profilu odbioru.

Duża skraplarnia czy skraplanie na miejscu

	Centralna skraplarnia	Skraplanie na miejscu
Skala	kilka–kilkadziesiąt ton na dobę	od kilkudziesięciu kg do ok. 1 tony na dobę
Energia na kg	niższa	wyższa
Transport	cysterny, straty przy przeładunkach	brak, wodór jest tam, gdzie się go zużywa
Inwestycja	bardzo duża, długie przygotowanie, wymaga umów odbioru	kontenerowe moduły, rozbudowa wraz z popytem
Dla kogo	dostawcy gazów technicznych	floty pojazdów, lotniska, porty, kopalnie, zakłady z własnym wodorem

Nasza odpowiedź: skraplarki Fabrum

Fabrum z Christchurch w Nowej Zelandii buduje modułowe skraplarki wodoru na bazie własnych kriochłodziarek z rurą pulsacyjną (PTC). Chłodziarka ma opatentowany dwumembranowy generator fali ciśnienia i duże liniowe rury pulsacyjne. Nie ma smarowania ani części trących, dlatego pracuje bezobsługowo, z przeglądem co 40 000 godzin (ok. 4,5 roku pracy ciągłej).

Skraplanie jest dwustopniowe i nie wymaga wstępnego chłodzenia ciekłym azotem:

• Pierwszy stopień: kriochłodziarki PTC1000 schładzają wodór od temperatury otoczenia do ok. 50–60 K. Jedna PTC1000 ma silnik 30 kW i daje od 0,5 do 3,5 kW chłodu w zakresie 50–150 K. Typowa skraplarka ma ich kilka.
• Drugi stopień: dobierany do skali instalacji. Zimne głowice Gifforda-McMahona do ok. 500 kg/dobę, rozprężanie Joule'a-Thomsona dla 250–1000 kg/dobę albo turbo-Brayton dla 500–1000 kg/dobę.

Wykonanie	Wydajność	Do czego
Skraplarki kontenerowe (kontenery 20 i 40 stóp)	35, 75 lub 400 kg LH2/dobę	lotniska testowe, floty autobusów i ciężarówek, kopalnie, porty
Instalacja modułowa	do ok. 1000 kg LH2/dobę	większe floty i odbiorcy przemysłowi; dalszy wzrost przez kolejne moduły
Układ odzysku odparowanego gazu (BOGM), kontener 20 stóp	ponowne skroplenie ok. 100 kg/dobę, ok. 15 kWh/kg	dołączany do istniejącego zbiornika LH2 przez króćce odbioru i powrotu gazu

Dla porównania skali: autobus wodorowy zużywa ok. 20–30 kg wodoru na dobę, a ciężarówka ok. 8 kg na 100 km. Skraplarka 75 kg/dobę obsługuje więc kilka autobusów, a 400 kg/dobę flotę ciężarówek.

Fabrum dostarcza też resztę łańcucha: elektrolizery bezmembranowe (1,1 MW daje ok. 450 kg wodoru na dobę), kompozytowe zbiorniki ciekłego wodoru stacjonarne i pokładowe oraz dystrybutory do szybkiego tankowania LH2. Opatentowana konstrukcja zbiornika zmniejsza odparowanie przy tankowaniu o ok. 70 % i skraca samo tankowanie. Wszystko jest projektowane jako jedna instalacja, od wody i prądu do wodoru w zbiorniku pojazdu.

Instalacje Fabrum pracują m.in. w Australii, gdzie firma uruchomiła dla Fortescue instalację produkcji ciekłego wodoru na terenie kopalni, i w Christchurch, gdzie na lotnisku działa stanowisko testowe konsorcjum z udziałem Airbusa, Air New Zealand i Fortescue: produkcja, magazynowanie i tankowanie ciekłego wodoru do lotniczych zbiorników kompozytowych.

Jak przygotować zapytanie o skraplarkę

W kriogenice nie robi się testów jak przy młynach czy przesiewaczach. Podstawą oferty jest audyt miejsca i projekt koncepcyjny z gwarantowaną wydajnością i zużyciem energii. Do pierwszej rozmowy wystarczą:

• źródło wodoru: elektrolizer (istniejący lub planowany), rurociąg, dostawy w butlach lub naczepach; czystość i ciśnienie gazu,
• ilość: kg na dobę dziś i za kilka lat, profil odbioru (ciągły, zmianowy, sezonowy),
• zastosowanie: tankowanie pojazdów, zbiorniki pokładowe, napełnianie cystern, proces przemysłowy,
• magazyn: jak długo wodór ma czekać na odbiór,
• miejsce: dostępna moc elektryczna, powierzchnia, strefy zagrożenia wybuchem, wymagane pozwolenia.

Szerzej o danych do zapytania: jak przygotować zapytanie o maszynę.

FAQ

W jakiej temperaturze skrapla się wodór? W temperaturze −252,9 °C (20,3 K) pod ciśnieniem atmosferycznym. To druga najniższa temperatura wrzenia po helu. Pod wyższym ciśnieniem wodór skrapla się w nieco wyższej temperaturze, ale nigdy powyżej ok. −240 °C (punkt krytyczny, 33 K).

Ile energii potrzeba do skroplenia 1 kg wodoru? Teoretycznie ok. 3,9 kWh, w praktyce w dużych skraplarniach ok. 10–15 kWh/kg, w małych więcej. Dokładne zużycie dla danej instalacji producent podaje w ofercie jako parametr gwarantowany.

Ciekły czy sprężony wodór — co wybrać? Sprężony gaz (350 lub 700 bar) jest prostszy i wystarcza dla samochodów i mniejszych flot. Ciekły wodór wygrywa tam, gdzie liczy się masa i objętość zbiornika (lotnictwo, ciężarówki dalekobieżne, statki), przy dużym zużyciu dziennym i przy przewozie na większe odległości.

Czy skraplarka Fabrum potrzebuje ciekłego azotu? Nie. Pierwszy stopień chłodzenia to kriochłodziarki Fabrum, które schładzają wodór do ok. 50–60 K bez wstępnego chłodzenia azotem. Instalacja potrzebuje prądu i wodoru, nie dostaw azotu.

Jak długo można przechowywać ciekły wodór? W dobrze izolowanym zbiorniku tygodnie, ale część cieczy stale odparowuje. Straty ogranicza się konwersją orto-para w skraplarce, dobrą izolacją, zużywaniem odparowanego gazu albo ponownym skraplaniem go w układzie BOGM, który można dołączyć do istniejącego zbiornika.

Ile kosztuje skraplarka wodoru? To zależy od wydajności, źródła wodoru, wymaganego magazynu i zakresu dostawy (sama skraplarka czy cały łańcuch z elektrolizerem i dystrybutorem). Ofertę przygotowujemy po audycie i projekcie koncepcyjnym.