Zbiorniki ciekłego wodoru: magazynowanie LH2 stacjonarne i pokładowe

Dlaczego ciekły wodór magazynuje się inaczej niż inne gazy

Ciekły wodór wrze w −253 °C, a różnica między nim a otoczeniem wynosi prawie 275 stopni. Każdy wat ciepła, który przeniknie przez izolację, odparowuje część cieczy. Wodór ma też bardzo małe ciepło parowania (ok. 450 kJ/kg wobec 200 kJ/kg dla azotu, ale przy czterokrotnie mniejszej gęstości), więc w tym samym zbiorniku odparowuje kilka razy szybciej niż ciekły azot lub LNG. Zbiornik LH2 to zatem naczynie wewnętrzne ze stali nierdzewnej lub kompozytu, próżnia z wielowarstwową izolacją (MLI) i płaszcz zewnętrzny, a do tego układ, który robi coś z odparowanym gazem.

Boil-off: skąd się bierze i co z nim zrobić

Przyczyna	Co pomaga
Przenikanie ciepła przez izolację i podpory	Izolacja próżniowa MLI, podpory o małym przekroju, duże zbiorniki (mniejszy stosunek powierzchni do objętości)
Konwersja orto-para w cieczy skroplonej bez pełnej konwersji	Skraplarka z katalizatorem; pytać dostawcę o udział para-wodoru w produkcie
Przelewanie i tankowanie (schładzanie rur i zbiornika odbiorczego)	Krótkie, izolowane próżniowo linie; konstrukcja zbiornika odbiorczego ograniczająca odparowanie
Spadek ciśnienia przy poborze gazu	Układ budowania ciśnienia (parownik ciśnieniowy)

Odparowany gaz można zużyć (ogniwo paliwowe, kocioł, proces), sprężyć do magazynu gazowego albo ponownie skroplić. Dobrze zaprojektowany magazyn stacjonarny ma straty poniżej 1 % dziennie; zbiorniki pokładowe po zatankowaniu pracują 72 godziny bez upustu.

Zbiorniki stacjonarne

Zbiorniki stacjonarne Fabrum obejmują pojemności od 10 kg do ponad 4000 kg wodoru, z interfejsami:

• ciecz → ciecz: szybki przelew do zbiorników pojazdów lub cystern,
• ciecz → gaz wysokiego ciśnienia: pompa kriogeniczna i parownik do tankowania pojazdów 350/700 bar bez sprężarki,
• ciecz → gaz niskiego ciśnienia: zasilanie ogniw paliwowych lub procesu.

Każdy układ ma system zarządzania odparowanym gazem (BOG). Do istniejących zbiorników można dołożyć kontenerowy układ ponownego skraplania BOGM (ok. 100 kg/dobę), opisany na stronie o skraplaniu wodoru.

Zbiorniki pokładowe: ciężarówki, maszyny, samoloty

Dla pojazdów liczy się masa zbiornika na kilogram paliwa (wskaźnik grawimetryczny GI). Zbiornik gazowy 700 bar magazynuje ok. 5–6 % masy jako wodór; zbiorniki ciekłego wodoru Fabrum osiągają 10–30 % w wersji metalowej dla ciężarówek i maszyn górniczych oraz 30–65 % w wersji kompozytowej dla lotnictwa.

Wykonanie	Pojemność	Zastosowanie
Zbiornik metalowy z płaszczem zewnętrznym	50–1000 kg	Ciężarówki dalekobieżne, pojazdy dwupaliwowe diesel/H2, maszyny górnicze, kolej
Pełny kompozyt	10–500 kg	Samoloty z ogniwami paliwowymi lub silnikami na wodór, bezzałogowce

Opatentowana budowa trójpowłokowa (wkład kriogeniczny, zbiornik ciśnieniowy, płaszcz próżniowy) daje tankowanie do 70 % szybsze i odparowanie mniejsze o ok. 80 % w porównaniu z konwencjonalnym zbiornikiem. Maksymalne ciśnienie robocze standardowo do 10 bar (wyższe na zamówienie). Własny układ podawania (HDS) buduje ciśnienie i dostarcza gaz o kontrolowanej temperaturze do ogniwa lub silnika.

Fabrum przetestował zbiorniki w locie: w Nowej Zelandii z konsorcjum Airbusa i Air New Zealand oraz w programach samolotów regionalnych (Stralis Aircraft) i pojazdów dwupaliwowych, w których wodór zastępuje do 40 % oleju napędowego.

Nasza odpowiedź: Fabrum

Fabrum buduje zbiorniki kriogeniczne od dwóch dekad, początkowo dla magnesów nadprzewodzących, a od kilku lat dla wodoru, w tym instalacje na lotnisku w Christchurch i w kopalni Fortescue w Australii. Zbiornik projektuje się razem ze skraplarką, dystrybutorem i układem BOG, więc straty liczy się dla całego łańcucha, nie dla jednego naczynia. Enerwis reprezentuje Fabrum w Polsce i Europie Środkowej.

Co przygotować do zapytania

• ile wodoru ma czekać na odbiór (kg) i jak długo, profil poboru,
• źródło: własna skraplarka, dostawy cysterną, ile tankowań dziennie,
• forma odbioru: ciecz, gaz 350/700 bar, gaz niskiego ciśnienia,
• dla zbiorników pokładowych: pojazd, przestrzeń montażowa, masa dopuszczalna, zasięg, typ napędu (ogniwo, silnik, dwupaliwowy),
• lokalizacja, strefy zagrożenia wybuchem, wymagane normy i dozór.

FAQ

Ile ciekłego wodoru odparowuje dziennie ze zbiornika? W dobrym zbiorniku stacjonarnym poniżej 1 % dziennie, w małych zbiornikach pokładowych więcej, dlatego mają one okres bezupustowy (u Fabrum 72 godziny) i układ zużycia gazu. Straty przy przelewaniu bywają większe niż z samej izolacji.

Czy zbiornik ciekłego wodoru jest pod ciśnieniem? Niewielkim: zwykle do 10 bar w zbiornikach pokładowych, do kilkunastu w stacjonarnych. To główna zaleta wobec gazu sprężonego do 700 bar: lżejsza konstrukcja i większa gęstość energii na kilogram zbiornika.

Jak długo można przechowywać ciekły wodór? Tygodnie, jeśli odparowany gaz jest zużywany lub skraplany ponownie. Bez tego zbiornik upuszcza gaz przez zawór bezpieczeństwa, co jest stratą paliwa.

Czy zbiornik LH2 można postawić w Polsce bez specjalnych pozwoleń? Zbiornik kriogeniczny podlega dozorowi UDT i przepisom o ochronie przeciwwybuchowej; projekt uwzględnia strefy, odległości i wentylację. Fabrum certyfikuje zbiorniki według międzynarodowych norm bezpieczeństwa wodorowego, a Enerwis pomaga przeprowadzić procedurę krajową.

Ciekły czy sprężony wodór w ciężarówce? Ciekły daje większy zasięg i lżejszy zbiornik, ale wymaga stacji tankowania LH2, których jest mniej. Fabrum oferuje oba warianty i stacje do obu; patrz stacje tankowania wodoru.