Blog
Przemysł motoryzacyjny od wielu lat poszukuje alternatywnych wobec paliw tradycyjnych źródła zasilania silników spalinowych. Jednym z ciekawszych rozwiązań są ogniwa wodorowe napędzające silnik elektryczny. W odróżnieniu od tradycyjnych akumulatorów ogniwo wodorowe nie musi być wcześniej ładowane prądem – potrzebne jest tylko dostarczenie gazu, aby na elektrodach ogniwa zaszła reakcja utlenienia i została wygenerowana energia elektryczna. Tankowanie auta, które polega na doprowadzeniu sprężonego wodoru, trwa kilka minut, a pojazd bez ładowania pokonuje dystans ponad 400 km. Oczywiście, trudno mówić o jakichkolwiek zanieczyszczeniach dla środowiska – efektem reakcji utleniania w ogniwie wodorowym jest para wodna.
Liderem w produkcji aut wodorowych (FCV – Fuel Cell Vehicle) jest Toyota. Auta zasilane ogniwami wodorowymi produkuje (lub wkrótce wprowadzi do produkcji) również Hyundai, Honda, Nissan, BMW, Ford, Audi, Mercedes. Warto wspomnieć o polskim autobusie zasilanym ogniwem wodorowym: Ursus City Smail. Aktualna cena aut wodorowych jest bardzo wysoka, jednak specjaliści przewidują, że kolejne generacje aut zejdą do poziomu cenowego samochodu o napędzie hybrydowym.
Oczywiście do tankowania samochodów wodorem potrzebny jest specjalny punkt ładowanie. Najwięcej jest ich w Japonii. W Europie przodują Niemcy – do czerwca 2019 roku działały 93 punkty ładowania wodorem, a plany sięgają 1000.
W tym kontekście warto się przyjrzeć projektowi PURE H2 polskiego koncernu paliwowego Grupy LOTOS. Rafineria w Gdańsku produkuje obecnie około 13 t wodoru na godzinę, a po zakończeniu budowy Projektu EFRA będzie to ponad 16,5 t/h – głównie na potrzeby procesu rafinacji ropy i produkcji paliw. Przeciętny pojazd osobowy zużywa 1 kg wodoru na 100 km. Nie trzeba się więc martwić o zasoby „paliwa”.
Do zasilania ogniw wodorowych napędzających silnik elektryczny potrzebny jest wodór o bardzo wysokiej czystości (99,999%). Dzięki takiemu rodzajowi czystego paliwa zapewniony jest daleki zasięg pojazdu (450 km) bez konieczności dodatkowego tankowania.
Grupa LOTOS zamierza zbudować do końca 2021 roku dwie stacje tankowania wodoru (w Gdańsku i Warszawie). Zanim pojawią się punkty tankowania wodoru, na terenie rafinerii w Gdańsku powstanie instalacja do jego oczyszczania oraz stacja sprzedaży i dystrybucji tego paliwa. To właśnie te instalacje i obiekty wchodzą w zakres projektu PURE H2 o wartości 10 mln euro.
Wizualizacja stacji tankowania wodorem
Instalacje PURE H2
Instalacja oczyszczania wodoru składa się z:
· węzła oczyszczania wodoru,
· stacji sprężania wraz ze zbiornikiem buforowym,
· zbiorników stałych wraz z dystrybutorami.
Instalacja ta będzie zlokalizowana bezpośrednio przy rafinerii w Gdańsku.
Stacje tankowania wodoru będą się składać ze:
· sprężarek,
· zbiorników ze sprężonym wodorem,
· zbiorników buforowo-zrzutowych,
· wymienników ciepła,
· stanowisk nalewakowych i tankowania pojazdów.
Stacje zostaną zlokalizowane w Gdańsku, przy ul. Benzynowej, i w Warszawie, przy ul. Łopuszańskiej. Niektóre elementy wyposażenia stacji będą się znajdować w zamkniętych budynkach, inne będą ogólnodostępne.
Pozyskiwanie wodoru
Rafineria Grupy LOTOS S.A. w Gdańsku wytwarza na potrzeby własne procesu rafinacji ropy naftowej oraz produkcji paliw ciekłych znaczne ilości wodoru. Wodór wytwarzany jest w oparciu o proces parowego reformingu gazu ziemnego, LPG lub benzyny lekkiej. Otrzymywany w ten sposób wodór zanieczyszczony jest metanem, CO, CO2 i N2.
Sprężony wodór, który nadaje się do zasilania elektrycznych ogniw paliwowych zainstalowanych w pojazdach FCV, powinien odpowiadać limitom jakościowym, dedykowanym dla tych pojazdów. Według normy ISO 14687-2-2012 indeks paliwa wodorowego (minimalna zawartość molowa) powinien wynosić 99,97%. Jednak po oczyszczeniu wodoru w projektowanej instalacji indeks ten osiągnie 99,999%.
Czyszczenie wodoru metodą PSA
Metoda adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA polega na przepuszczaniu wodoru o niewystarczającym stopniu czystości przez złoża adsorbentów, takich jak aktywny tlenek glinu, węgiel aktywny i sita molekularne, w celu oddzielenia czystego wodoru od znajdujących się w nim zanieczyszczeń. Proces przebiega do momentu wyczerpania pojemności adsorpcyjnej złoża. Następnie adsorbent regeneruje się przez zmniejszenie ciśnienia, wyrównanie ciśnienia i płukanie adsorbera.
Metoda PSA jest obecnie najbardziej rozpowszechnionym sposobem oczyszczania wodoru wytwarzanego w drodze reformingu parowego węglowodorów. Zapewnia ona wymagania dotyczące czystości wodoru, a jednocześnie cechuje się wysoką sprawnością i niezawodnością.
Instalacja czyszczenia wodoru będzie zlokalizowana na terenie rafinerii jako tzw. skid. Oczyszczony wodór z instalacji PSA kierowany będzie za pomocą rurociągu o długości ok. 450 m pod ciśnieniem ok. 23 barów do zbiorników buforowych zlokalizowanych poza granicą instalacji na terenie stacji sprężania i dystrybucji. Dwa zbiorniki o pojemności 95 m3 każdy i maksymalnym ciśnieniu roboczym 40 barów pełnią funkcję buforu wodoru oraz przyjmują zrzut wodoru po zatrzymaniu agregatów sprężarkowych.
Stacja sprężania i dystrybucji
Sprężanie
W celu zmagazynowania oczyszczonego uprzednio wodoru należy podwyższyć jego ciśnienie w agregatach sprężarkowych. Ze względu na utrzymanie absolutnej czystości wodoru nadają się do tego celu sprężarki membranowe. Przepływający przez taką sprężarkę wodór w obrębie komory sprężania kontaktuje się jedynie z gładką powierzchnią stalowej membrany, nie mając kontaktu z olejem lub smarami. Projekt zakłada wykorzystanie trzech takich sprężarek, mogących pracować osobno lub jednocześnie.
Agregaty sprężarkowe będą tłoczyły wodór do zbiornika stałego, bezpośrednio do autobusów albo bateriowozów przeznaczonych do rozwożenia wodoru.
Agregat sprężarkowy
Magazynowanie wodoru w zbiorniku
Efektywnym sposobem na magazynowanie sprężonego wodoru jest zastosowanie zbiorników stałych połączonych w układzie kaskadowym. Zbiornik stały, który składa się z wiązek butli ciśnieniowych, jest podzielony fizycznie na trzy odrębne sekcje zbiorników o różnej pojemności: ciśnienia niskiego LP, średniego MP i wysokiego HP. Sekcja LP składa się z dwunastu butli, sekcja MP składa się z ośmiu butli, a sekcja HP – z pięciu sztuk butli. Projekt zakłada budowę dziewięciu takich zbiorników.
Napełnianie zbiornika zaczyna się od części wysokiego ciśnienia HP, po uzyskaniu ciśnienia roboczego strumień wodoru przekierowany jest do zbiornika średniego ciśnienia MP, a po uzyskaniu ciśnienia roboczego – do zbiornika LP niskiego ciśnienia.
Zbiorniki sprężonego wodoru będą stanowiły bufor przy napełnianiu autobusów umożliwiających szybkie zatankowanie w czasie nieprzekraczającym 10 minut, a także będą pełniły funkcję pomocniczą przy napełnianiu bateriowozów.
Opróżnianie zbiornika stałego wiąże się procesem tankowania pojazdów. Do napełniania pojazdów osobowych przewiduje się zastosowanie zbiornika stałego złożonego z dwunastu sztuk butli ciśnieniowych, każdy o pojemności wodnej 50 l. Ciśnienie robocze zbiornika w pojeździe osobowym wynosi 700 barów. Zatem ciśnienie w zbiorniku stałym powinno wynosić 900 barów, w celu uzyskania odpowiedniej różnicy ciśnień do utrzymania właściwego natężenia przepływu wodoru, tak aby tankowanie pojazdu trwało nie dłużej niż 3 minuty.
Zbiorniki na wodór sprężony
Dystrybucja wodoru w stacji tankowania
Proces napełniania zbiorników sprężonego wodoru w pojazdach osobowych odbywa się na stanowiskach tankowania z dystrybutorem zlokalizowanym na specjalnej wysepce.
Dystrybutor wodoru składa się m.in. z zaworów odcinających, wymiennika ciepła wraz z instalacją chłodniczą, układu pomiarowego oraz węża tankowania wyposażonego w złącze zrywne oraz końcówki napełniania do podłączenia z króćcem napełniania zainstalowanym w pojeździe. Ponadto dystrybutor posiada elektroniczny układ sterowania wraz z wyświetlaczem. Układ sterowania decyduje o uruchomieniu zaworów tankowania, kontroluje parametry przepływu wodoru (temperaturę i ciśnienie), a w przypadku awarii –automatycznie wyłącza system.
Po prawidłowym zamocowaniu złącza tankowania na króćcu w pojeździe następuje automatyczna weryfikacja stanu dystrybutora. Jeżeli parametry pracy są prawidłowe, po sygnale wyzwalanym ręcznie następuje proces tankowania.
Po zakończeniu tankowania następuje proces odgazowania (czyli odprężenia) złącza tankowania, a następnie zdjęcia nasadki szybkozłącza tankowania z króćca tankowania w pojeździe.
Aby zwiększyć natężenie przepływu wodoru celem szybkiego zatankowania pojazdu osobowego (czas do 3 minut), stosuje się wymiennik ciepła połączony z układem chłodniczym, który odbiera powstałe ciepło w trakcie rozprężania i chłodzi wodór do optymalnej temperatury – 40OC. Obniżenie temperatury wodoru pozwala skrócić czas tankowania, a także napełnić zbiorniki w FCV do nominalnego poziomu. W przeciwnym razie napełniony zbiornik tankowanego pojazdu po wyrównaniu temperatury wodoru z otoczeniem spowoduje, że rzeczywista ilość wodoru będzie niewystarczająca dla uzyskania zakładanej ilości zatankowanego paliwa.
Proces napełniania zbiorników w autobusach sprężonym wodorem odbywa się w sposób analogiczny do napełniania pojazdów osobowych, jednak z uwagi na większą pojemność zbiorników oraz niższe ciśnienie robocze występują pewne różnice. Wąż tankowania, szybkozłącze, jak i nasadki króćca różnią się od armatury użytej w dystrybutorze dla pojazdów osobowych. Instalacja umożliwia zatankowanie w ciągu jednej doby 48 pojazdów osobowych oraz 96 autobusów.
Natomiast bateriowozy przeznaczone do dowożenia wodoru będą tankowane na osobnym wydzielonym i zabezpieczonym stanowisku.
Stacja sprężania i tankowania wodoru składać się będzie z dwóch budynków (sprężarkownia i zaplecze socjalno-techniczne) oraz infrastruktury technicznej. Wysepka z dystrybutorem do tankowania samochodów osobowych i autobusów będzie ogólnie dostępna dla użytkowników, przy czym wysepka ta będzie oddzielona murem oporowym od części technologicznej oraz stanowiska napełniania bateriowozów.
Realizacja projektu
Jak już wspomniano, inwestycja będzie kosztowała ok. 10 mln euro i zostanie dofinansowana w 20 procentach ze środków unijnych.
Jak poinformował Zarząd Grupy LOTOS, spółka w ramach swojej strategii do roku 2022 wskazała, jako jeden z priorytetów, rozwój projektów dotyczących paliw alternatywnych. Jest to działalność innowacyjna, z której istotne przychody mogą pojawić się w przyszłości. Grupa LOTOS współpracuje w tym zakresie z samorządami. W 2018 roku podpisano z Gdynią oraz Wejherowem listy intencyjne w sprawie dostaw wodoru do napędu autobusów miejskich.
Wizualizacja punktu ładowania wodorem
Artykuł ukazał się drukiem w "Magazyn Ex. Bezpieczeństwo techniczne i przemysłowe", nr1/2019 (37)