25.08.2023
Водород (H2) играет важную роль в современной дискуссии об энергетическом переходе. Он является самым распространенным элементом во Вселенной, но встречается только в связанном виде. В газообразном состоянии он примерно в 14 раз легче воздуха и горит без остатка. H2 обладает высокой плотностью энергии и поэтому хорошо подходит для замены ископаемых видов топлива, таких как уголь или природный газ. Поскольку в природе он присутствует преимущественно только в связанном виде, его необходимо освободить от носителей. Это происходит, например, в случае воды (H2O) путем электролиза - если электроэнергия поступает из возобновляемых источников, то мы говорим о "зеленом" водороде - или в случае метана (CH4) - основного компонента природного газа - путем паровой реформации или пиролиза. При реформации в качестве побочного продукта образуется CO2 (голубой водород), а при пиролизе - CO (бирюзовый водород). Оба вещества могут быть использованы для дальнейшей переработки в качестве сырья или хранения (CCS).
Получаемый H2 чрезвычайно летуч из-за своей очень низкой плотности, что делает его транспортировку к потребителям очень сложной. В газообразном состоянии возможна транспортировка по трубопроводам, в сжиженном виде водород может доставляться потребителю в изолированных цистернах или автоцистернах. В этом случае следует ожидать не очень больших колебаний. Кроме того, H2 обладает свойством охрупчивать материалы, что необходимо учитывать при определении срока службы и конструкции всех элементов установок. В частности, для производства "зеленого" водорода необходимо обеспечить на производственной площадке наличие не только достаточного количества "зеленой" электроэнергии, но и, в частности, достаточного количества воды наилучшего качества.
Что происходит в электролизере?
Основу электролизера составляет цилиндрический корпус (электролизный модуль), в котором две камеры разделены мембраной. В каждой камере находится электрод (анод/катод). Модуль обычно выпускается различными производителями в едином типоразмере. Для достижения требуемой производительности системы определенное количество модулей объединяется в так называемый стек. В настоящее время используются два процесса. Электролиз AEL (щелочной электролиз) и электролиз PEM (протонообменная мембрана). Оба процесса имеют свои преимущества и недостатки, причем процесс ПЭМ особенно подходит для работы с переменчивыми источниками энергии (ветер/солнце). В упрощенном виде работа электролизера ПЭМ может быть описана следующим образом: В две камеры подается предварительно подогретая вода, по крайней мере, питьевого качества. Рабочая температура 50-80°C. При подаче напряжения она разделяется на составляющие H2 и ½ O. При этом из 9 кг H2O получается 1 кг H2. Со стороны анода кислород, а со стороны катода водород удаляются через теплообменники и газосепараторы. В зависимости от задач установки кислород выбрасывается в окружающую среду или используется в других целях (например, для очистки сточных вод).
Как осуществляется мониторинг?
Как и во многих других случаях, процессы производства H2 должны подвергаться аналитическому контролю. При этом основное внимание уделяется соблюдению спецификаций LEL и SIL. Для всех производственных процессов предпочтительным аналитическим методом является экстракционный газовый анализ. Перед тем как проба газа поступает в анализатор, из нее удаляется остаточная влага, чтобы защитить измерительную ячейку и не фальсифицировать измеренные значения.
Исходя из нашего многолетнего опыта оснащения и проектирования анализаторных систем для газового анализа, мы предлагаем использовать для этих целей систему экстрактивного кондиционирования под давлением. В принципе, она строится следующим образом:
Поскольку в процессе электролиза не ожидается попадания твердых частиц в пробоотборный газ, достаточно простых точек отбора проб, предпочтительно на каждом выходе модуля. Из них пробоотборный газ всасывается специальным насосом, способным также перекачивать возможный конденсат, и под небольшим избыточным давлением подается в охладитель пробоотборного газа.
При определении требуемого расхода необходимо учитывать более низкую плотность водорода на стороне H2, чтобы можно было дросселировать его до нужного расхода перед анализатором. Если в производственном процессе уже имеется достаточное давление и расход, то от насоса можно отказаться. Влага отделяется в охладителе, и сухой пробоотборный газ подается в анализатор(ы). Избыточное давление в пробоотборном газе предотвращает попадание постороннего воздуха и обеспечивает неизменность результатов измерений. В то же время избыточное давление вытесняет конденсат из системы через соответствующий автоматический конденсатоотводчик. Расход и избыточное давление постоянно контролируются соответствующими устройствами. Трубопровод от точки отбора через головку насоса до автоматического конденсатоотводчика выполнен из нержавеющей стали. Такая же конструкция системы рекомендуется для контроля кислорода, который также накапливается. Для системы мониторинга рекомендуется использовать воздушный корпус из-за больших колебаний H2. Компоненты, используемые в системе, проходят специальные процедуры в процессе производства. Их пригодность для применения в системе H2/O2 подтверждена частично.
Такая конструкция системы позволяет свести к минимуму смесь материалов в системе очистки, обеспечивает оптимальный срок службы и неизменность результатов измерений.
