Vedyn kuljetus ja varastointi

Fossiiliset polttoaineet ovat käyttövoimana useimmissa nykyisissä infrastruktuureissa, mutta poltettaessa niistä vapautuu saasteita, etenkin hiilidioksidia. Tämä on kasvihuonekaasu (GHG), joka on yhdistetty ilmaston lämpenemiseen ja ilmastonmuutokseen.

Vetyä poltettaessa sitä vastoin syntyy vaaratonta vesihöyryä ja jonkin verran typpioksidia (NOx) - ei hiilidioksidia eikä muita saasteita, kuten rikkidioksidia (SOx). Lisäksi vety sopii moniin olemassa oleviin maakaasuturbiineihin, joissa on polttomoottorit. Ne voivat toimia vedyllä, maakaasulla tai molempien sekoituksella. Vety on kuitenkin vaarallinen aine, jos sitä käsitellään väärin.

Ensinnäkin sen molekyylit ovat kaikista elementeistä pienimpiä, joten vuoto - joka aiheuttaa tulipalon ja räjähdysvaaran - säiliöistä ja putkistoista on vakava huolenaihe. Erityistä huomiota on kiinnitettävä näiden järjestelmien tiivistämiseen käytettyihin materiaaleihin ja tekniikoihin, kuten liittimiin, tiivisteisiin, venttiileihin ja muihin tiivistyslaitteisiin. Ympäristönvalvontalaitteita, kuten liekinilmaisimia ja palavien kaasujen ilmaisimia – tai inline-laitteita, kuten paine- ja lämpötilalähettimiä – on käytettävä havaitsemaan epänormaalit tapahtumat, kuten suojarakenteiden heikkeneminen. Koska vety on kaksiatominen, uudempia teknologioita, kuten infrapunapohjaisia ​​kaasunilmaisimia, joita usein käytetään maakaasusovelluksissa, ei voida käyttää vetykaasun havaitsemiseen.

Vuodot johtuvat ensisijaisesti haurastumisesta, joka useimmiten muodostuu teräksen ja muiden metallien absorboidessa vetyatomeja. Nämä atomit voivat yhdistyä muodostaen vetymolekyylejä, jotka diffundoituvat läpi metallin muodostaen materiaalia heikentäviä kuplia. Tämä aiheuttaa haurastumista ja halkeilua jopa ympäristön lämpötilassa. Siksi on tärkeää rajoittaa näitä ongelmia määrittämällä oikeat materiaalit sovelluksen perusteella.

Vedyn turvallinen varastointi on avaintekijä vety- ja polttokennoteknologian kehittämisessä.

Vetyä voidaan fyysisesti varastoida paineistettuna kaasuna tai kryogeenisena nesteenä. Paineistettua kaasumaista vetyä pidetään tyypillisesti säiliöissä 350-700 baarissa (5 000-10 000 psi:tä). Täysin nestemäistä vetyä voidaan säilyttää noin -253 °C:ssa (-423 °F), kun taas kryopuristettua vetyä voidaan säilyttää noin -233 °C:ssa (-387 °F). ¹ Kaasumaisen varastoinnin laitteistovaatimukset eivät ole niin suuria ja ne ovat huomattavasti taloudellisempia, mutta nesteenä varastoinnilla on etunsa, pääasiassa tällöin energian varastointitiheys paljon korkeampi

Nestemäistä vetyä on pitkään käytetty rakettien polttoaineena avaruuslaukaisuissa. Avaruudessa sitä on säilytetty painekaasuna tai kryogeenisenä nesteenä sylintereissä, putkissa ja pallomaisissa säiliöissä. Kaasumaisessa muodossa vetyä varastoidaan tyypillisesti sylintereihin. Pallomaiset säiliöt ovat kuitenkin paras valinta nestemäisen vedyn varastointiin pinta-alan minimoimiseksi, mikä korreloi suoraan ympäristön lämmönsiirron kanssa.

Vetyä voidaan varastoida myös materiaalipohjaisissa järjestelmissä kiinteiden aineiden pinnoille (adsorptio) tai niiden sisään (absorptio). Näitä menetelmiä kehitetään täyttämään polttoaineen tiheysvaatimukset ja lisäämään prosessin turvallisuutta, koska ne vähentävät vuotojen ja hallitsemattoman palamisen mahdollisuutta.

Kaikkiin vedyn varastointijärjestelmiin kuuluvat turvallisuustoimenpiteet:

• Varastointi tulee tehdä hyvin ilmastoiduissa, savuttomissa ulkotiloissa etäällä rakenteista, ajoneuvoista, lämmöstä, kipinöistä ja avotulesta
• Älä koskaan vedä, rullaa, liu'uta tai pudota säilytysastioita
• Käytä vedyn käsittelyyn vain kipinäsuojattuja työkaluja ja räjähdyssuojattuja laitteita
• Maadoita kaikki laitteet ja putkistot
• Tarkista vetyjärjestelmien vuodot säännöllisesti saippuavedellä, älä koskaan liekillä

Korkeatiheyksisen vedyn varastointivaatimukset asettavat merkittäviä haasteita kuljetusjärjestelmille. Vedyn energiatiheys on paljon pienempi kuin bensiinin, joten saman energiamäärän varastoimiseen tarvitaan suurempia säiliöitä. Yleisesti ottaen ajoneuvojen vetysäiliöt ovat suurempia kuin maakaasuversiot ja kestävät korkeampaa painetta.

Nämä lisätilavaatimukset heikentävät ajoneuvon toimintakykyä kuljettaa ihmisiä ja esineitä mukavasti ja tilatehokkaasti, ja lisäpaino vaikuttaa haitallisesti siihen, kuinka pitkän matkan ajoneuvo voi kulkea tietyllä energiamäärällä. Lisäksi vetypolttokennot vievät enemmän tilaa kuin polttomoottorit, lisäävät painoa ja tuovat mukanaan toisen mahdollisen vuotokohdan.

Vetykäyttöisiä autoja ja kuorma-autoja on saatavilla, mutta vetypolttoaineasemia on maailmanlaajuisesti rajoitettu määrä. Tämä tekee niistä epäkäytännöllisiä useimmille erityisesti jokapäiväisessä käytössä. Vetyinfrastruktuurin kehittyessä tämä voi kuitenkin muuttua.

Näistä haitoista huolimatta vetykäyttöisillä henkilöautoilla ja kaukoliikenteen kuorma-autoilla on merkittäviä etuja sähköajoneuvoihin verrattuna. Ne voidaan tankata minuuteissa tuntien sijaan, eikä varastoitu energia hajoa ajan myötä. Energian varastointitiheys on paljon suurempi kuin akkujen, kertoimella yli 100, mikä tekee polttoaineista paljon kevyempiä ja kompaktimpia kuin akut. Lopuksi nykyaikaisten akkujen valmistukseen tarvittavista materiaaleista, erityisesti litiumista, on pulaa, kun taas vetypolttokennojen valmistukseen tarvittavia materiaaleja on runsaasti. ²

Kun kaasumaista vetyä tuotetaan, se voidaan kuluttaa paikallisesti, puristaa ja johtaa läheisiin varastosäiliöihin, puristaa ja täyttää sylintereihin kuljetusta varten tai nesteyttää varastointitiheyden tai pitkän matkan kuljetuksen parantamiseksi. Vedyn kuljetus tapahtuu tyypillisesti putkistoa pitkin, kuorma-autolla, rautateillä tai laivalla. Putkilinjastoja käytetään useimmiten lähellä sijaitsevien tuotantolaitosten ja kuluttajien välillä sekä laajemmilla maantieteellisillä alueilla, joilla odotuksena on vakaa, pitkän aikavälin kysyntä.

Lyhyillä matkoilla kuorma-autokuljetus tapahtuu yleisimmin joko pitkänomaisissa korkeapainesylintereissä, jotka on pinottu putkiperävaunuun, tai nestevetysäiliöaluksissa kryogeenisissa lämpötiloissa. Junavaunuja käytetään nestemäisen vedyn kuljettamiseen keskipitkillä matkoilla, kun taas laivat ottavat raskaita kuormia pitkän matkan kuljetuksiin.

Tutkimus jatkuu pyrkimyksenä kehittää elinkelpoisia kompakteja vedyn varastointijärjestelmiä, jotka ovat turvallisia käytettäväksi sekä ajoneuvoissa että asennuksissa. Yhdessä elinkelpoisen vedyntuotannon kanssa kuljetuksen ja varastoinnin kehitys edistää vetytaloutta.

Koska teollisuus pyrkii vähentämään hiilidioksidipäästöjä ottamalla käyttöön vetyä ja muita vaihtoehtoisia polttoaineita, asianmukainen koulutus on ensiarvoisen tärkeää näiden järjestelmien turvallisen suunnittelun, asennuksen, käytön ja huollon varmistamiseksi.