Kompozyty vs. stal – poznaj zalety wysokociśnieniowych zbiorników wodoru typu IV wykonanych z kompozytów

Wzrastające zainteresowanie zastosowaniem wodoru stawia przed inżynierami i projektantami wyzwania związane z jego bezpiecznym i efektywnym przechowywaniem. W niniejszym artykule bierzemy pod lupę zbiorniki typu IV i przyglądamy się głównym różnicom oraz korzyściom płynącym z wykorzystania kompozytów w porównaniu do konstrukcji stalowych.

Podchodząc do omówienia zalet zbiorników wodoru wykonanych z danego materiału należy rozważyć wiele aspektów, w tym między innymi:

• aplikację w której będzie zastosowany zbiornik wodoru (na niniejszej stronie opisujemy poszczególne przeznaczenia, typy, normy i przepisy),
• możliwy największej pojemności gabaryt zbiornika (a zwłaszcza duża długość) celem ograniczenia kosztów niezbędnej armatury zaporowej i zabezpieczającej, w jaką musi być wyposażony każdy pojedynczy zbiornik wodoru,
• warunki pracy (szczególnie ciśnienie oraz ilość przewidywanych cykli napełniania/opróżniania – mających wpływ na utratę pierwotnych własności wytrzymałościowych materiału użytego do wykonania zbiornika),
• zakładany okres żywotności zbiornika,
• budżet zaplanowany na realizację inwestycji,
• harmonogram realizacji projektu oraz dostępność zbiorników w czasie (czas dostawy),
• bliskość i dostępność serwisu producenta oraz możliwość scedowania okresowych przeglądów na dostawcę/wytwórcę zbiornika, tak by zapewnić ciągłość eksploatacji układu,
• tryb oraz koszty prac serwisowych, remontowych oraz czynności konieczne do wykonania podczas okresowych rewizji zbiorników celem dopuszczenia ich do dalszej eksploatacji,
• na ile istotna jest masa zbiornika,
• zakładany ślad węglowy zbiornika (etap wytworzenia) oraz całego układu (etap pracy w okresie lifetime), a także realizacja założeń gospodarki cyrkularnej i zrównoważonego rozwoju (oraz możliwość i stopień recyklingu),
• spełnienie przyszłych norm i atrakcyjności instalacji względem obowiązujących standardów i poziomu technicznego na rynku.

Walory i zalety zbiorników tworzywowych kompozytowych wodoru typu IV

BEZPIECZEŃSTWO ZBIORNIKÓW WODOROWYCH

Mówiąc o istotnych aspektach konstrukcji kompozytowych dla zbiorników wodorowych typu IV należy na wstępie podkreślić ich wysoki poziom bezpieczeństwa oraz długi projektowany czas trwałości, nawet w środowiskach trudnych i niebezpiecznych.

Ma on związek z wysoką wytrzymałością materiałów, w tym tak zwaną wytrzymałością zmęczeniową. W praktyce eksploatacyjnej oznacza to odporność na wiele cyklów tankowania/opróżniania zbiornika (przykładowo rzędu 11 tyś. – 15 tyś.). Dlatego też na rynku podaje się, że żywotność stacjonarnych zbiorników magazynowych wodoru sięga nawet 30 lat (w przypadku przeznaczenia do automotive / Mobility, czyli do pojazdów, stosuje się wyłącznie zbiorniki kompozytowe, których okres użytkowania ogranicza ECE R 134).

Kolejną kwestią dotyczącą bezpieczeństwa pracy układu jest możliwość zastosowania systemu czujników do monitoringu stanu technicznego ścianki każdego zbiornika, odwzorowania konstrukcji w postaci cyfrowego bliźniaka oraz stałej rejestracji warunków pracy zbiornika wraz z retransmisją sygnałów do systemu on-line i lokalnych typu Scada/DCS. Dodatkowo dzięki danym i raportom można zapewnić opcję przedłużenia projektowanego czasu użytkowania zbiorników o dodatkowe okresy.

KOROZJA WODOROWA

W przypadku zbiorników typu IV należy podkreślić brak tzw. korozji wodorowej, jaka ma miejsce w metalowych zbiornikach wodoru typu I, II, III – jak powszechnie wiadomo korozja wodorowa w metalach zachodzi, zwłaszcza przy wysokich ciśnieniach, a o takich mówimy. Z kolei konieczność stosowania wybranych dedykowanych gatunków materiałów metalowych np. stal gatunku 316 do budowy zbiornika typu I powoduje diametralny wzrost kosztów tego typu konstrukcji.

Nasilenie degradacji metali postępuje zwłaszcza w wyniku oddziaływania naprężeń materiału, wówczas wodór próbuje wniknąć w strukturę materiału – przestrzenie międzykrystaliczne metalu, tam się łączy w cząsteczki, które kolejno powodują ciśnienie, naprężenia – grupa zjawisk związana z kruchością materiału na powierzchni, ale też z pęknięciami naprężeniowymi całej struktury materiału ścianki. Kruchość wodorowa jest zjawiskiem skrajnie nieliniowym (naprężenia w metalu oraz naprężenia cząstek wodoru, które wnikają w struktury, potęgują efekt degradacji materiału metalowego zbiornika wodoru).

WAGA ZBIORNIKÓW WODOROWYCH

Zbiorniki kompozytowe typu IV charakteryzuje niższa masa konstrukcji:

• o około 50-75% w porównaniu do zbiorników stalowych typu I,
• o około 7-12% w zestawieniu ze zbiornikami typu III posiadającymi liner metalowy.

Zbiorniki typu IV określone są na rynku mianem ultralekkich.

CZYSTOŚĆ WODORU

Analizując inne materiały wykonania zbiorników aniżeli typ IV (kompozyt + liner HDPE) – neutralność pod kątem zachowania czystości wodoru, zwłaszcza do klasy „automotive” (czyli o wysokiej klasie czystości na poziomie 99,999%) – spełniającego wymagania normy ISO 14687 grade D, porównując koszt inwestycji z zastosowaniem magazynów stalowych wodoru – należy uwzględnić koszt systemów oczyszczania, pomiaru, monitoringu klasy czystości wodoru wraz z raportowaniem.

REWIZJE I KOSZTY EKSPLOATACYJNE

Możliwość ograniczenia ilości rewizji oraz ich zakresu, a więc obniżenie kosztów wynikających z okresowych rewizji (zewnętrznych/wewnętrznych/prób ciśnieniowych – obowiązkowych wodnych dla zbiorników stalowych, stąd też konieczny demontaż, transport do specjalnych jednostek, badania w bunkrach ochronnych, opróżnienie, osuszenie, transport, montaż np. według standardu ECR 110 versus ocena wizualna i użycie endoskopu w konstrukcjach kompozytowych zbiorników) – w oparciu o przyjęty system obliczeń wytrzymałości, założenia na etapie projektowania (i zapisane na etapie uzgodnień dokumentacji projektowej okresy maksymalne między przeglądami).

Według opracowań i analiz w całym cyklu zbiorniki kompozytowe są najbardziej optymalnym rozwiązaniem.