Водень замість газу: результати перших українських досліджень

Українські енергетики та науковці зацікавилися використанням водневих технологій вже давно, більше 30 років тому. Використання водню з газом здатне значно підвищити екологічність газу. А у чистого водню взагалі досить амбітні перспективи.

Влітку 2020 компанія РГК першою взялася випробовувати водень у власних мережах. І залучила до процесу науковців.

Під час VI Українського газового форуму Східно-європейське газове партнерство, що відбувся у кінці жовтня, українські науковці представили перші результати досліджень використання водню та газоводневої суміші у мережах та побутових приладах.

Читайте детальніше: ЧЕТВЕРТА ІНДУСТРІАЛЬНА РЕВОЛЮЦІЯ: ЯК ВОДНЕВІ ТЕХНОЛОГІЇ ЗМІНЯТЬ УКРАЇНУ

Мережі низького тиску – попередньо придатні для водню

Результати випробування дослідних газових мереж на герметичність при заповненні воднем показали, що ділянки середнього тиску при роботі на водні мали значні витоки. І не відповідали вимогам герметичності. Натомість ділянки низького тиску цим вимогам попередньо відповідали, розказав к.т.н. Кирило Костогриз. 

Випробування проводилися на дослідних полігонах, де були змонтовані макети газових мереж з повною відповідністю існуючим газорозподільним мережам. 

Дослідники з'ясували, що падіння тиску у мережах середнього тиску складало від 0,24 до 0,4% за годину і перевищувало допустиму норму у 2,5-4 рази.

На одній ділянці середнього тиску зафіксували місце витоку, де концентрація водню мала дуже високе значення і наближалася до небезпечної межі. Витік був усунутий. Подальше випробування на цьому полігоні показало значне зниження падіння тиску до 0,09% за годину. Що вже відповідало допустимому нормативу герметичності для технологічних газопроводів.  

У газопроводах низького тиску на всіх полігонах падіння тиску було незначним – у середньому 0,01% на годину. 

Типові зафіксовані місця витоків – зварні шви, навіть високоякісні. Це було несподівано, відзначив Костогриз. Також не втримали водень різьбові та муфтові з'єднання із застосуванням сучасних спеціалізованих ущільнюючих матеріалів, та місця під'єднання датчиків.

«За результатами досліджень вже є можливість сформулювати напрямки робіт по технічному переоснащенню розподільних мереж та вирішенню супутніх проблем», – зазначив Костогриз.

Вибухонебезпечність водню: загроза перебільшена

У Івано-Франківському Національному Технічному Університеті дослідники виконали математичне моделювання наслідків вибуху суміші водню. З'ясували, що навіть за умови тиску 4 кг 100%-вого водню на відстані 4 метрів серйозних наслідків для життя і здоров'я людей немає. Є невеликий ризик невідновлюваних руйнувань будівель і споруд, розказав професор ІФНТУ Максим Карпаш.

Також значним виявився вплив температур середовища на водневу суміш. 

«Зміна температури може сильніше впливати, ніж зміна тиску за показами манометрів, що є нетиповим викликом», – зауважив Карпаш.

З наступних етапів, які бачать дослідники – потрібно розробити і випробувати дослідження впливу різних концентрацій водню на якість одоризації (надання запаху газовій суміші). Також – дослідити типові використовувані прилади. І окремо дослідити проблему мікровитоків газоводневої суміші. 

Читайте також: ПРОФЕСОР СТЕПАН КУДРЯ: МИ ПРАЦЮВАЛИ НАД ВОДНЕВИМИ ТЕХНОЛОГІЯМИ ЩЕ 30 РОКІВ ТОМУ

Побутові прилади і використання водню              

Завідувач відділу високотемпературного тепломасообміну Інституту газу НАНУ Борис Сорока розказав, які результати отримали дослідники на Житомирському полігоні, вивчаючи можливість роботи суміші водню у побутових приладах.

Випробування проводили на побутовій газовій плиті і нагрівальному бойлері. Результати експериментальної частини показали, що 50% концентрація водню у метані є найоптимальнішою для безпечного згорання. 

Стосовно забруднюючого фактору метано-водневої суміші, то експерименти показали, що чим більший вміст водню в суміші, тим нижче утворення оксиду вуглецю. 

Крім того, при спалюванні суміші з воднем дослідники отримали нижчий рівень утворення оксиду азоту, ніж при спалюванні чистого природного газу. Причому – чим вища була концентрація водню, тим менше оксиду азоту утворилося. Досі наука стверджувала, що спалювання газу без домішок – найчистіше. Дослідники пояснили цей ефект згорянням водню і утворенням водної пари.

«Перші результати використання 50%-ї суміші водню і газу є багатообіцяючими. Але потрібні подальші дослідження», – підсумував Борис Сорока.

Читайте також: ВЧЕНИЙ: ДОДАВАННЯ В ГАЗ ВОДНЮ ПОЛІПШИТЬ ЕКОЛОГІЮ

Матеріали для транспортування водню

Провідний науковий співробітник Фізико-механічного інституту ім.Г.В.Карпенка Григорій Никифорчин розказав про ризики руйнування трубопроводів під дією водню.  

Результати отримали внаслідок досліду по оцінці стану тривалоексплуатованих транзитних газопроводів. 

Никофорчин пояснив, що навіть через невелику вологість газу можлива конденсація вологи на внутрішній поверхні труб, що розпочинає процес корозії, який є джерелом водню. І частина утвореного водню абсорбується металом у атомарному стані і може проходити через усю стінку труби. Тобто, навіть при транспортуванні природного газу є небезпека наводнювання труб. 

Коли додатково наповнювати трубу молекулярним воднем, можливо наводнювання стінки труби з боку внутрішньої поверхні у випадку дисоціації (розкладання) молекулярного водню на атомарний. Тільки атомарний водень може проникати і шкодити матеріалу, пояснив науковець. 

Чи є зв'язок між першим і другим механізмом наводнення – поки що дослідники не з'ясували. Але загалом наводнення труб шкодить їхній надійності. За підрахунками науковців істотно крихким матеріал стає через 53 роки експлуатації. Якщо існують мікропошкодження труб – це в рази підвищує небезпеку їх крихкості. І процес наводнення активно цьому сприяє.

Однак, якщо метал труби трубопроводу матиме низьку чутливість до водневої крихкості – негативний вплив водню може і не проявитися, зауважив науковець. 

Загалом усі спікери зійшлися на думці, що дослідження необхідно продовжувати. Поки що лише перша стадія і є ще чимало того, що  треба з'ясувати експериментально і проаналізувати. Зокрема, науковцям, які працюють над питаннями використання водню, варто об'єднувати зусилля і ділитися результатами, проводити спільні дослідження. 

Також дослідники акцентували на питанні відсутності в Україні нормативної бази для застосування водню взагалі, і в газотранспортній мережі зокрема. Її теж треба напрацьовувати.