Ожидается, что «зеленый» водород, вырабатываемый с использованием возобновляемых источников энергии, станет важным элементом в будущей углеродно-нейтральной экономике. Сегодня при транспортировке и хранении водорода в промышленных масштабах зачастую используется технология сжижения, что подразумевает необходимость работы с чрезвычайно высокими давлениями (350-700 бар), либо с чрезвычайно низкими температурами (-253°C). Такие специфические условия хранения, недостаточно развитая инфраструктура, отсутствие сети заправок сжатым водородом представляют собой основные проблемы для более широкого использования водорода в транспортном секторе.
Технология хранения водорода с использованием жидкого органического носителя (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC) обеспечивает эффективное альтернативное решение задачи хранения и транспортировки водорода за счет химического связывания. Существенный плюс такого подхода состоит в том, что даже в насыщенном водородом состоянии LOHC остается стабильной негорючей жидкостью и может храниться при давлении и температуре окружающей среды. Эта технология устраняет необходимость работы при экстремальных давлениях и температурах, делает весь процесс намного более безопасным и практичным. Появляется возможность использовать традиционные топливно-распределительные сети.
Два ключевых процесса технологии LOHC – гидрирование (загрузка) и дегидрирование (выгрузка) органического носителя, в качестве которого выступают ненасыщенные, в основном ароматические соединения (циклоалканы, N-гетероциклы, муравьиная кислота). Поглощение водорода осуществляется в каталитической реакции гидрирования ненасыщенного носителя (LOHC-). Реакция проводится при давлениях 30-50 бар, температурах 150-200°С и является экзотермической, с выделением тепла, которое может отводиться и в дальнейшем использоваться для технологических (хозяйственных) нужд. В результате гидрирования образуется соответствующее насыщенное соединение (LOHC+). Оно очень стабильно и, как уже отмечалось выше, его можно хранить и транспортировать при атмосферном давлении и температуре окружающей среды.
Обратная реакция дегидрирования насыщенного водородом носителя (LOHC+) является эндотермической (с поглощением тепла) и протекает при еще более высоких температурах 250–320°C, давлениях порядка 2 бар. Эта реакция также является каталитической. Подавая на вход реактора насыщенный жидкий LOHC+, на выходе получается газообразный водород и ненасыщенный жидкий LOHC-. Перед последующим использованием водород необходимо очистить от паров LOHC. Для повышения эффективности процесса дегидрирования водород и LOHC-, покидающие реактор и имеющие высокую температуру, подаются в теплообменник, где происходит предварительный нагрев LOHC+. На этом цикл загрузки/выгрузки водорода завершается.
Жидкий носитель пригоден для многократного использования, стабилен как в ненасыщенном, так и насыщенном состоянии. А в целом технология LOHC удобна, безопасна и способна обеспечить огромную емкость хранения водорода.
Для оптимизации процессов гидрирования/дегидрирования LOHC (температуры, давления, типов катализаторов) был разработан исследовательский комплекс с использованием продукции Bronkhorst®. Приборы должны были обеспечивать точную и воспроизводимую подачу жидкого носителя и газообразного водорода. Важно отметить, что вязкость носителя в гидрированном и дегидрированном состоянии сильно отличается. Исходный жидкий носитель LOHC- имеет консистенцию, близкую к воде. А после реакции гидрирования вязкость LOHC+ значительно увеличивается, и жидкость становится похожей на мед.
В одной установке исходный LOHC- должен был подаваться при высокой температуре и высоком давлении в реактор. Давление предварительно подогретой жидкости создавалось с помощью насоса Wadose с нагревательным элементом. Для измерения и регулирования подачи LOHC- использовался кориолисовый расходомер CORI-FLOW в высокотемпературном исполнении, при котором блок управляющей электроники устанавливался отдельно от измерительной части. Расходомер был укомплектован регулирующим клапаном, управляемым встроенным в прибор PID-регулятором. Прибор CORI-FLOW получал сигнал уставки и сам подбирал управляющий сигнал на клапан так, чтобы измеренный расход совпадал с заданным.
Источником газообразного водорода в этой установке выступал электролизер, получавший электроэнергию от возобновляемого источника энергии (ветряная электростанция). После электролизера в магистраль был установлен регулятор давления «после себя» cерии IN-PRESS, позволявший устанавливать давление газа, подаваемого в реактор. Следом за регулятором давления был установлен измеритель расхода водорода miniCORI-FLOW, позволявший фиксировать количество (массу) подаваемого газа.
Жидкий органический носитель LOHC+, прошедший через реактор, за счет перепада давлений сам поступал в резервуар для хранения. Впоследствии из этого же резервуара LOHC+ закачивался во вторую установку для исследования процессов дегидрирования. Для дозирования этой вязкой жидкости применялась система дозирования по массе на основе кориолисового расходомера miniCORI-FLOW, управлявшего работой насоса HNP. Встроенный в miniCORI-FLOW PID-регулятор формировал управляющий сигнал на насос, чтобы мгновенный расход максимально соответствовал заданному. Насосы HNP успешно справлялись с прокачкой настолько вязкой жидкости и обеспечивали необходимое давление в реакторе.
LOHC- после реактора второй установки под действием перепада давления поступал в исходный резервуар. И был готов к следующему циклу исследований. В выходной водородной линии был установлен кориолисовый измеритель расхода miniCORI-FLOW, фиксирующий количество (массу) полученного газа. Газ предварительно проходил через теплообменник, поэтому его температура была близка к комнатной. Далее водород поступал в водородный топливный элемент, где преобразовывался в электрическую и тепловую энергию. Вырабатываемый электрический ток подавался на полезную нагрузку.
В разработанном комплексе сразу несколько приборов Bronkhorst® решали сразу несколько важных задач:
- Создание давления в реакторе
- Перекачка LOHC
- Измерение и регулирование расхода
- Измерение плотности
- Измерение температуры
В итоге исследователи получили в свое распоряжение многофункциональное решение.
По материалам статьи Hydrogen storage in Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC)
