Dzięki unijnej dotacji wkrótce ruszą prace nad stworzeniem wysokociśnieniowych zbiorników kompozytowych do transportu wodoru tzw. rurowozami. Pozwolą na przewożenie i gromadzenie aż 1,5 tony tego gazu pod ciśnieniem 700 bar. Rozwiązanie – znacznie przekraczające dotychczasowe możliwości zbiorników na wodór – opracuje międzynarodowe konsorcjum, w którym są naukowcy z Wydziału Mechanicznego PWr.

Prace nad zbiornikiem są możliwe dzięki dotacji przyznanej przez Komisję Europejską. Projekt „ROAD TRHYP*” zyskał 2,5 mln euro dofinansowania z programu Horyzont Europa.

Pracami pokieruje Air Liquide – francuskie przedsiębiorstwo chemiczne działające na globalnym rynku i specjalizujące się w wytwarzaniu gazów przemysłowych. W konsorcjum są także inne europejskie firmy z dużym doświadczeniem w rozwijaniu technologii wodorowych i kompozytowych: Covess NV Belgium, Arkema France, Segula Slovensko i Envitest J. Pacholski oraz instytucje naukowe – francuska organizacja rządowa Centre National de la Recherche Scientifique i Politechnika Wrocławska.

Na naszej uczelni badania będą prowadzić naukowcy z Katedry Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej, kierowani przez dr. inż. Pawła Gąsiora.

Zbiorniki do transportu i magazynowania

Konsorcjum zajmie się opracowaniem zbiorników, które pozwolą na transport bardzo dużych ilości wodoru – co jest kluczowe w kontekście wykorzystywania tego gazu jako bardziej ekologicznej alternatywy dla m.in. paliw kopalnych.

Naukowcy i specjaliści z firm uczestniczących w projekcie będą więc pracować nad  wysokociśnieniowymi zbiornikami kompozytowymi (typu V) o dużych objętościach, służących do transportu wodoru przy pomocy tzw. rurowozów (z ang. tube-trailers).

Mają one pomieścić aż 1,5 tony tego gazu, przechowywanego pod ciśnieniem 700 bar. Uczestnicy projektu zobowiązali się też, że koszt wytworzenia tego zbiornika będzie niższy niż 400 euro na kilogram przewożonego wodoru.

–  Pod każdym względem nasze rozwiązanie będzie więc znacznie przewyższało te obecnie wykorzystywane – zaznacza dr Gąsior. – Do tej pory konstruowano zbiorniki do transportu maksymalnie 800 kg wodoru, a koszt ich produkcji w przeliczeniu na kilogram waha się od 600 do 800 euro.

Zbiorniki będą mogły służyć nie tylko do przewożenia wodoru z miejsca jego produkcji do np. stacji tankowania pojazdów na wodór (w przypadku, gdy nie da się go tam transportować rurociągiem), ale także do magazynowania tego gazu.

Jak tłumaczą naukowcy, miejsca, które pozyskują energię ze źródeł odnawialnych jak fotowoltaika czy turbiny wiatrowe, mogą łączyć takie instalacje z elektrolizerem produkującym wodór. W momentach nadmiarowej produkcji energii byłaby ona przetwarzana na wodór i magazynowana w zbiorniku, a w okresie zastoju (przy braku słonecznej pogody czy wiatru) wodór byłby przetwarzany na energię.

Piąta generacja, czyli jaka?

Obecnie w branży technologii wodorowych coraz powszechniej stosowane są zbiorniki tzw. czwartej generacji. W przeciwieństwie do wcześniejszych rozwiązań niemal nie mają w sobie elementów metalowych (poza przyłączami do mocowania „butli”). Liner, czyli część bezpośrednio odpowiadająca za zatrzymanie gazu w środku, jest w nich zbudowany z tworzyw takich jak polietylen.

W projekcie „ROAD TRHYP” konstruktorzy chcą pójść jeszcze dalej, tworząc zbiorniki piątej generacji. W praktyce oznacza to, że w ogóle nie będą miały linera, który zawsze stanowi najsłabsze ogniwo w kontekście bezpieczeństwa zbiornika.

– Szczelność będzie w nich zapewniała warstwa wewnętrzna z termoplastycznego tworzywa, która w procesie produkcyjnym przeniknie w strukturę kompozytową zbiornika niczym żywica – tłumaczy dr Gąsior.

Ekstremalne testy na PWr

Na naszej uczelni zbiorniki będą przechodziły właśnie badania związane z ich bezpieczeństwem.

– Będą to badania hydrauliczne, bo większość takich testów prowadzonych na zbiornikach gazowych jest realizowana z użyciem substancji ciekłych jak woda, glikol czy olej hydrauliczny – tłumaczy dr Gąsior. – Przeprowadzimy szereg testów mechanicznych, wytrzymałościowych, a także badania cykliczne-zmęczeniowe w temperaturach pokojowych i ekstremalnych.

Jak tłumaczy prof. Jerzy Kaleta z Katedry Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej, takie testy służą określeniu, czy zbiorniki na wodór spełnią bardzo wyśrubowane normy bezpieczeństwa. Pozwalają one na określenie wartości granicznych dla tych konstrukcji.

– Dlatego naszym zadaniem jest np. rozrywanie takich butli przy obciążeniach qusistatycznych, badanie cykliczne odpowiadające procesowi tankowania i roztankowania, programowane uszkadzanie butli i sprawdzanie jej resztkowej wytrzymałości, badania penetracyjne powłoki kompozytowej z wykorzystaniem broni czy testowanie w niskich (arktycznych) lub wysokich (tropikalnych) temperaturach – wyjaśnia. – Musimy sprawdzić, jaka jest wytrzymałość takiego zbiornika i czy jego zawór bezpieczeństwa zadziała tak jak powinien, czyli stopniowo upuszczając niewielkie ilości gazu, który się wypali, żeby nie doprowadzić do rozerwania „butli”. Wszystkie te badania prowadzimy w naszym Laboratorium Zbiorników Wysokociśnieniowych z wykorzystaniem zaawansowanych urządzeń, jako że takie zbiorniki są budowane z niezwykle wytrzymałych materiałów, w tym tzw. wysokomodułowych włókien węglowych.

Nasi naukowcy wysokociśnieniowym gromadzeniem wodoru zajmują się już od kilkunastu lat, współpracując z największymi firmami z tej branży z całego świata. W Katedrze Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej prowadzą zarówno prace badawczo-rozwojowe (na koncie mają m.in. siedem projektów zrealizowanych dzięki finansowaniu z programów ramowych UE**), jak i prace rozwojowe na potrzeby partnerów przemysłowych oraz badania w ramach certyfikacji gotowych zbiorników.

– To są wieloletnie współprace, które wynikają z pozycji, na jaką zapracowaliśmy – podkreśla prof. Kaleta. – Jesteśmy rozpoznawani na świecie jako ośrodek prowadzący takie badania, a nasze laboratorium pracuje niemal przez całą dobę. To zaufanie i renoma pozwalają nam z powodzeniem, wspólnie z partnerami, starać się o granty takie jak „ROAD TRHYP”.

Prace nad tym projektem będą wyjątkowe, bo po raz pierwszy w Laboratorium Zbiorników Wysokociśnieniowych zostaną przebadane „butle” o tak dużych objętościach i tak wysokim ciśnieniu pracy. Dlatego wkrótce pracownia przejdzie przebudowę i zostanie doposażona w nowy sprzęt, co zwiększy techniczne możliwości prowadzenia testów.

– W ostatnim czasie dostajemy coraz więcej zapytań o badania na dużych zbiornikach, dlatego taki rozwój laboratorium będzie nieunikniony – dodaje dr Gąsior.

Dlaczego wodór?

Wodór jako neutralny klimatycznie gaz przyszłości wskazują założenia przyjęte przez Unię Europejską w Europejskim Zielonym Ładzie, a także uchwalony niedawno w związku z sytuacją w Ukrainie plan REPowerEU. Za tymi decyzjami idą wielomiliardowe inwestycje w rozwijanie technologii wodorowych.

Wodór odnawialny (popularnie nazywany zielonym) ma nam bowiem służyć jako neutralny dla środowiska nośnik energii, ale nie tylko. Może być wykorzystywany także do produkcji zielonego amoniaku (a w efekcie do wytwarzania nawozów), zielonego metanolu (jako paliwo alternatywne dla żeglugi, w tym dla kontenerowców, które są odpowiedzialne za wysoką emisję dwutlenku węgla) czy zielonej kerozyny (neutralnego pod względem emisji CO₂ paliwa lotniczego). Badania prowadzone m.in. na naszej uczelni są kolejnym krokiem w zapewnieniu powodzenia takich rozwiązań, a także bezpieczeństwa energetycznego w UE.

* ROAD TRHYP – akronim projektu, jego pełna nazwa to „ROAD trailer design - use of Type V theRmoplastic tube with light composite structure for HYdrogen transport”.

** Te projekty to StorHy, InGas, HyComp, Copernic, HyPactor, HyCube.

Lucyna Róg