Rozpędzająca się gospodarka wodorowa do pełnej funkcjonalności wymaga bezpiecznej infrastruktury. Do rozmowy zaprosiliśmy eksperta inż. Jakuba Pikulskiego – na co dzień zajmującego się instalacjami wodorowymi w STASTO Automation Sp.z o.o. - oraz współautora podcastu Uwaga Wodór!

Zielony wodór ma stanowić podstawę transformacji energetycznej. Jakie wyzwania stoją przed tym sektorem?

Największe wyzwania w rozwoju bezpiecznych i niezawodnych instalacji wodorowych związane są z naturą samego gazu. Wodór posiada najmniejsze cząsteczki ze wszystkich pierwiastków chemicznych, które mogą łatwo migrować przez najwęższe szczeliny oraz dyfundować do wnętrza materiałów osłabiając ich strukturę, a w konsekwencji prowadząc do pęknięć i wycieków.

Wodór jest bezbarwny i bezwonny, zatem takie wycieki są trudne do wykrycia, a przy tym bardzo niebezpieczne. Do jakich parametrów należy taką instalację dostosować, aby była bezpieczna i funkcjonalna?

Dokładnie, dotyczy to w szczególności zamkniętych pomieszczeń, w których już niewielkie ilości wodoru w połączeniu z powietrzem mogą stworzyć mieszankę wybuchową. Sytuacje utrudniają także wymagające warunki pracy aplikacji wodorowych, gdzie mamy często do czynienia z wysokimi ciśnieniami - sięgającymi nawet 1000 bar, ekstremalnymi temperaturami pracy, narażeniem na ekstremalne warunki meteorologiczne, wibracje czy wzmożoną intensywność użytkowania. Analiza zagrożeń wykazała, że wycieki wodoru pochodzą najczęściej z zaworów, złączek oraz połączeń, w których znajdują się uszczelki.  Wiąże się to z faktem, że wraz z upływem czasu oraz na skutek użytkowania elementy eksploatacyjne, takie jak uszczelki, tracą swoje właściwości: przykładowo guma twardnieje czy ulega erozji, chociażby na skutek tarcia. Przy tak przenikliwym medium, jakim jest wodór, nawet minimalna zmiana grubości i elastyczności materiału sprawia, że pojawia się wyciek.

Czy można przystosować elementy infrastruktury takie jak zawory i elementy złączne do pracy z wodorem, żeby zapewnić ich odpowiednią szczelność, trwałość i bezpieczeństwo? Na co należy w szczególności zwrócić uwagę, które z tych elementów stanowią punkty krytyczne?

Trzeba zwrócić szczególną uwagę na kilka aspektów. Opowiem kilka słów o każdym z nich. Pierwszym punktem jest przenikliwość wodoru - czyli najprościej ujmując -  tak jak wcześniej wspominałem, jest to jego zdolność do "prześlizgiwania się" przez struktury materiałów, z których zbudowane są, chociażby zbiorniki do jego przechowywania czy transportu.

Drugim aspektem jest kruchość wodorowa. Materiały, z których wykonany jest zawór, muszą być odporne na kruchość wodorową, tak aby zapewnić jak największe bezpieczeństwo, np. korpus zaworu powinien być wykonany z materiałów odpornych na kruchość wodorową, np. ze stali kwasoodpornej 316L. Najlepiej, jeśli jest on wykonany z kutego monobloku, a nie z odlewu, bo mamy wtedy mniejszą porowatość materiału i utrudnioną dyfuzję wodoru do wnętrza struktury.  Należy również unikać elementów gumowych, a uszczelnienia elastyczne wykonywać w technologii wielowarstwowej, żeby wzmocnić trwałość i szczelność połączeń.

Zanim przejdziemy do kolejnego punktu, czy mógłby Pan przybliżyć czym jest kruchość wodorowa?

Oczywiście. Pojęcie kruchości wodorowej jest znane od wielu lat. Jest to obniżenie określonych mechanicznych parametrów materiału, w wyniku łączenia się zaabsorbowanych w sieci krystalicznej żelaza - jeśli mówimy o elementach stalowych - atomów wodoru w cząsteczki wodoru. Powstające wówczas ciśnienie prowadzi do wewnętrznych naprężeń w strukturze materiału i w konsekwencji nawet do jego pęknięcia.Ciężko jest określić, jak szybko przebiega to zjawisko. Czynnikami przyśpieszającymi powstanie uszkodzeń jest wysokie ciśnienie oraz naprężenia w materiale. Czasami korozja wodorowa może dać o sobie znać po kilku tygodniach a innym razem po miesiącach. Dlatego tak istotne jest stosowanie specjalnych inhibitorów, które zmniejszają, a nawet zapobiegają absorpcji wodoru podczas przygotowania powierzchni danego elementu, który składa się na całokształt infrastruktury.

Czy są jakieś normy w Pana sektorze, na które szczególnie należy zwracać uwagę?

Kluczowe są parametry związane z bezpieczeństwem - a w sumie z wybuchowością wodoru. Dedykowane zawory powinny posiadać certyfikat Fugitive Emisions Test wg. ISO 15848, który sprawdza szczelność dławicy odpowiadającej za zapobieganie wyciekowi wodoru z wnętrza zaworu do atmosfery. Także te elementy powinny posiadać certyfikat Atex, co dopuszcza ich stosowanie w strefach zagrożonych wybuchem Ex i gwarantuje, że nie są potencjalnym źródłem zapłonu.

Mówimy o szczegółach, a co z sektorem automotive i stacjami tankowania wodorem, dostępnymi dla komercyjnych użytkowników?

Wodór używany w przemyśle automotive musi posiadać wysoką klasę czystości, aby można go było używać do ogniw paliwowych. Podczas montażu zaworów oraz do naoliwienia elementów ruchomych stosuje się różnego rodzaju smary i oleje, które mogłyby zanieczyścić wodór przelatujący przez zawór. Dodatkowo nieczystości w medium zwiększają ryzyko wybuchu podczas kontaktu z tlenem. W tym celu zawory przeznaczone do pracy z wodorem powinny być oczyszczone ze wszelkich smarów i olejów oraz wykonane i zapakowane zgodnie z zachowaniem odpowiednich standardów higienicznych.  

Każdy zawór musi być odporny na bardzo wysokie ciśnienie oraz szczelny na przenikanie wodoru zarówno w ekstremalnie niskich temperaturach (dla wodoru gazowego przyjmuje się -40°C), jak i maksymalnie wysokich (+85°C). Materiały zmieniają swoje właściwości oraz geometrię kształtu wraz ze zmianą temperatury. Budowa zaworu musi kompensować te zmiany i zapewniać odpowiednią precyzję dopasowania elementów w każdych warunkach. Dodatkowo wraz z eksploatacją zaworu mamy do czynienia z erozją materiału. Każdy element musi mieć taką konstrukcję, aby przez cały okres użytkowania ubytek i odkształcenie materiału, które wystąpią w czasie, nie spowodowały nieszczelności oraz dysfunkcji.

Jeżeli docelowo wodór ma trafić do użytku komercyjnego, to trzeba zwrócić szczególną uwagę na względy bezpieczeństwa. W Polsce od wielu dziesięcioleci potrafimy bezpiecznie produkować, przechowywać oraz wykorzystywać wodór w rafineriach, czy zakładach chemicznych. Tam do obsługi instalacji wodorowych mamy wykwalifikowaną i doświadczoną załogę oraz szczegółowe rozwijane przez lata praktyki procedury bezpieczeństwa. Na tę chwilę brak jest ogólnych norm i standardów regulujących wymogi bezpieczeństwa dedykowanych do aplikacji wodorowych.

Ale nie należy się obawiać tankowania — wszystkie elementy są atestowane i sprawdzane, dokładnie jak to się dzieje w przypadku LPG. Gdy posiadasz samochód na wodór, bez obaw zatankujesz go samodzielnie na stacji, i nie będzie to trwało więcej niż pięć minut - po prostu podjeżdżasz na stację i uruchamiasz dystrybutor.

***

STASTO Automation Sp. z o.o. jest dostawcą komponentów z zakresu armatury przemysłowej oraz pneumatyki. Działalność spółki jest dedykowana dla sektora budowy maszyn, instalacji przemysłowych, a także dla obszaru związanego z utrzymaniem ruchu. Zawory procesowe oraz instalacje sprężonego powietrza STASTO znajdują szerokie zastosowanie m.in. w przemyśle energetycznym, chemicznym, paliwowym oraz spożywczym i morskim. W ostatnich latach firma inenstywnie inwestuje w rozwój swojej oferty dedykowanej do branży odnawialnych  żródeł energii, w szczególności do technologii wodorowych. Wymagające aplikacje wodorowe idealnie wpisują się w profil działania STASTO, która od zawsze, bezkompromisowo stawia na niezawodne, trwałe i bezpieczne rozwiązania pochodzące od najlepszych Europejskich producentów.