Bezpečnostní aspekty při dopravě a skladování plynného vodíku

SP2022/89

Mynarz Miroslav Ing., Ph.D.

01. 01. 2022 - 31. 12. 2022

Dle vodíkové strategie pro klimaticky neutrální Evropu (Zelená dohoda pro Evropu) bude v následujících letech probíhat konverze hospodářství směrem k nízkouhlíkovým technologiím, kde jedním ze čtyř specifických cílů (pilířů) je uvedena připravenost infrastruktury na dopravu a skladování vodíku. Problematika bezpečnosti při dopravě a skladování vodíku se tak v blízké budoucnosti, s implementací vodíkových technologií do praxe, může v ČR stát velmi aktuální. V rámci politik EU je vodík definován jako jeden z důležitých nástrojů pro dosažení klimatické neutrality a pro zajištění dekarbonizace v odvětvích, kde jiné způsoby redukce emisí skleníkových plynů není možné nasadit. Zatímco přeměna vodíku na čistou energii je relativně přímočará a bez neřešitelných problémů (avšak i tak je problematická), výroba, skladování a transport vodíku přináší celou řadu úskalí. V současné době se vodík nejčastěji přepravuje jako stlačený plyn v tlakových nádobách vyrobených z oceli nebo kompozitních uhlíkových vláken. Vodík v tlakových nádobách lze přepravovat v tlakových lahvích při tlaku 200 bar. Vozidla s vodíkovým pohonem využívají pro svoji potřebu menší tlakové nádrže s tlakem 350 nebo 700 bar. Místa výroby a spotřeby vodíku mohou být však velmi vzdálená, proto bude nezbytné současně s rozvojem výroby a spotřeby vodíku zajistit i dopravu z míst výroby do míst spotřeby. V počátečních fázích bude nutné volit takové systémy dopravy, které budou efektivní i při menších přepravovaných množstvích. S postupným nárůstem spotřeby vodíku bude nutné začít využívat plynovody na vodík, aby bylo možné efektivně přepravit velké množství vodíku do ČR i v rámci ČR. Přitom je nutné vzít v úvahu, že plánování nových a úprava stávajících plynovodů je poměrně dlouhý proces, proto se příslušné plány musí připravovat v předstihu. Příprava plynárenských sítí na dopravu vodíku je nezbytná k udržení a rozšíření pozice ČR jako tranzitní země. ČR má na domácí i evropské úrovni dobře propojenou a spolehlivou plynárenskou infrastrukturu. Bude sice nutné provést určité úpravy sítě, ale požadavky na investice do tzv. repurposingu (úprava infrastruktury na čistý vodík) a retrofittingu (úprava infrastruktury na směs vodíku se zemním plynem) jsou ve srovnání s nově budovanou vodíkovou infrastrukturou významně nižší. V podmínkách ČR je reálné i postupné přimíchávání vodíku do stávající infrastruktury. Plynárenská soustava ČR je po technické stránce prakticky připravena na přepravu, distribuci a skladování zemního plynu s příměsí H2 až do výše 2 %. Teoreticky jsou však možné i vyšší poměry vodíku (při současné úrovni poznání se nejčastěji hovoří o 10 %) s technickými úpravami menšího rozsahu. Vodík je kvůli jeho nízké hustotě nutné skladovat stlačený v tlakových zásobnících. Ty musí být odolné přetlaku a destrukci a musí být také velmi těsné, aby vodík neunikal. Vodík je plyn s nejmenší molekulou, proto je nutné pro jeho ukládání využívat speciální materiály. Samotné stlačení vodíku je energeticky náročné. Vodík je špatně stačitelný plyn, proto je na jeho stlačování potřeba mnohem více energie než u ostatních plynů. Pro stacionární skladování vodíku se používají velkoobjemové ocelové tlakové nádoby.

Ing. Miroslav Mynarz, Ph.D.
Ing. Jan Skřínský, Ph.D.
Ing. Vojtěch Jankůj, Ph.D.
prof. Ing. Juraj Sinay, DrSc.
Ing. Matouš Helegda
Bc. Mária Lujza Patyková
Bc. Ladislav Zápotočný
Bc. Richard Kľúčik

Projekt je zaměřen na problematiku bezpečnosti dopravy a skladování plynného vodíku jak z hlediska výbušnosti, tak i z hlediska jeho možného úniku. Plynný vodík se dopravuje a skladuje ve stlačené formě obvykle za vysokých tlaků. Vzhledem k malé velikosti molekul hrozí zvýšené riziko nežádoucího úniku. K úniku rovněž může dojít při nesprávné manipulaci nebo poškození pláště tlakové nádoby, ve které je plynný vodík dopravován nebo uskladňován. Dalším rizikem je vysoká hořlavost vodíku. Ve směsi s jinými hořlavými plyny jeho reaktivita sice může klesat, avšak konkrétní bezpečnostní parametry jsou obvykle velmi složitě dohledatelné. V situaci, kdy by byl vodík dopravován ve stávajících plynovodech spolu se zemním plynem (metanem), vzniká nezanedbatelné bezpečnostní riziko. Znalost výbuchových parametrů takovéto směsi je důležitým bezpečnostním požadavkem. Právě stanovováním těchto parametrů se chce zabývat řešitelský tým v rámci projektu s názvem „Bezpečnostní aspekty při dopravě a skladování plynného vodíku“. Součástí řešení projektu je i snaha se zabývat problematikou úniku stlačeného plynného vodíku s aplikací vhodných matematických modelů pro jeho kvantifikaci.
Hlavním cílem projektu je na základě vlastnoručně sestavené měřicí aparatury realizovat pokročilá měření vybraných výbuchových parametrů (maximální výbuchový tlak, maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku, případně dolní a horní meze výbušnosti) pro směsi hořlavých plynů (především vodíku a metanu). Náročnost měření spočívá v přípravě požadovaného výbušného souboru v rámci vysoké přesnosti dávkování a spolehlivé homogenizace plynné směsi ve výbuchovém prostoru. Rovněž příprava účinného a spolehlivého iniciační zdroje s definovanou hodnotou energie bude vyžadovat značné úsilí.