.jpg)
Ученые из Института химических технологий общества Фраунгофера в Германии создали модель, которая позволяет точно рассчитывать процесс осушки водорода методом адсорбции в условиях работы морских ветроэлектростанций. Этот инструмент дает возможность проектировать надежные системы получения "зеленого" водорода прямо на шельфе в Северном море. Модель учитывает реальные колебания скорости ветра, которые напрямую влияют на количество производимого водорода, и помогает оптимизировать работу системы очистки. От уровня чистоты водорода, в свою очередь, зависит, можно ли его безопасно хранить, транспортировать и использовать в промышленности или транспорте.
Основная проблема современного извлечения водорода связана с высокими требованиями к его качеству. Международный стандарт ISO 14687 устанавливает предельно допустимое содержание воды в водороде для заправочных станций и систем хранения на уровне не более 5 микромолей на моль. Это примерно одна капля воды на целую цистерну водорода. Превышение предела грозит обледенением клапанов при минусовых температурах, коррозией оборудования и сбоями в работе всей инфраструктуры. Обычное охлаждение и конденсация влаги здесь не помогают, поэтому применяется адсорбция, при которой молекулы воды удерживаются поверхностью специально подобранного материала, такого как, например, цеолит.
Особенность морских платформ заключается в том, что объем производимого водорода напрямую зависит от силы ветра, а она меняется буквально каждую минуту. Из-за этого поток газа на входе в колонну с адсорбентом постоянно колеблется и остается нестабильным. Привычные методы расчета адсорбционных систем исходят из постоянного потока и не подходят для работы в таких условиях. Чтобы решить эту задачу, ученые предложили новую модель, учитывающую колебания в режиме реального времени. Она позволяет с высокой точностью определить момент, когда адсорбент полностью насыщается влагой, и колонну необходимо перевести в режим регенерации с помощью нагрева либо за счет понижения давления.
В своей работе ученые экспериментально измерили, сколько воды может поглотить конкретный тип цеолита (13X BFK) при разных температурах и давлениях, и описали эти данные с помощью уравнения Лэнгмюра-Фрейндлиха, которое хорошо подходит для моделирования процессов адсорбции. Кроме того, они доказали, что сам водород практически не удерживается на поверхности цеолита. Для этого ученые использовали теорию идеальных адсорбционных растворов, которая подтвердила, что взаимодействие между водородом и адсорбентом крайне мало, а значит, это существенно упрощает модель и дает возможность сосредоточиться исключительно на описании удержания молекул воды.
Процесс осушки зависит от погодных условий. При средних и высоких скоростях ветра (10 и 16 м/с) адсорбент насыщался водой всего за 18-20 минут, а при слабом ветре (6 м/с) даже через час колонна оставалась незаполненной. Таким образом, система управления не может работать по фиксированному расписанию и должна гибко подстраивать циклы работы под текущую погоду. Для этого ученые предлагают оснащать колонны датчиками температуры или влажности, которые будут показывать степень загрузки адсорбента, а также связывать блок очистки с данными о производительности электролизеров, чтобы система автоматически реагировала на изменения потока водорода.
Созданная немецкими исследователями модель позволяет еще на этапе проектирования морских ветроэлектростанций проверить работу системы при самых разных сценариях от резких порывов ветра до полного штиля. С ее помощью можно заранее рассчитать оптимальные размеры адсорбционных колонн, определить необходимость в буферных емкостях для газа или в дополнительных аккумуляторах. В дальнейшем разработку планируют использовать для сравнения эффективности разных способов регенерации адсорбента, а также для испытаний новых материалов, которые могут заменить цеолит в системах осушки.
