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 – не более 5 микромолей на моль. Это примерно одна капля воды на целую цистерну водорода. Превышение же 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 – процесс, при котором молекулы воды удерживаются поверхностью специально подобранного материала, например, цеолита.
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. Традиционные методы расчета адсорбционных систем исходят из постоянного, ровного потока, и потому 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 – либо 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, исследователи показали, что сам водород практически не удерживается на поверхности цеолита. Для этого они использовали теорию идеальных адсорбционных растворов, которая подтвердила: взаимодействие между водородом и адсорбентом крайне мало, а значит это существенно упрощает модель и дает возможность сосредоточиться исключительно на описании удержания молекул воды.
Результаты моделирования показали, насколько 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. Следовательно 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 теперь позволяет еще на этапе проектирования морских ВЭС 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.
