Stal nierdzewna wspiera technologie wodorowe
Zielony wodór ma niemal nieograniczony potencjał jako zamiennik paliw kopalnych i będzie istotnym czynnikiem przyczyniającym się do osiągnięcia celów klimatycznych. Stal nierdzewna jest natomiast nieodzownym towarzyszem technologii wodorowych na drodze do realizacji celów neutralności klimatycznej. Wynika to z jej szczególnych własności i odporności na zjawiska degradacji w kontakcie z wodorem.
Wodór i jego kolory
Wodór jest 14 razy lżejszy od powietrza, nietoksyczny, bezbarwny i bezwonny oraz spala się bez pozostałości bezbarwnym płomieniem. Występuje w stanie gazowym do -253°C, po czym przechodzi w stan ciekły. Wodór jest bardzo reaktywnym pierwiastkiem, który występuje tylko w postaci związanej, na przykład jako cząsteczka wodoru, w wodzie z tlenem lub w metanie z węglem. W zakresie wodoru występuje kilka określeń związanych z tego pochodzeniem, technologią pozyskiwania. Gazowy wodór można wytwarzać z różnych źródeł lub procesów. Aby zidentyfikować te różne źródła lub procesy, wodór jest oznaczony kodem kolorystycznym:
- szary wodór produkowany jest z paliw kopalnych i emitujący duże ilości CO2. Produkowany jest głównie w procesie reformingu parowego, który przekształca wodę i metan w wodór i dwutlenek węgla (CO2). A każda tona wodoru wytwarza dziesięć ton CO2;
- niebieski wodór produkowany jest z paliw kopalnych za pomocą technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (mniej zanieczyszczający niż szary). Niebieski wodór nie eliminuje emisji dwutlenku węgla, a jedynie je ogranicza;
- truskawkowy wodór produkowany jest w wyniku pirolizy z gazu ziemnego, to względnie nowa i nadal rozwijana metoda produkcji;
- zielony wodór produkowany jest w procesie elektrolizy, do której wykorzystana zostaje wyłącznie energia elektryczna pochodząca ze źródeł odnawialnych. Produkcja zielonego wodoru w elektrolizie wody polega na rozkładzie wody na tleni wodór pod wpływem bezpośredniego prądu elektrycznego przepływającego przez elektrody w wodzie. W chwili obecnej wydajność procesu wynosi 50-70%, jednak stale prowadzone są prace nad rozwojem technologii i zwiększaniem ich efektywności. To najbardziej pożądany kolor wodoru w perspektywie dekarbonizacji globalnej gospodarki. Jest już uważany za substytut paliw kopalnych w branżach trudnych do dekarbonizacji oraz w sektorach transportu ciężkiego, takich jak transport morski i lotnictwo.
- różowy wodór, często nazywany również fioletowym, purpurowym lub czerwonym. Jest to wodór produkowany w procesie elektrolizy zasilanej energią jądrową [1].
Wodór jest ważnym surowcem w przemyśle chemicznym i petrochemicznym w produkcji podstawowych chemikaliów, takich jak amoniak czy metanol. Ponadto połowa produkowanego wodoru jest przetwarzana na amoniak wykorzystywany w produkcji nawozów. Wodór może być również wykorzystywany bezpośrednio do ogrzewania budynków, pieców przemysłowych oraz w ogniwach paliwowych do napędzania silników elektrycznych w transporcie. Wodór jest tak atrakcyjnym paliwem, ponieważ jego jedyną emisją ze spalin jest woda.
Specyficzne własności wodoru wymagają zastosowania materiałów konstrukcyjnych o szczególnych własnościach stosowanych do jego wytwarzania, przechowywania w warunkach kriogenicznych, transportu, eksploatacji elektrolizerów, sprężarek wysokociśnieniowych, zbiorników, zaworów, rur i armatury. Wysoka dyfuzyjność wodoru wymaga niezawodnej gazoszczelności wszystkich komponentów, aby uniknąć strat i zminimalizować ryzyko wybuchu lub pożaru na skutek ulatniającego się wodoru.
Stal nierdzewna dla instalacji wodorowych
Zalety stali nierdzewnej, które sprawiają, że jest idealnym metalem do przechowywania i transportu wodoru:
- Wysoka wytrzymałość
- Wysoka plastyczność również w niskich temperaturach
- Długa żywotność; niskie koszty cyklu życia
- Wysoka odporność na kruchość wodorową
W przypadku wielu materiałów metalowych atomy wodoru mogą przenikać przez materiał i znacznie pogarszać jego własności mechaniczne. Nawet przy bardzo niewielkim stężeniu wodoru wynoszącym kilka ppm, w materiałach podatnych na takie zjawisko może dochodzić do jego degradacji skutkującej powstawaniem pęknięć i kruchego pękania – kruchość wodorowa, a to stanowi niedopuszczalne zagrożenie dla bezpieczeństwa. W przypadku stali nierdzewnych, głównie austenitycznych zawierających nikiel są one trwale odporne zarówno na zjawisko przenikania wodoru, jak i możliwą degradację dzięki mikrostrukturze austenitu. W ten sposób zapobiegają stopniowemu ulatnianiu się gazu i chronią elementy przed kruchością, zachowując niezmiennie wysoką wytrzymałość, plastyczność i jednorodność strukturalną.
W przypadku elementów mających kontakt z wodorem standardowo stosowana jest austenityczna stal nierdzewna typu 316L (UNS S31603) i 304L (S30403) a także ich odmiany stabilizowane (316Ti, 321 i 347). Stal typu 316L jest bardziej preferowany w porównaniu do 304L dla kontaktu z wodorem gazowym, ponieważ gatunek 316L ma wyższą stabilność struktury austenitu i jest mniej podatny na kruchość wodorową. Gatunki typu 317LMN (S31726), 2205 (S32205) i 2507 (S32750) zostały wypróbowane i przetestowane w szczególnie krytycznych zastosowaniach [2].
Powszechnie stosuje się więc stale austenityczne ale inne typy, takie jak ferrytyczne, martenzytyczne, duplex lub utwardzane wydzieleniowo, mogą być również używane w elementach rurociągów wodorowych, pod warunkiem, że są stosowane przy niskim obciążeniu. Wytrzymałość tych stali na ogół nie jest tak dobra jak stali austenitycznych. Preferowanym stanem obróbki cieplnej jest stan po przesycaniu dla stali duplex i pełnym wyżarzaniu dla ferrytycznych. Gatunki martenzytyczne i utwardzane wydzieleniowo powinny być poddawane obróbce cieplnej w celu uzyskania minimalnego poziomu dostępnej wytrzymałości.
Przykładowe zastosowania stali nierdzewnej w przemyśle wodorowym:
- Magazynowanie i rurociągi wodoru
- Ogniwa paliwowe i elektrolizery PEM
- Ogniwa paliwowe i elektrolizery ze stałym tlenkiem
- Systemy zbiorników w pojazdach
- Systemy na stacjach paliw
Stal nierdzewna do magazynowania wodoru
Zwykle podczas przechowywania i transportu wodór przechodzi w stan ciekły, co oznacza konieczność obniżenia jego temperatury nawet do -253°C. Stale nierdzewne o strukturze austenitycznej wykazują bardzo dobre własności w tak niskiej temperaturze, zachowują bardzo wysoką ciągliwość.
W instalacjach, w których stosuje się sprężanie gazowego wodoru pod wysokim ciśnieniem może wystąpić zjawisko kruchości wodorowej w niektórych materiałach metalowych, w wyniku dyfuzji gazowego wodoru do powierzchni, co może ostatecznie doprowadzić do pęknięć. W tym przypadku ponownie, austenityczne stale nierdzewne stanowią optymalne rozwiązanie, ponieważ dyfuzja wodoru jest znacznie niższa w austenicie w porównaniu z materiałami o strukturze ferrytycznej i martenzytycznej.
Kolejny czynnik przemawiający za zastosowaniem stali nierdzewnych w instalacjach wodorowych to ich ogólna odporność korozyjna. Wiele obiektów magazynowych będzie znajdować się na obszarach przybrzeżnych o dużym zasoleniu środowiska, gdzie wymagana jest odporność na trudne warunki środowiskowe. Naturalnym rozszerzeniem możliwości aplikacyjnych stali nierdzewnych są instalacje do przechowywania i tankowania pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi. Własności materiałowe stali nierdzewnej sprawiają, że idealnie nadaje się do produkcji dystrybutorów paliwa, rurek i kompresorów pracujących w środowisku wodoru.
Stal nierdzewna jest nieodzownym elementem instalacji produkcji i magazynowania wodoru a dynamiczny rozwój tego sektora gospodarki jeszcze bardziej zwiększy udział stosowanych gatunków nierdzewnych. Szczególne własności materiałowe austenitycznych stali nierdzewnych sprawiają, że w wielu przypadkach jest to optymalny i najbardziej bezpiecznych materiał konstrukcyjny.
Literatura
[1]. Kolory wodoru – znaczenie, zastosowanie i potencjał wykorzystania