Морская система транспортировки связанного водорода
MARINE BOUND HYDROGEN TRANSPORTATION SYSTEM

Морская система транспортировки связанного водорода относится к транспортным системам и может быть использована в химической, нефтеперерабатывающей, нефтегазохимической и других отраслях промышленности.
Топливно-энергетический комплекс наравне с важнейшими задачами добычи и производства первичных энергетических ресурсов, их транспортировки и переработки в другие виды топлива и энергии ищет пути решения экологических проблем, в частности, снижения углеродного следа - выбросов в атмосферу газов, способствующих парниковому эффекту, в первую очередь - диоксида углерода. Альтернативой углеродному топливу для двигателей транспортных средств является электроэнергия и водород. Кроме того, водород - один из важнейших реагентов крупнотоннажных процессов химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей промышленности.
В настоящее время согласно Энергетической стратегии РФ на период до 2035 г. планируется до 2024 г. обеспечить экспорт 0,2 млн т водорода, а к 2035 г. - 2 млн т (Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 г. [Электронный ресурс] URL: http://static.government.ru/media/files/w4sigFOiDjGVDYT4IgsApssm6mZRb7wx.pdf, дата обращения 16.12.2021 г). Ожидается, что к 2050 г. Российская Федерация сможет экспортировать 7,9-33,4 млн т водорода (Власти предложили транспортировать водород по трубам «Газпрома» // Прайм Агентство экономической информации, Россия сегодня, [Электронный ресурс] URL: https://1prime.ru/energy/20210414/833459139.html, дата обращения 16.12.2021 г.). Но для реализации этих планов недостаточно только увеличить мощности по производству водорода. Одной из важнейших проблем остается его транспортировка.
Известно судно для перевозки сжиженных газов, содержащее в своем корпусе грузовые отсеки, в которых размещены термоизолированные выполненные из пенобетона призматические танки сжиженного газа, внутренняя поверхность стенок которых облицована герметизирующим тонкостенным покрытием, которое выполнено из металла, обеспечивающего транспортировку сжиженного газа при криогенных температурах (патент на изобретение RU 2429156, МПК В63В 25/08, В63В 25/16 , заявлен 11.06.2010 г., опубликован 20.09.2011 г.). Недостатками изобретения являются:
• уменьшение объема танков за счет стенок из пенобетона;
3
• опасное снижение устойчивости судна из-за уменьшения в 7 раз его осадки при плотности сжиженного водорода 0,07 т/м;
• непригодность для перевозки водорода из-за использования герметизирующего металлического тонкостенного покрытия стенок танков из пенобетона, поскольку при нарушении герметичности металлического покрытия вследствие водородной коррозии произойдут большие потери водорода через проницаемый пенобетон.
Известен способ транспортировки и хранения криогенных газов, в котором криогенный газ охлаждают до состояния жидкости, последнюю заливают, по крайней мере, в один бак, отделяют от окружающей среды теплоизоляцией и поддерживают при расчетных температуре и давлении за счет отбора натекающего тепла, при этом, по крайней мере, один бак с криогенной жидкостью отделяют от окружающей среды холодильной камерой, содержащей в своих стенках теплоизоляцию, а полость холодильной камеры заполняют и поддерживают при избыточном давлении нейтрального газа, не конденсирующегося при температуре криогенной жидкости (патент на изобретение RU 2334646, МПК B63B 25/16, B63J 2/14, заявлен 27.03.2007 г., опубликован 27.09.2008 г.). Недостатками изобретения являются:
• транспорт водорода в криогенных условиях, требующий рядом с транспортной сетью создания системы глубокого холода;
• необходимость использования в качестве инертного агента в холодильной камере дорогостоящего неона, который, являясь прослойкой между стенкой холодильной камеры и бака, заполненного водородом, будет способствовать нагреванию водорода за счет теплопередачи в конвективных потоках, возникающих в пространстве между холодной стенкой бака и теплой стенкой холодильной камеры, сообщающейся с окружающей средой;
• отсутствие защиты бака от водородной коррозии, что приводит к опасности разгерметизации бака.
Известно устройство для доставки углеводородов в арктическом бассейне, состоящее из танкерного модуля с эластическими емкостями для размещения углеводородов, подводного буксира с атомной энергетической установкой и движителем, а также лоцманского глайдера, с возможностью его движения впереди подводного буксира, при этом танкерный модуль устройства доставки углеводородов в арктическом бассейне содержит центральную трубу с расположенными на ней продольными перегородками, закрытыми наружной обрешеткой, с размещенными в сформированных грузовых камерах по всей длине эластичными емкостями, состоящими из наружной и внутренней оболочек из теплоизолирующего материала, вложенных одна в другую, причем все эластичные емкости с обеих сторон заканчиваются запирающими устройствами с фланцами для подсоединения к заправочному терминалу, при этом на боковых сторонах корпуса танкерного модуля расположены разнесенные по длине корпуса поворотные реверсивные электродвигатели с гребными винтами, а нижняя камера предназначена для размещения топливных элементов, вырабатывающих электроэнергию для питания исполнительных механизмов, в свободном пространстве верхней и нижней грузовых камер располагаются замкнутые балластные камеры с водяными и воздушными насосами, загрузка танкерного модуля нефтепродуктом и его разгрузка после доставки к месту назначения осуществляется в подводном положении при помощи подводных заправочных станций (патент на изобретение RU 2700518, МПК B63B 25/08, B63G 8/42, заявлен 17.04.2018 г., опубликован 17.09.2019 г.). Недостатками изобретения являются:
• выполнение операций по загрузке и разгрузке танкерного модуля в подводном положении при швартовке к соответствующим подводным заправочным станциям, реализуемое водолазным персоналом;
• рекомендуемая низкая скорость транспортировки модуля, приводящая к значительному удорожанию перевозки продукта за счет возрастания амортизационных затрат;
• рекомендуемый движитель в виде подводной лодки с атомным энергоблоком, функционирующий автоматически без обслуживающего персонала, увеличивающий риски аварийной ситуации вплоть до разрушения транспортной системы и радиоактивного заражения региона;
• неэффективное управление поворотными реверсивными электродвигателями и вентилятором транспортного модуля с лоцманского глайдера при протяженности системы глайдер-подводная лодка-транспортный модуль в несколько сот метров в условиях опасного фарватера (мелководье, подошвы торосов и др.), связанное с рисками повреждения транспортного модуля и разливом транспортируемого продукта;
• потеря части водорода при его транспортировке через эластичные оболочки грузовых камер из-за высокой проницаемости соединения.
Известен также способ производства водорода, предназначенного для хранения и транспортировки, включающий получение гидрогенизированного ароматического соединения гидрогенизацией ароматического соединения в присутствии катализатора гидрогенизации, отделение и очистку гидрогенизированного ароматического соединения из реакционной смеси; хранение и/или транспортировку результирующего гидрогенизированного ароматического соединения в качестве носителя водорода для хранения и транспортировок, дегидрогенизацию гидрогенизированного ароматического соединения в присутствии катализатора дегидрогенизации, посредством чего производится водород, в котором при гидрогенизации ароматического соединения используется реакционный газ, полученный посредством реакции риформинга, и реакции конверсии, которая регулирует концентрацию водорода от 30 до 70% об., и в процессе гидрогенизации реакция метанизации остающегося монооксида углерода в реакционном газе выполняется одновременно с реакцией гидрогенизации ароматического соединения (патент на изобретение RU 2532196, МПК C01B 3/22, С01В 3/38, заявлен 24.03.2011 г., опубликован 27.10.2014 г.). Недостатками изобретения являются:
• низкая глубина проработки способа, так как ароматическое соединение (толуол) поступает на гидрогенизацию в поток, где при существенном избытке водорода (табл. 1, поток № 5 и табл. 2, поток № 6) присутствуют почти в таком же количестве, как избыток водорода, балластные пары воды и диоксида углерода, что приводит к нахождению в зоне каталитической реакции большого количества балластных компонентов, занимающих почти две трети объема реакционной зоны, и, как следствие, к неудовлетворительной работе реактора гидрирования, увеличению его размеров и расхода катализатора;
• потери водорода со сбрасываемым диоксидом углерода (табл. 1, поток 7), составляющие почти 20% от вырабатываемого водорода.
При создании изобретения ставилась задача разработки морской системы транспортировки связанного водорода, обеспечивающей одновременно повышение экономической эффективности, экологичности и безопасности транспортировки водорода потребителям на большие расстояния.
Поставленная задача решается за счет того, что морская система транспортировки связанного водорода включает установку получения связанного водорода, резервуары хранения связанного водорода, погрузочный терминал с подачей в транспортные танкеры связанного водорода, транспортные танкеры, оборудованные, по крайней мере, резервуаром для перевозки связанного водорода и палубной установкой получения водорода, и трубопровод для подачи водорода из транспортного танкера на предприятие-потребитель водорода, при этом связанный водород представляет собой аммиак и/или метанол, во время перехода транспортного танкера от порта предприятия-производителя до порта предприятия-потребителя водорода в качестве топлива транспортного танкера используют водород, выработанный на палубной установке получения водорода, и/или непосредственно связанный водород из резервуара для перевозки связанного водорода.
Связанный водород, полученный на соответствующей установке предприятия-производителя водорода, технологически проще и дешевле по сравнению с газообразным водородом хранить и закачивать в резервуары транспортного танкера любого типа, конструктивно предназначенного для перевозки светлых нефтепродуктов и оборудованного резервуарами как для перевозки связанного водорода, так и резервуаром для хранения водорода, а, кроме того, палубной установкой получения водорода. В качестве вещества, содержащего связанный водород и достаточно легко выделяющего молекулярный водород, применяют аммиак и/или метанол, синтезированные на установке получения связанного водорода.
Водород из аммиака получают путем его термического и/или каталитического крекинга и/или путем электролиза:
3
2
2
2NH→3H+N.
Водород из метанола получают путем его парового риформинга:
2
3
2
2
НО+СНОН→СО+3Н,
Рационально, чтобы производительность палубной установки получения водорода по водороду была равна или превышала потребности предприятия-потребителя водорода, тогда в ходе получения водорода при швартовке транспортного танкера в порту предприятия-потребителя водорода будет обеспечиваться его нормальная работа. Также появляется возможность создания на предприятии-потребителе водорода резервного запаса водорода, который будет поступать на переработку во время замены в порту отработавшего транспортного танкера на вновь прибывший.
В зависимости от числа и потребностей предприятий-потребителей водорода в регионе потребления водорода один транспортный танкер может последовательно и/или параллельно обеспечивать водородом несколько предприятий-потребителей водорода с невысокой потребностью в водороде.
Целесообразно транспортный танкер дополнительно оборудовать резервуаром для хранения азота в случае получения водорода на палубной установке из аммиака и/или резервуарам для хранения диоксида углерода в случае получения водорода на палубной установке из метанола. Образующиеся азот и/или диоксид углерода могут быть реализованы в качестве товарных продуктов потребителям, например, путем доставки диоксида углерода транспортным танкером к нефтяным и/или нефтегазоконденсатным и/или газовым месторождениям, расположенным в море и/или на побережье по пути движения транспортного танкера, для закачки в них диоксида углерода для повышения продуктивности месторождений за счет поддержания внутрипластового давления или для захоронения диоксида углерода в подземных хранилищах.
Целесообразно на транспортном танкере установить паровой двигатель и/или топливные водородные элементы для дополнительной вариативности работы транспортного танкера в зависимости от наличия того или иного вида топлива.
На фигуре 1 приведен один из возможных вариантов функционирования морской системы транспортировки связанного водорода, а на фигуре 2 - схема транспортного танкера для реализации данного варианта системы с использованием следующих обозначений:
1-6 - трубопроводы;
100 -предприятие-производитель водорода;
101 - установка получения связанного водорода;
200 - резервуарный парк;
201 - резервуар хранения связанного водорода;
300 - распределительный и погрузочный терминал;
400 (а) - транспортный танкер с бункеровкой аммиака;
400 (б) - транспортный танкер, перемещающий аммиак с предприятия-производителя водорода на предприятие-потребитель водорода;
400 (в) - транспортный танкер, трансформирующий аммиак в водород;
400 (г) - транспортный танкер, возвращающийся на предприятие-производитель водорода;
401 - корпус танкера;
402 - палубная система трубопроводов;
403 - многоярусная рубка;
404 - палубная установка получения водорода;
405 - машинное отделение;
406 - резервный резервуар;
407 - резервуар для хранения водорода;
408 - резервуары балластной воды;
409 - резервуар для перевозки связанного водорода;
500 - предприятие-потребитель водорода;
501 - резервуар хранения водорода;
502 - установка, использующая водород для синтеза продукта А;
503 - установка, использующая водород для синтеза продукта Б.
Морская система транспортировки связанного водорода согласно схеме на фигуре 1 функционирует следующим образом. Предприятие-производитель водорода 100 вырабатывает на установке получения связанного водорода 101 аммиак, который по трубопроводу 1 поступает в резервуар хранения связанного водорода 201 резервуарного парка 200. После швартовки в порту предприятия-производителя водорода 100 транспортного танкера выполняется бункеровка аммиака в транспортный танкер 400 (а), при этом аммиак откачивается из резервуара хранения связанного водорода 201 по трубопроводу 2 насосами распределительного и погрузочного терминала 300 (не показаны) и по трубопроводу 3 заполняет свободные резервуары для перевозки связанного водорода 409 транспортного танкера 400 (а).
После полной бункеровки аммиаком транспортного танкера 400 (а) выполняется его рейс в качестве транспортного танкера 400 (б), перемещающего аммиак с предприятия-производителя водорода 100 на предприятие-потребитель водорода 500. По прибытии в порт предприятия-потребителя 500 и швартовки транспортный танкер 400 (в) трансформирует аммиак в водород на палубной установке получения водорода 404. Водород по трубопроводу 4 поступает в резервуар хранения водорода 501 предприятия-потребителя 500 и далее направляется в качестве реагента по трубопроводам 5 и 6 на установку, использующую водород для синтеза продукта А, 502 и на установку, использующую водород для синтеза продукта, Б 503, соответственно.
Конструкция транспортного танкера 400, который перемещает связанный водород в виде аммиака, схематично приведена на фигуре 2. В дополнение к традиционно размещаемым в корпусе танкера 401 палубной системе трубопроводов 402, многоярусной рубке 403, машинному отделению 405 предусмотрена палубная установка получения водорода 404 и иная структура резервуаров по назначению. В транспортном танкере 400 большинство резервуаров служат для перевозки связанного водорода 409, кроме того предусматривается свободный резервный резервуар 406 для загрузки азота, получаемого во время работы палубной установки получения водорода 404 в порту предприятия-потребителя водорода 500, а также резервуар для хранения водорода 407, служащий ресивером и имеющий внутреннее защитное покрытие, предохраняющее стенки от водородной коррозии. На борту транспортного танкера 400 также имеются резервуары балластной воды 408 для обеспечения устойчивости судна.
В других вариантах реализации морской системы транспортировки связанного водорода на предприятии-производителе водорода 100 в качестве связанного водорода может также вырабатываться метанол дополнительно или вместо аммиака. Принципы функционирования системы при этом останутся прежними.
Таким образом, заявляемое изобретение решает задачу разработки морской системы транспортировки связанного водорода, обеспечивающей одновременно повышение экономической эффективности, экологичности и безопасности транспортировки водорода потребителям на большие расстояния.