ПОТЕНЦИАЛ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ГАЗОПРОВОДОВ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ВОДОРОДА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 62

Губайдуллин К.

независимый исследователь консультант в области управленческого консалтинга (г. Хьюстон, США)

ПОТЕНЦИАЛ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ГАЗОПРОВОДОВ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ВОДОРОДА

Аннотация: в статье проведён анализ потенциала использования газотранспортной инфраструктуры для транспортировки водорода в условиях глобального энергетического перехода. Рассмотрены основные аспекты, включая физико-химические свойства водорода и его отличия от природного газа, проблемы водородной хрупкости и охрупчивости трубопроводных материалов, а также требования к транспортировке. Обзор газопроводных сетей и анализ применяемых материалов позволили выявить технические и эксплуатационные вызовы, с которыми сталкивается отрасль при перепрофилировании существующих сетей. Приведены примеры успешных проектов перепрофилирования, таких как HyNet North West и Европейской водородной сети, а также рассмотрены возможности использования новых материалов, цифрового мониторинга и систем обнаружения утечек. Методология исследования базируется на проведении сравнительного анализа других исследований, а также материалов, размещенных в сети «Интернет», для рассмотрения статистических данных, а также существующих газопроводных систем. Результаты демонстрируют, что при реализации определённых технологических модификаций и внедрении современных цифровых решений возможно обеспечить безопасную и эффективную транспортировку водорода, способствуя сокращению выбросов парниковых газов. Сведения, отраженные в рамках работы, представляют интерес для специалистов в области энергетической инфраструктуры, транспортной инженерии, а также для других исследователей, занимающихся разработкой современных решений по интеграции водородной энергетики в существующую газотранспортную систему.

Ключевые слова: водородная энергетика, газопроводная инфраструктура, перепрофилирование, водородная охрупчивость, цифровой мониторинг, системы обнаружения утечек, композитные материалы.

Введение.

Казахстан является крупным экспортером ископаемых источников энергии. Экспорт ископаемого топлива имеет стратегическое значение для внешней экономики страны. Тем не менее, Республика Казахстан стремится снизить воздействие климата на свою экономику, путем перехода на транспортировку водорода [1]. Этот переход вызван тем фактом, что водород, обладает высокой энергоёмкостью на единицу массы и способностью вырабатываться из различных источников. Однако транспортировка водорода требует специальных мер безопасности и адаптации существующей инфраструктуры [2].

Если же обратимся к современной литературе, в которой отражен потенциал использования существующих газопроводов для транспортировки водорода, то в рамках исследований наблюдается разнообразие подходов, что позволяет сгруппировать публикации по нескольким направлениям.

Первой группой являются работы, освещающие развитие водородной экономики и инфраструктурные изменения на примере Республики Казахстан. В частности, в работе Ibrayeva А. Е. [2] и в электронном ресурсе «Казахстан на пути к водородной экономике» [1], размещенном на сайте adb авторы ставят цель проанализировать глобальный опыт и адаптационные возможности национальной энергетики. Дополнительный вклад в проблематику вносят публикации, связанные с транспортировкой и транзитом газа, источник [5], информация которого размещена на сайте cdu и оценкой уровня газификации регионов Казахстана [6], сведения которой представлены на сайте ranking, а также анализ перспективных инвестпроектов в области зелёного водорода [7], представленный на сайте forbes. Эти источники подчеркивают актуальность

переходного периода и необходимость комплексного подхода к решению инфраструктурных и технологических проблем.

Вторая группа исследований посвящена рассмотрению влияния водорода на материалы, используемые в газопроводах. Работа Скрипчук Г. А. [4] сосредотачивается на феномене водородной хрупкости, выявляя аспекты взаимодействия водорода со стальными конструкциями. В рамках работы [3], авторами которой являются Федорова Е. Б., Юшин А. О. исследуется влияние водорода, а также проводится его сравнение с природным газом.

Третьей группой являются публикации, посвящённые вопросам безопасности эксплуатации трубопроводов, охватывающие анализ рисков и методы обнаружения утечек. В работах Каримова А. Ш. [10] и Дудина Р. В. с соавторами [11] акцент делается на совершенствовании системы мониторинга и предупреждения аварийных ситуаций. Цель исследований - разработка эффективных методик диагностики, позволяющих своевременно выявлять дефекты и утечки, что обусловлено существующим пробелом в адаптации традиционных систем контроля к специфике транспортировки водорода.

Четвертая группа литературы представляет собой зарубежный опыт внедрения водородных технологий, на примере Великобритании. Публикации, такие как «Energy crisis lifeline as UK accelerates £1bn hydrogen plan to slash foreign ties» [8], представленная на сайте express и информация о выборе компании HyNet для реализации проектов CCS [9] на платформе prpchannel, направлены на анализ государственной политики и технических решений по интеграции водорода в энергетический баланс. Здесь авторы выдвигают гипотезу о том, что сочетание проектов по производству водорода и систем улавливания и хранения углекислого газа может стать инструментом в декарбонизации экономики. Научная новизна заключается в демонстрации синергетических эффектов между различными технологическими направлениями, а методология базируется на кейс-стади, экономическом и технологическом анализе, что позволяет выявить перспективы и риски масштабирования данных инициатив.

Таким образом, обзор литературы демонстрирует наличие определённых противоречий в подходах к решению проблемы использования существующих газопроводов для транспортировки водорода. С одной стороны, исследования, фокусируются на инфраструктурных и экономических аспектах, подчёркивают важность комплексного обновления энергетической системы Республики Казахстан, однако остаётся недостаточно проработанным вопрос адаптации технических характеристик существующих сетей для безопасного обращения с водородом. С другой стороны, исследования, посвящённые влиянию водорода на материалы, указывают на проблемы долговечности трубопроводов, что требует дополнительного внимания в разработке стандартов эксплуатации. Проблема безопасности, в частности обнаружения утечек и предотвращения аварий, также остаётся слабо освещённой, несмотря на наличие отдельных работ, ориентированных на традиционные нефтегазовые системы. Наконец, зарубежный опыт демонстрирует успешные модели интеграции водородных технологий с мерами по декарбонизации, однако их адаптация к условиям Казахстана требует дальнейших исследований и междисциплинарного подхода.

Целью статьи является проведение анализа потенциала перепрофилирования существующих газопроводов для транспортировки водорода.

Новизна заключается в рассмотрении возможности адаптации действующих газотранспортных систем для работы с водородом с учётом его специфических свойств.

Авторская гипотеза состоит в том, что при условии реализации определённых технологических изменений и внедрения современных систем мониторинга, существующие газопроводы могут быть эффективно перепрофилированы для транспортировки водорода. Это, в свою очередь, позволит обеспечить переход к водородной энергетике без необходимости строительства новой инфраструктуры.

Методология базируется на сравнительном анализе других исследований, а также материалов, размещенных в сети «Интернет», для исследования статистических данных, а также существующих газопроводных систем.

1. Требования к транспортировке водорода и сопоставление с природным

газом.

Одной из проблем при переходе от традиционных углеводородных энергоносителей к водороду является необходимость адаптации существующей инфраструктуры для транспортировки нового энергоносителя. Фундаментальные физико-химические свойства водорода отличаются от свойств природного газа, что порождает ряд технических и эксплуатационных вызовов при его транспортировке.

Так водород (Нг) обладает рядом свойств, отличающихся от природного газа, основным компонентом которого является метан (СШ). Молекулярная масса водорода составляет 2,016 г/моль, что примерно в восемь раз меньше, чем у метана (16,043 г/моль). Благодаря этому водород имеет крайне низкую плотность - порядка 0,0899 кг/м3 при стандартных условиях, тогда как плотность метана приближается к 0,72 кг/м3. Кроме того, температуры и давления для водорода и метана также существенно различаются: водород характеризуется критической температурой около -239,9 °С и критическим давлением 1,28 МПа, в то время как для метана эти показатели составляют -82,15 °С и 4,56 МПа соответственно. Энергетический потенциал, выраженный в теплоте сгорания, для водорода (120,0 МДж/кг) значительно выше, чем для метана (50,1 МДж/кг), что обуславливает необходимость иной схемы компрессии и хранения [3].

Для более наглядного сравнения основных физических характеристик приведена таблица 1.

Таблица 1. Сравнение характеристик водорода и природного газа [3].

Свойство Водород (Н2) Метан (СН4)

Молекулярная масса (г/моль) 2,016 16,043

Температура кипения (°С) -252,87 -161,6

Критическая температура (°С) -239,9 -82,15

Критическое давление (МПа) 1,28 4,56

Плотность при 0 °С, 0,1013 МПа (кг/м3) 0,0899 0,72

Нижняя теплота сгорания (МДж/кг) 120,0 50,1

Эти различия определяют специфику транспортировки, так как низкая плотность водорода требует высоких объемных потоков или дополнительных методов компрессии для обеспечения эквивалентной энергетической эффективности, а широкий диапазон воспламеняемости (от 4% до 75% в смеси с воздухом) обуславливает повышенные требования к системам безопасности [3]. Также при транспортировке водорода по трубопроводам необходимо учитывать явление - водородную хрупкость, которая характеризуется совокупностью отрицательных явлений, вызванных повышенным содержанием водорода в металле. Проявляется в снижении его прочностных и пластических свойств.

Одновременно с хрупкостью возникает проблема охрупчивости, которая характеризуется ухудшением механических свойств металла при проникновении в его кристаллическую решётку. Водород, благодаря своему малому размеру и высокой диффузионной способности, может проникать в металл трубопроводов, особенно в зонах повышенных напряжений, что приводит к образованию микротрещин и снижению пластичности материала [4]. Этот процесс сокращает долговечность оборудования и требует применения специальных материалов и покрытий, способных снизить проницаемость водорода.

По этим причинам при проектировании трубопроводов для транспортировки водорода необходимо учитывать не только прочностные характеристики материалов, но и их способность сопротивляться диффузионному проникновению водорода. Для систематизации ключевых аспектов проблем водородной охрупчивости и хрупкости можно выделить следующие требования:

Необходимо использовать сталь и сплавы с повышенной устойчивостью к водородной охрупчивости, либо применять защитные покрытия, снижающие проникновение водорода.

Производить мониторинг состояния труб. В данном случае разработка и внедрение цифровых систем контроля, позволяет своевременно обнаруживать микротрещины и изменения механических свойств материала.

Адаптировать технологические процессы, путем изменения процесса сварки, обработки и эксплуатации трубопроводов для минимизации локальных зон повышенных напряжений.

Таким образом, требования к транспортировке водорода опираются на его уникальные физико-химические свойства, которые требуют пересмотра стандартов эксплуатации по сравнению с природным газом. Низкая плотность наряду с его широким диапазоном воспламеняемости, диктуют необходимость особых условий хранения. Кроме того, явление водородной охрупчивости и хрупкости представляют серьезную проблему для надежности трубопроводной инфраструктуры, что требует применения специализированных материалов и технологий мониторинга.

2. Совместимость существующей инфраструктуры и технологические решения.

Переход к транспортировке водорода в рамках уже существующих газотранспортных систем требует всестороннего анализа как глобальных инфраструктурных возможностей, так и технических ограничений материалов, используемых при строительстве трубопроводов [7]. В настоящее время транспортировка газа по территории Республики Казахстан осуществляются по следующим основным магистральным газопроводам:

«Средняя Азия — Центр» (среднеазиатский газ, пропускная способность — 60,2 млрд куб. м в год),

«Макат — Северный Кавказ» (среднеазиатский газ, пропускная способность — 21,9 млрд куб. м в год),

«Бухара — Ташкент — Бишкек — Алматы» (среднеазиатский газ, 5,8 млрд куб. м в год),

«Центральная Азия — Китай» (среднеазиатский газ, 55 млрд куб. м в год)

[5].

Учитывая, что суммарная протяженность магистральных газопроводов Казахстана превышает 18 тыс. км с проектной мощностью порядка 190 млрд куб. м/год (среднегодовая загрузка — около 50%) и дополнительно распределительные сети охватывают 46 тыс. км [5], как наглядно представлено на рисунке 1, демонстрируя высокий уровень газификации территории республики, переход к транспортировке водорода в рамках уже существующих газотранспортных систем требует всестороннего анализа как глобальных инфраструктурных возможностей, так и детального изучения технических ограничений материалов, используемых при строительстве трубопроводов.

Рис. 1. Уровень газификации на территории Республики Казахстан [6].

При строительстве таких систем традиционно используются два основных материала: сталь и полиэтилен.

Сталь обладает высокой механической прочностью и долговечностью, что обеспечивает надёжность при эксплуатации на больших расстояниях и в условиях высокого давления. Однако стальные трубопроводы подвержены водородной охрупчивости, что может привести к микротрещинам и снижению эксплуатационного срока, особенно в зонах повышенных напряжений.

Полиэтилен характеризуется химической инертностью и высокой коррозионной устойчивостью, что делает его привлекательным для использования в распределительных сетях с низким давлением. Ограничением полиэтилена является его относительно низкая прочность при высоком давлении и узкие температурные диапазоны эксплуатации.

Кроме того, перспективным направлением являются разработки в области композитных материалов, способных сочетать высокую прочность и коррозионную устойчивость при относительно малом весе. Несмотря на их высокую стоимость и ограниченный опыт эксплуатации в условиях высокого

давления, композиты могут стать ключевым элементом в будущих трубопроводных проектах [10].

Для наглядности приведена сравнительная таблица 2 основных материалов, применяемых в газотранспортной инфраструктуре.

Таблица 2. Сравнение материалов, используемых в газопроводной инфраструктуре (составлено автором на основе анализа [5,7,10,11]).

Материал Преимущества Ограничения Применение

Сталь Высокая механическая прочность, долговечность, устойчивость к высоким температурам Подверженность водородной охрупчивости и коррозии, необходимость применения защитных покрытий Магистральные газопроводы, системы высокого давления

Полиэтилен Химическая инертность, коррозионная устойчивость, легкость монтажа Ограниченная прочность при высоком давлении, температурные ограничения Распределительные сети, системы низкого давления

Композитн ые материалы Высокая коррозионная устойчивость, низкий вес, потенциально высокая прочность Высокая стоимость, ограниченный опыт эксплуатации при высоких давлениях Перспективные разработки для новых трубопроводов

Проанализировав комплексные структурно-технические аспекты функционирования газопроводной системы в Республике Казахстан, далее будут представлены примеры проектов перепрофилирования, демонстрирующие актуальность и потенциал адаптации устоявшейся инфраструктуры к транспортировке водорода в контексте международных и национальных тенденций модернизации энергетических сетей. В Великобритании реализуется проект HyNet North West, который предусматривает создание интегрированной водородной сети для промышленного и бытового использования. Этот проект, осуществляемый в партнерстве с ведущими инженерными компаниями, нацелен на снижение выбросов углерода и повышение энергетической независимости региона.

Кроме того, Европейская водородная сеть объединяет усилия стран Европейского Союза в разработке дорожных карт и технических стандартов для транспортировки водорода, что позволяет использовать существующие магистральные газопроводы с необходимой модернизацией оборудования. Анализ подобных инициатив свидетельствует о значимости перепрофилирования как способа ускоренного перехода к водородной экономике [8, 9].

Для успешного перепрофилирования газопроводов и адаптации их к транспортировке водорода необходимы современные технологические решения, среди которых выделяются следующие направления:

Применение новых материалов. Разработка и внедрение новых видов стали с улучшенной устойчивостью к водородной охрупчивости, а также композитных материалов, способных обеспечить повышенную коррозионную защиту, является ключевым направлением исследований. Такие материалы способны увеличить срок службы трубопроводов при работе с водородом.

Использование цифрового мониторинга. Современные системы цифрового мониторинга, основанные на использовании оптоволоконных сенсоров, датчиков давления и температуры, а также алгоритмов машинного обучения, позволяют в режиме реального времени контролировать состояние

трубопроводов. Это способствует своевременному обнаружению утечек и предотвращению аварийных ситуаций.

Применение систем обнаружения утечек. Современные методы обнаружения утечек, включая акустические технологии, инфракрасную термографию и интегрированные цифровые платформы, обеспечивают высокую чувствительность и точность диагностики. Такие системы позволяют своевременно реагировать на любые изменения в рабочих параметрах, что является крайне важным для безопасности эксплуатации водородной инфраструктуры [11].

Таким образом, совместимость существующей газотранспортной инфраструктуры с технологией транспортировки водорода определяется как возможностями глобальных сетей, так и используемыми материалами - сталью, полиэтиленом и перспективными композитами. Реальные проекты перепрофилирования, такие как HyNet, North West и Европейская водородная сеть, демонстрируют практическую возможность адаптации существующих систем, а внедрение технологических инноваций (новых материалов, цифрового мониторинга и систем обнаружения утечек) обеспечивает повышение безопасности и эффективности эксплуатации.

Заключение.

В рамках статьи проведён широкий анализ потенциала использования существующих газопроводов для транспортировки водорода. Исследование показало, что фундаментальные физико-химические свойства водорода отличаются от свойств природного газа, что приводит к необходимости пересмотра технических и эксплуатационных требований к трубопроводным системам. Отдельное внимание в работе было уделено проблемам водородной охрупчивости и хрупкости которые негативно влияют на механические свойства стали, используемой в магистральных газопроводах, и требует применения новых сплавов или защитных композитных покрытий для обеспечения долговечности инфраструктуры.

Обзор газопроводных сетей и анализ применяемых материалов демонстрируют, что традиционно доминирующие стальные и полиэтиленовые трубы, несмотря на свои преимущества, обладают определёнными ограничениями при транспортировке водородаъ. Примеры проектов по перепрофилированию, таких как HyNet North West и Европейская водородная сеть, показывают, что при условии внедрения современных технологических инноваций возможно адаптировать существующую инфраструктуру для безопасной транспортировки водорода.

Кроме того, внедрение цифровых систем мониторинга и современных методов обнаружения утечек, основанных на оптоволоконных сенсорах, акустических методах и инфракрасной термографии, позволяет в режиме реального времени контролировать состояние трубопроводов и оперативно реагировать на изменения эксплуатационных параметров.

Таким образом, результаты исследования подтверждают гипотезу о том, что интеграция новых материалов и цифровых технологий обеспечивает эффективное перепрофилирование существующих газопроводов для транспортировки водорода. Это, в свою очередь, представляет возможность для сокращения выбросов парниковых газов и ускорения перехода к низкоуглеродной энергетике. Для дальнейших исследований рекомендуется проведение комплексных испытаний новых материалов, разработка усовершенствованных цифровых систем мониторинга, а также углублённая экономическая оценка долгосрочной эффективности перепрофилирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Казахстан на пути к водородной экономике. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://w.adb.org/sites/default/fHes/pubHcation/914281/chapter-7-russian.pdf (дата обращения: 27.02.2025);

2. Ibrayeva А.Е. Экологическая устойчивость и перспективы водородной энергетики в Казахстане: глобальный опыт и тенденции // Bulletin of the LN

Gumilyov Eurasian National University. Political Science. Regional Studies. Oriental Studies. Turkology Series. - 2023. - Т. 144. - №. 3. - С. 101-118;

3. Федорова Е.Б., Юшин А.О. Влияние водорода, внесенного в поток природного газа, на работу оборудования газотранспортной системы //Вести газовой науки. - 2022. - №. 2 (51). - С. 67-73;

4. Скрипчук Г.А. Водородная хрупкость // Молодой ученый. — 2009. — № 11 (11). — С. 13-15;

5. Казахстан: транспортировка и транзит газа. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://w.cdu.ru/tek_russia/articles/3/1150/ (дата обращения: 27.02.2025);

6. Уровень газификации регионов Казахстана. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://ranking.kz/digest/industries-digest/uroven-gazifikatsii-regionov-kazahstana-ostayotsya-nevysokim.html (дата обращения: 27.02.2025);

7. Проект на $50 миллиардов: как в Казахстане будут производить «зелёный» водород. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://forbes.kz/articles/kak_v_kazahstane_realizuyut_proekt_po_proizvodstvu_zele nogo_vodoroda_stoimostyu_50_mlrd (дата обращения: 28.02.2025);

8. Energy crisis lifeline as UK accelerates £1bn hydrogen plan to slash foreign ties. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://w.express.co.uk/news/science/1614759/energy-crisis-uk-hydrogen-hynet-kent-vertex (дата обращения: 28.02.2025);

9. Компания HyNet была выбрана на первом этапе тендера на проекты CCS в Великобритании. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://w.prpchannel.com/ru/eni-successo-del-progetto-hynet-per-la-decarboniazione-del-regno-unito/ (дата обращения: 28.02.2025);

10. Каримов А. Ш. Анализ безопасности нефте-и газопроводов // Вестник науки. - 2024. - Т. 1. - №. 10 (79). - С. 562-567;

11. Дудин Р.В. и др. Последние достижения в области обнаружения утечек в газопроводах // Вестник Евразийской науки. - 2020. - Т. 12. - №. 1. - С. 9.

Gubaidullin K.

Independent researcher and consultant in the field of management consulting (Houston, USA)

POTENTIAL OF USING EXISTING GAS PIPELINES TO TRANSPORT HYDROGEN

Abstract: the article analyzes the potential of using gas transportation infrastructure for hydrogen transportation in the context of the global energy transition. The main aspects are considered, including the physico-chemical properties of hydrogen and its differences from natural gas, the problems of hydrogen brittleness and embrittlement of pipeline materials, as well as transportation requirements. A review of gas pipeline networks and an analysis of the materials used made it possible to identify the technical and operational challenges faced by the industry when redesigning existing networks. Examples of successful conversion projects such as HyNet North West and the European Hydrogen Network are given, as well as the possibilities of using new materials, digital monitoring and leak detection systems. The research methodology is based on a comparative analysis of other studies, as well as materials posted on the Internet, to review statistical data, as well as existing gas pipeline systems. The results demonstrate that with the implementation of certain technological modifications and the introduction of modern digital solutions, it is possible to ensure safe and efficient transportation of hydrogen, contributing to the reduction of greenhouse gas emissions. The information reflected in the work is of interest to specialists in the field of energy infrastructure, transport engineering, as well as to other researchers involved in the development of modern solutions for the integration of hydrogen energy into the existing gas transmission system.

Keywords: hydrogen energy, gas pipeline infrastructure, conversion, hydrogen embrittlement, digital monitoring, leak detection systems, composite materials.