Pipe-in-pipe solutions for hydrogen transport employing fibre-reinforced polymers: material assessment and application evaluation

To tackle climate change and the need for greater energy security, hydrogen is expected to play a key role in the decades to come, and the possibility of harnessing the existing natural gas grid for hydrogen transport can provide a boost to the development of a more robust hydrogen economy. This work aims to investigate the pipe-in-pipe system as an alternative to the blending of hydrogen and natural gas, to which numerous studies and projects are dedicated, specifically at the transmission level, which is most critical due to mechanical stresses and hydrogen embrittlement of metal pipes. It allows hydrogen to be transported in a pipe inserted inside a natural gas duct, while continuing to supply gas in the annulus, which is expected to remain relevant in the transition towards net-zero CO2 emissions. A fluid-dynamic study is performed, developing a steady state, 1D, finite-volume model, exploited to determine the optimal diameter of the internal pipe, identified as the one that yields equal gas pressures on both sides of the wall, minimizing the mechanical demand. The analysis considers the use of fibre-reinforced polymer composites, specifically glass or carbon fibre-reinforced epoxy resin and glass fibre-reinforced polypropylene, which are experimentally evaluated in terms of roughness and hydrogen permeability at RWTH Aachen University, in Germany. The results show that the quality of natural gas in the annulus is not affected by H2 contamination, of the order of ppm, and that the difference between the roughness values of the three materials does not have a significant impact on fluid dynamics, values which are in any case approximately 0.5-1 μm and thus two orders of magnitude lower than those of steel pipes. The pipe-in-pipe system also requires about five times the number of recompression stations than those for transporting the blend, at equal flow rates, with a consequent increase in CAPEX, in contrast to OPEX, which is not greatly affected by the comparison between blend and pipe-in-pipe. Indeed, although the compression power for the latter is 10-20% higher, in both cases this consumption is marginal compared to the energy flow rate.

Per far fronte al cambiamento climatico e alla necessità di una maggiore sicurezza energetica, si prevede che l'idrogeno giocherà un ruolo chiave nei decenni a venire e la possibilità di sfruttare la rete esistente del gas naturale per trasportare idrogeno può fornire una spinta allo sviluppo di una economia dell’idrogeno più solida. Questo lavoro si propone di investigare il sistema pipe-in-pipe come alternativa al blending di idrogeno e gas naturale, cui numerosi studi e progetti sono dedicati, in particolare a livello della rete di trasporto, maggiormente critica per stress meccanici e infragilimento da idrogeno delle tubazioni metalliche. Esso consente il trasporto di idrogeno in una tubazione inserita all'interno di un condotto del gas naturale, continuando a fornire gas nella sezione anulare, che ci si aspetta rimanere rilevante nella transizione verso le zero emissioni nette di CO2. Viene svolto uno studio fluidodinamico, sviluppando un modello stazionario, 1D, a volumi finiti, impiegato per determinare il diametro ottimale del tubo interno, identificato come quello che determina uguali pressioni dei gas sui due lati della parete, minimizzando le sollecitazioni meccaniche. L'analisi considera l'utilizzo di materiali compositi polimerici rinforzati con fibre, in particolare resina epossidica rinforzata con fibre di vetro o carbonio e polipropilene rinforzato con fibra di vetro, che sono caratterizzati sperimentalmente in termini di rugosità e permeabilità a idrogeno presso la RWTH Aachen University, in Germania. I risultati mostrano che la qualità del gas naturale nella sezione anulare non è influenzata dalla contaminazione di H2, dell’ordine dei ppm, e la differenza tra le rugosità dei tre materiali non incide significativamente sulla fluidodinamica, valori che sono comunque nell’intorno di 0,5-1 μm e quindi due ordini di grandezza inferiori a quelli dei tubi in acciaio. Inoltre le stazioni di compressione richieste dal sistema pipe-in-pipe sono circa cinque volte quelle richieste per il trasporto del blend a parità di portata, con un conseguente aumento di CAPEX, al contrario dell’OPEX, che non subisce grandi variazioni tra blend e sistema pipe-in-pipe. Infatti, nonostante la potenza di compressione per quest’ultimo sia più alta del 10-20%, in entrambi i casi essa è marginale rispetto all’energia trasportata.