MODELING OF FUELING INFRASTRUCTURE FOR CRYO-COMPRESSED HYDROGEN FOR HEAVY MACHINERY UNDER QUARRY CONDITIONS

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Использование водорода как топлива для различных видов транспорта началось еще в середине 20 века [1]. Однако ввиду недостатка технологий и неспособности конкурировать с ископаемыми видами топлива массовое применение водорода как энергоносителя было невозможным. В последние годы интерес к альтернативным видам топлива увеличился из-за растущего дефицита ископаемых углеводородов и все более серьезных проблем с загрязнением окружающей среды. Например, в ноябре 2024 года в КНР был принят Закон об энергетике, по которому водород признан “чистым энергоресурсом” и включён в китайскую систему управления энергопотреблением [2]. 

Использование водорода в качестве средства декарбонизации дорожного транспорта также продолжает расширяться. Согласно статистике, рост внедрения водородных топливных элементов в большегрузные автомобили и автобусы постоянно растет. При этом Китай также занимает лидирующую позицию: рост числа водородного транспорта шёл там в два раза быстрее, чем в Соединенных Штатах, и более чем в три раза быстрее, чем в Европе. [3], Водород постепенно занимает свою топливную рыночную нишу в секторе тяжелой мобильности. Сюда же относятся и карьерные самосвалы. Так как популярность гибридного и электропривода карьерных самосвалов растет, использование водородных топливных ячеек может дать положительный экономический и логистический эффект при организации работы на карьере. 

Высокая энергетическая плотность водорода в сочетании с надежностью транспорта на электроплатформе предсказуемо образуют потенциально экономически эффективный гибридный тандем в качестве силовой установки для сверхтяжелой промышленной техники. В 2022-2024 годах проведены пилотные испытания водородных гибридов практически у всех мировых производителей карьерной техники, включая KOMATSU, Liebherr, БелАЗ, XCMG и др. В это же время в РФ с 2022 года нарастает кризисное состояние в секторе тяжелой специальной мобильности, спровоцированное следующими факторами:

1. Уходом международных вендоров (Caterpillar, Komatsu, Liebherr);
2. Санкционными ограничениями на импорт машиностроительной продукции, включающей силовые установки и ЗИП;
3. Ростом стоимости топлива (за 10 лет ДТ подорожало на 58,6% [4]) и смазочных материалов;
4. Кадровым дефицитом, что в том числе провоцирует рост стоимости обслуживания ТС.

При этом наблюдается стабильный рост отечественного рынка горнодобывающей техники: происходит как запуск новых крупных проектов, так и расширение, и оптимизация существующих парков техники [5].

В этих условиях естественным вектором развития отечественной горнодобывающей отрасли является ориентация на восток, предполагающая развитие взаимодействия с китайскими производителями, а также замещение дизельных силовых агрегатов на электромобильность. Последнее идет в ногу с мировыми трендами: глобальный CAGR (среднегодовой прирост) рынка электромобильности уже превышает 16%, во многом благодаря тяжелой и сверхтяжелой технике [6].

В этих условиях разработка водородного гибрида для отечественной сверхтяжелой техники является актуальной задачей. Стоит учитывать, что общая экономическая эффективность работы такого гибрида прямо связана со стоимостью топлива и временем простоя (в том числе длительностью заправки). Обе эти проблемы могут быть эффективно решены за счет сбалансированной технологической водородной инфраструктурной цепи. Баланс должен выражаться в эффективном использовании энергетической плотности водорода (хранение, транспортировка) совместно с инфраструктурными решениями для сокращения простоя техники при заправке и обслуживании. Поэтому, для разработки водородного гибрида важно выбрать такой способ хранения и транспортировки топлива, который бы обеспечил вышеперечисленные требования.

На сегодняшний день существует множество способов хранения водорода, самыми универсальными из которых являются газообразный водород под давлением, широко применяемый во всех сферах, но теряющий экономическую привлекательность в случае масштабного потребления и больших логистических плечей при транспортировке, и сжиженный водород, фокусным применением которого являются крупные потребители, расположенные далеко от точки производства.

Жидкий водород (LН₂) обладает высокой плотностью (70,85 кг/м3 при 101,325 кПа) и низким давлением при хранении. Однако удельные энергетические затраты (SEC - Specific Energy Consumption) на ожижение водорода относительно велики. Цикл Клода с двумя давлениями на водороде (и с азотным предохлаждением) является основной конфигурацией современных крупных ожижителей водорода (оценочный SEC 10,85 кВтч/кг [7]). Заявленная фактическая SEC ожижителей водорода компании Linde составляет 11,9–13,6 кВтч/кг [3]. Кроме того, капитальные затраты на организацию производства жидкого водорода крайне высоки: требуются водородные детандеры, компактные пластинчато-ребристые теплообменники, реакторы орто-пара конверсии водорода и дорогостоящая изоляция.

Сжатый газообразный водород (GН₂) — это зрелая технология хранения, которая уже повсеместно используется в водородном транспорте. Плотность водорода 11,11-39,05 кг/м3 (300 К) может быть достигнута при 15-70 МПа в баллонах II или III типа. Однако плотность газообразного водорода все еще намного ниже, чем у жидкого. Высокое давление при хранении требует повышенных мер безопасности [7].

Крио-компримированный водород (СсН₂) — перспективный метод хранения водорода, главным достоинством которого является высокая плотность (выше 70,0 кг/м3) при низких энергозатратах на производство [8]. 

Существует способ получения крио-компримированного водорода из криогенной жидкости [9]. Суть метода заключается в адиабатном сжатии жидкого водорода, находящемся в состоянии насыщения при около атмосферном давлении, с помощью криогенного насоса. После сжатия жидкость переходит в сверхкритическое состояние и с температурой порядка 20-30 К поступает в криогенную емкость. Данный способ хранения обеспечивает высокую плотность хранения топлива, но требует предварительного ожижения водорода. Кроме того, при организации заправочной инфраструктуры требуется обеспечение доставки либо производства жидкого водорода непосредственно на заправочной станции. Такой способ хранения и транспортировки выглядит перспективным для больших объемов потребления сверхтяжелой техникой. Однако экономический эффект за счет предварительного ожижения водорода и больших энергетических затрат на этот процесс может быть низким.

Авторы статьи предлагают рассмотреть крио-компримированный водород для сферы карьерной техники по технологии, в которой компримированный газообразный водород будет охлаждаться до криогенных температур и дожиматься до исходного давления (опционально). Благодаря сочетанию компрессии и криогенного охлаждения, возможно получить широкий диапазон плотностей газа и его температур. Орто-пара конверсию проводить в таком случае не требуется. Состояние водорода не влияет на долгосрочное хранение.

Целью данной статьи является анализ возможности применения крио-компримированного водорода, произведенного из газообразного сырья, как энергоносителя и обоснование его использования в сфере карьерной техники в условиях быстрой заправки.

Анализ технико-экономических условий и ограничений для инфраструктуры

Карьерная техника, в частности карьерные самосвалы грузоподъемностью от 130 тонн, работают в специфических условиях (открытые горные работы), а также имеют четкие технико-экономические метрики, подлежащие калькуляции и отслеживанию. Специфика применения техники в РФ накладывает ряд ограничений и представляет требования к организации топливозаправочной инфраструктуры в целом, и водородной инфраструктуры - в частности, на карьере.

Из анализа рынка были определены инфраструктурные условия, которые могут быть поставлены со стороны потенциального Заказчика техники (далее - внешние ограничения), и внутренние ограничения, обусловленные конфигурацией ТС (транспортного средства), наличием на рынке оборудования и т.д.

В таблице 1 собраны внешние граничные условия для инфраструктуры, причины их возникновения и следствия из них, таблица 2 - аналогично для внутренних.

Таблица 1. Внешние Ограничения

Table 1. External Constraints

Таблица 2. Внутренние Ограничения

Table 2. Internal Constraints

Таким образом, исходя из вышеперечисленных причинно-следственных матриц ограничений предлагается организовать на карьере водородную инфраструктуру сменных хранилищ-картриджей на базе баллонов типа III, наполненных крио-компримированным водородом, для организации быстрой заправки карьерных самосвалов.

ОПИСАНИЕ ЗАПРАВОЧНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

При разработке топливозаправочной инфраструктуры были приняты во внимание зрелые технические решения в области Н₂ инфраструктуры. Параметры СсН_2, принятые в исследовании приведены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры СсН₂

Table 3. Parameters of СсН₂

Параметры выбраны, исходя из ограничений, приведенных в Таблицах 1 и 2.

Таким образом, инфраструктурная цепочка технологии быстрой заправки карьерных самосвалов, представленная на рис. 1, включает в себя компримирование произведенного на месте водорода до 300 бар, холодный блок (охлаждение до температуры 85 К), захолаживание и наполнение сменных хранилищ-картриджей, логистику картриджей на небольшом плече доставки (до 100 км) и инфраструктуру замены картриджей на карьере.

Рис.1. Инфраструктура решения

Fig. 1. Solution Infrastructure

Рис.2. Схема установки криогенной заправки сжатым водородом

Fig. 2. Cryogenic hydrogen refueling system installation diagram

Таблица 4. Условные обозначения на схеме

Table 4. Legend for the diagram

Принципиальная схема стационарной заправочной станции крио-компримированным водородом представлена на рисунке 2.Условные обозначения для схемы содержатся в таблице 4.

Водород поступает от блока получения и подготовки водорода (при производстве непосредственно вблизи заправочной станции) в компрессорный блок (БКМ 200). Также возможна подпитка в линию подачи водорода на всасывание из ресивера низкого давления Р-601 блока хранения водорода (БХВ 600). В ресивере низкого давления может храниться как накопленный в ходе технологического процесса водород, так и сырье доставленное с отдаленного места производства и предварительно очищенно до чистоты не ниже 99,99%. После сжатия с последующим охлаждением в концевом охладителе блока БКМ 200, водород высокого давления поступает в блок комплексной очистки БКО 300 (опционально адсорбционная очистка/осушкаа/маслоочистка). Ресивер Р-301 в составе БКО 300 служит буферным объёмом на время перестыковки хранилищ-картриджей и переключения арматуры блока криогенной заправки БКЗ 500. В случае длительной паузы в работе БКЗ 500, происходит закачка водорода в ресивер высокого давления Р-602. Он же впоследствии служит для подпитки в линию высокого давления.

Из блока очистки водород поступает в блок охлаждения водорода БОВ 400, в состав которого входит блок холодильной машины БХМ 410. Холодильная машина предназначена для охлаждения потока водорода в теплообменных аппаратах ТОА-401, ТОА-402 в режиме хладагент – водород. Для захолаживания водорода выбран азотный детандерный цикл с пропановым предварительным охлаждением. После охлаждения в теплообменном аппарате ТОА-401 производится заполнение контура БКЗ 500 охлажденным водородом высокого давления.

После набора в БКЗ 500 промежуточного давления газодувка К-501 (привод от турбины Т- 501), начинает прокачивать газ через контур БКЗ 500, продувка баллонов и их наполнение регулируется запорной арматурой. Водород циркулирует, охлаждаясь в теплообменнике ТОА-402. По мере охлаждения, давление в БКЗ 500 снижается, периодически осуществляется подпитка БКЗ 500 до промежуточного давления. После установления в БКЗ 500 проектной температуры при проектном давлении, криогенная заправка считается готовой к работе.

Происходит пристыковка картриджа с помощью БРС (быстроразъемное соединение). Безопасность в случае негерметичности обеспечивается сбросом водорода из контура БКЗ 500 и отключением подачи газа. При работе с теплым картриджем, требуется вакуумировать систему вакуумным насосом БВН 800. При работе с холодным картриджем (с остатками Н₂) производится продувка участков БРС (азотом из БПАиВ 700).

Для заполнения картриджа холодным водородом газодувка К-501 прокачивает водород через него с возвратом через ТОА-402. По мере падения давления ниже промежуточного, осуществляется подпитка контура БКЗ 500.

При достижении внутри картриджа промежуточного давления и температуры – 85 К, контур БКЗ 500 переходит в режим работы «на байпас» (циркуляция отсутствует).

Предусмотрен и режим заправки без использования газодувки К-501.

В таком случае задействован ресивер низкого давления Р-601. Также в него может быть сброшено давление из контура БКЗ 500.

Полный список запорной и регулирующей арматуры приведен в таблице 5.

Таблица 5. Список арматуры в установке

Table 5. List of fittings in the installation

Предложенная схема является цикличной, оснащена ресиверами и прочими элементами для обеспечения безопасности в случае остановки, однако картридж не рассчитан на резкое повышение давления, например вследствие теплопритоков. Необходимо подтвердить, что в данном сценарии заправочной инфраструктуры теплопритоки из окружающей среды к холодному картриджу при транспортировке не вызовут избыточного повышения давления, приводящего к разрушению оболочки баллонов типа III.

РАСЧЕТ ТЕПЛОПРИТОКОВ К СМЕННОМУ КАРТРИДЖУ

Крио-компримированный водород, предназначенный для использования в качестве топлива карьерных самосвалов грузоподъемностью 130 т., предлагается хранить и транспортировать в металло-композитных баллонах (тип III) объемом 210 литров, скомпонованных в картриджи по 12 штук (рис. 3). Один картридж вмещает 126 кг CcH₂ при температуре 85 К и давлении 25 МПа.

Технические параметры баллонов и с картриджа на их основе в данном исследовании приняты по данным компании Heifei Sinpower (КНР), параметры баллона 210 л. приведены в таблице 6 [10].

Рис.3. Картридж для хранения и транспортировки CcH₂

Fig. 3. Cartridge for storage and transportation of CcH₂

Таблица 6. Параметры баллона Heifei Sinpower тип III

Table 6. Parameters of the Heifei Sinpower Type III cylinder

В качестве изоляции для картриджа предлагается использовать кожух, с теплоизолирующими стенками, состоящими из двух слоёв пенополиуретановых плит (ППУ), толщиной 100 мм каждая. Таким образом, толщина стенки изоляционного кожуха составляет 200 мм.

Баллоны картриджа изолируются гибкими листами теплоизоляции по внешней поверхности. Сборка такого моноблока из теплоизолированных баллонов покрыта дополнительным слоем изоляции толщиной 20 мм. Длина картриджа с учетом слоя изоляции составляет 2184 мм.

Проведена оценка нестационарных термодинамических процессов в баллонах картриджа при его транспортировке методом CFD-моделирования (CFD - вычислительная гидродинамика, Computational fluid dynamics) в программном обеспечении ANSYS. Цель - определить возможное время бездренажного хранения крио-компримированного водорода.

Расчет теплопритоков в процессе транспортировки картриджа от наполнительной станции до места потребления проведен для картриджа из 12 металокомпозитных баллонов (рис. 3). Для сокращения времени расчета без потери точности результатов рассмотрена ¼ часть исходной геометрии (рис. 4). Сгенерирована сетка высокого качества в модуле ANSYS Meshing с применением метода «poly-hexcore» (рис. 4). Минимальный размер ячеек составил 0,6 мм, максимальный 30 мм.

Рис. 4. Расчетная сетка, сечение вдоль / поперек баллонов

Fig. 4. Calculation grid, cross-section along/across the cylinders

Оценка предельного повышения давления и температуры в  баллонах картриджа проведена для постоянной температуры крио-компримированного водорода (85 К) комбинированным методом следующим образом.

На первом этапе определено значение предельного коэффициента теплопередачи от внешней среды к внутреннему объему газа при помощи теплового расчёта в ANSYS Fluent. Температура газовой фазы внутри баллонов принудительно задана неизменной и составляет 85 К для соответствующего стационарного расчета.

Расчет в ANSYS Fluent проведен для следующих параметров, указанных в таблицах 7 и 8.

Таблица 7. Начальные и граничные условия в стационарном CFD расчете

Table 7. Initial and boundary conditions in steady-state CFD analysis

Таблица 8. Теплофизические свойства областей, содержащих твердую фазу

Table 8. Thermophysical properties of regions containing a solid phase

Свойства водорода определены как для сжимаемого реального газа при помощи программы REFPROP, встроенной в функционал ANSYS Fluent.

Течение газа в объеме баллонов принято ламинарным с учетом вязкостного нагрева потока жидкости «Viscous Heating».

В процессе решения получен достаточно низкий уровень невязок порядка 10^-11 для уравнений неразрывности и сохранения импульса, а также 10^-17 для уравнения энергии, необходимые для получения достоверного решения.

Таким образом, по результатам моделирования на первом этапе получено распределение температуры (рис. 5), которое в дальнейшем использовано как начальная температура при проведении нестационарного расчета.

Рис. 5. Тепловой градиент при стационарном расчете коэффициента теплопередачи  от внешней среды к внутреннему объему газа

Fig. 5. Thermal gradient in steady-state calculation of the heat transfer coefficient α from the external environment to the internal volume of the gas

Таким образом, по полученным данным определено верхнее значение коэффициента теплопередачи α_пр от внешней среды к внутреннему объему газа постоянной температурой 85 К. Оно составило 0,194 Вт·м^-2·К^-1.

На втором этапе использована простая численная модель с сосредоточенными параметрами, которая описывает отогрев газовой области за счет известного коэффициента теплоотдачи α=α_пр, который был определен на этапе CFD моделирования. Система уравнений для решения данной задачи включает в себя уравнения сохранения массы (1) и энергии (2).

где– объем баллона, м³;  – плотность газа, кг·м^-3; и – температура, К и давление газа, Па на предыдущем временном шаге 1 соответственно;  и  – температура, К и давление газа, Па на текущем временном шаге  соответственно;  – удельная энтальпия газа, Дж·кг^-1;  – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности к окружающей среде, Вт·м^-2·К^-1;  – площадь внешней поверхности топливной ячейки, м²;  –  температура окружающей среды.

По результатам моделирования на втором этапе получены зависимости средней температуры газа и давления от времени отепления (рис. 6).

Рис.6. Зависимости средней температуры газа и давления от времени отепления

Fig. 6. Dependencies of average gas temperature and pressure on heating time

Таким образом, при отогреве картриджа с начальной температурой 85 К и давлением 267,5 бар в течении 4-х часов температура поднимется до 92,4 К, а давление на 33,8 бар (до абсолютного давления 301,3 бар).

Далее производен анализ характера изменения коэффициента теплопередачи  в рамках нестационарного CFD расчета с целью определить ошибки при расчете по предельному коэффициенту теплопередачи α_пр.

Данный нестационарный CFD расчет также опирается на параметры моделирования, приведенные в таблицах 7 и 8, однако в качестве начальных условий приняты результаты, полученные в рамках стационарного CFD расчета: температуры каркаса, изоляции и баллонов.

В процессе решения получен достаточно низкий уровень невязок порядка 10^-4 для уравнений неразрывности и сохранения импульса, а также 10^-6 для уравнения энергии, необходимый для получения достоверного решения.

Значение коэффициента теплопередачи α рассчитано для первых 5-ти секунд процесса, в пределах которых формируется основной температурный градиент, ухудшающий теплопередачу вглубь объема газа. Таким образом, значение устойчивого коэффициента α составило порядка 0,138 Вт·м^-2·К^-1 (рис. 7).

Рис.7. Значение коэффициента теплопередачи α, рассчитанное в процессе нестационарного CFD расчета в течении первых 5 секунд процесса

Fig. 7. Value of the heat transfer coefficient α, calculated during the transient CFD analysis over the first 5 seconds of the process

Таким образом, по полученному коэффициенту теплопередачи α проведено моделирование отогрева газовой области с применением модели с сосредоточенными параметрами по уравнениям (1) и (2). В результате получены зависимости средней температуры газа и давления (рисунок 8) от времени отепления.

Рис.8. Зависимости средней температуры газа  и давления от времени отепления для коэффициента теплопередачи α=α_пр=0,194 Вт∙м^-2∙К^-1 и α=0,138 Вт∙м^-2∙К^-1

Fig. 8. Dependencies of the average gas temperature and pressure on heating time for the heat transfer coefficient α = α_ex = 0.194 W·m⁻²·K⁻¹ and α = 0.138 W·m⁻²·K⁻¹

Таким образом, при отогреве водорода внутри картриджа с начальной температурой 85 К и давлением 267,5 бар в течении 4 часов с коэффициентом теплопередачи α=0,138 Вт∙м^-2∙К^-1, его температура поднимется до 90,3 К, а давление на 24,2 бар ( до абсолютного давления 291,7 бар).

Следовательно, значение поправочного коэффициента на ошибку при расчете повышения давления по предельному коэффициенту теплопередачи α_пр, составит порядка 1,4.

В связи с тем, что ожидаемый расход водорода по итогам испытания водородных гибридов при работе 130 тонного самосвала составляет от 15 до 25 кг/ч, приращение давления вследствие теплопритоков из окружающей среды в режиме потребления водорода меньше, чем уменьшение давления за счет уменьшения массы водорода (потребления самосвалом). Это означает, что максимальное давление в баллонах ожидается непосредственно перед началом потребления водорода. По результатам численной модели получено, что в течение 4 часов давление водорода внутри баллонов картриджа будет не выше 30,5 МПа, при номинальном давлении хранения водорода в баллонах типа III производителя Heifei Sinpower 35 МПа. На основании этого можно сделать вывод о безопасности использования водородных картриджей и возможности их транспортировки от места заправки до карьера без критического повышения давления. Теоретически реализация предложенной технологии заправки крио-компримированным водородом карьерных самосвалов возможна.

Моделирование модульной установки производства и наполнения CcH₂

Для оценки удельных энергетических затрат предложенной схемы криогенной заправки было проведено моделирование цикла в программной среде Aspen HYSYS. При моделировании не учитываются теплопритоки к теплообменным аппаратам и трубопроводам, энергопотребление вспомогательных установок (межступенчатое охлаждение и т.п.). Оценены затраты на компримирование всех рабочих сред в цикле. Рабочие среды: продукционный водород на заправку, хладагенты – азот, пропан. Азотный и пропановый контуры были рассчитаны с помощью уравнения состояния реального газа Пенг-Робинсона. Для вычисления параметров водородного контура использовалось уравнение MBWR. Параметры заправочного комплекса CcH₂ приведены в таблице 9.

Таблица 9. Параметры заправочного комплекса CcH₂

Table 9. The parameters of the CcH₂ filling complex

Для обеспечения работы карьера, на котором работают до 40 транспортных средств, был предложен следующий сценарий заправки, представленный в таблице 10. Показан расход циркуляции среды (водорода), необходимый для захолаживания стенок баллонов картриджа при продувке от температуры окружающей среды до температуры 88 К.

Таблица 10. Сценарий заправки

Table 10. Refueling scenario

В результате моделирования получены энергетические затраты холодильного блока и удельные энергетические затраты для конечного продукта по предложенной схеме компримирования и охлаждения водорода. Результаты представлены в таблице 11.

Таблица 11. Оценка энергетических затрат на производство CcH₂

Table 11. Assessment of energy costs for CcH2 production

Удельные затраты на получение крио-компримированного водорода на 49% ниже относительно удельных затрат на ожижение водорода, что позволяет сделать вывод о том, что технология подготовки крио-компримированного водорода из газообразного сырья с последующим охлаждением может иметь потенциальный экономический эффект для потребителей большого количества водорода, например, карьерных самосвалов. Гибкость и вариативность параметров крио-компримированного водорода (давление и температура), которые можно достичь, позволяют утверждать, что необходима оптимизация по вышеперечисленным условиям и совместная работа как с производителями баллонов, так и производителями транспортных средств на водородных силовых установках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На фоне роста спроса на водород в качестве топлива в мире в том числе в сфере сверхтяжелой техники, а также нарастающего кризисного состояния в секторе тяжелой специальной мобильности в РФ (в частности, карьерных самосвалов), разработана и предложена технология хранения и транспортировки водорода в крио-компримированном состоянии.
2. Технология учитывает потребности заказчиков на минимальное время заправки, сопоставимое с техникой горнодобывающей промышленности на дизельном топливе, а также ориентирована на достижение максимального экономического эффекта.
3. В связи с этим предложено использовать крио-компримированный водород, полученный путем сжатия теплого газообразного водорода с последующим охлаждением до температур около 80 К (не требующих экранно-вакуумной изоляции для безопасной работы), что позволяет уйти от затрат на ожижение водорода по сравнению с традиционной технологией крио-компримирования [9] и использовать доступные на рынке компоненты для организации хранения такого водорода.
4. Разработанная заправочная инфраструктура предполагает подготовку и заправку картриджей-хранилищ вблизи места производства водорода с последующей доставкой на карьер. На карьере осуществляется горячая замена отработанных картриджей напрямую с транспортного средства.
5. Была предложена конфигурация сменного картриджа, состоящая из 12-ти баллонов типа III, объемом по 210л. Проведен расчет теплопритоков к системе с применением CFD-моделирования. Определено повышение температуры и давления водорода внутри баллонов, коэффициент теплопередачи. За 4 часа бездренажного хранения ожидается повышение давления на 33,8 бар и температуры на 7,4 К. Потребление водорода топливным элементом карьерного самосвала составляет от 15 до 25 кг/ч, что исключает избыточное повышение давления вследствие теплопритоков в процессе эксплуатации самосвала. Таким образом, результаты расчета подтверждают возможность реализации сценария доставки сменных картриджей на карьер и непосредственно к борту самосвала для замены.
6. Предложена схема стационарной криогенной заправки, описан принцип её работы. Проведено моделирование цикла компримирования и охлаждения водорода такой заправки, обслуживающей карьер до 40 машин. Учтены энергетически затраты на компрессию продукционного водорода и его охлаждение холодильной машиной на азоте с предварительным охлаждением пропаном). Удельные затраты на подготовку и заправку крио-компримированного водорода в картридж могут быть на 49% меньше, чем на ожижение водорода.
7. Для полноценной разработки и внедрения технологии требуется решить ряд оптимизационных задач: давление и температура хранения водорода в картриджах, время заправки картриджей на стационарных заправках, необходимость теплоизоляции с учетом тепловой нагрузки на холодильную машину при продувке и охлаждении баллонов картриджа, а также удаленности заправки от мест разработки.

About the authors

Artyom Nesterov

Author for correspondence.
Email: artyomnest2004@gmail.com
ORCID iD: 0009-0009-5721-8258
Russian Federation

Alexander S Krotov

Email: krotov@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9671-8890
SPIN-code: 4165-8154

Anna I Egorova

Email: egorova.ai@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1391-5002
SPIN-code: 9860-8922

Viktoria S Klimova

Email: kvs16ea249@student.bmstu.ru
SPIN-code: 2823-6269

Maxim S Mazyakin

Email: maxim.maziakin@gmail.com
ORCID iD: 0009-0007-7426-2176

Ivan V Sherbakov

Email: vanya-sherbakov@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-6366-5285

Egor A Sizov

Email: sizov.egor@outlook.com
ORCID iD: 0009-0008-3613-1906

Igor D Shelyakin

Email: shelyakinlife@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5205-0796
SPIN-code: 4624-5336

References

Supplementary files