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

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Abstract

BACKGROUND: In the context of the growing demand for environmentally friendly and efficient energy sources, hydrogen has emerged as a carrier with a high energy density and, essentially, zero CO2 emissions into the atmosphere. For the steadily developing sector of heavy mobility powered by hydrogen fuel, the issue of safe and high-density hydrogen storage is of significant importance.

AIMS: Theoretical analysis of the feasibility of applying rapid refueling technology with cryo-compressed hydrogen for quarry equipment.

MATERIALS AND METHODS: CFD modeling of heat influx to the changeable cartridge with cryo-compressed hydrogen has been conducted. The cycle of compressing gaseous hydrogen followed by cooling to 85K was simulated in the ASPEN HYSYS software environment

RESULTS: The specific costs of the cycle have been evaluated, and conclusions have been drawn regarding the energy efficiency of this storage method in relation to known and already tested methods of hydrogen fuel storage, including those used on board vehicles.

CONCLUSIONS: In the course of the current study, a conclusion was reached regarding the potential promising use of cryo-compressed refueling for quarry equipment utilizing interchangeable cartridge technology. Based on the simulation results, it can be concluded that this solution can be implemented and operated safely. Additionally, theoretical values of Specific Energy Consumption (SEC) for this technology have been obtained during the research.

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

Описание ограничения

Причина возникновения

Следствие из ГУ

1

TCO H2 с интересом производителя топлива - не более 30 Р/нм3

Конкуренция с ДТ (дизельное топливо)

Максимальное повышение плотности Н2 при минимальном CAPEX и OPEX

2

Время заправки около 5 мин

Конкуренция с ДТ

Технология сменных хранилищ

3

Время работы на полном баке - 11 часов

Заправка ТС должна производиться между сменами. Длительность 1 смены - 11 часов.

Максимальное повышение плотности Н2 на борту

4

Самосвал не должен покидать контур карьера

КС не покидают контур карьера для заправочных процедур, так как это ведет к большому перерасходу топлива и снижению эффективности работы единицы техники

Технология сменных хранилищ - перенос капитальной инфраструктуры, включающей наполнение хранилища, за пределы карьера

5

Организация мобильной заправки КС

В связи с высокой интенсивностью горных работ в РФ самосвалам может потребоваться мобильная дозаправка в любой части карьера

Технология сменных хранилищ, предполагающая доставку заполненного хранилища в любую точку карьера

6

Возможность полного опустошения топливного бака

Сервис ТС происходит в капитальных закрытых ангарах, поэтому не допускается остаточное давление в баках КС

Технология сменных хранилищ, позволяющая осуществлять сервис ТС отдельно от сервиса хранилища Н2

7

Модульность цепочки создания ценности топлива

Возможность организации транспортной услуги

Модульное решение по наполнению хранилищ и технология сменных хранилищ.

 

Таблица 2. Внутренние Ограничения

Table 2. Internal Constraints

Описание ограничения

Причина возникновения

Следствие из ГУ

1

Давление Н2 -  не более 300 бар

Рыночные решения для масштабного компримирования Н2 -  не выше 350 бар

Давление Н2 - 270 бар

2

Температура Н2 - не менее 80К

Промышленно достижимая температура

Температура Н2- 85 К

3

Хранилище на борту ТС без экранной/вакуумной изоляции

Минимизация CAPEX/OPEX, не требуется дополнительных сертификационных мероприятий

Применение сменного хранилища с ППУ изоляцией

4

Применение баллонов типа III для хранения Н2 на борту ТС

Для минимизации CAPEX решения

Сменное хранилище-картридж на базе баллонов типа III

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 СсН2, принятые в исследовании приведены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры СсН2

Table 3. Parameters of СсН2

TCcH2, K

P CcH2, МПа

ρCcH2, кг/м3

85

27

53,806

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

Обозначение на схеме

Пояснение

БКМ(200)

Блок компримирования (сухие КМ/ВКМ)

БКО(300)

Блок комплексной очистки

БОВ(400)

Блок охлаждения водорода

БКЗ(500)

Блок криогенной заправки

БХВ(600)

Блок хранения водорода (ресивер НД, ресивер ВД)

БПАиВ(700)

Блок подготовки азота и воздуха

БВН(800)

Блок вакуумных насосов

 

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

Элемент

Тип

Назначение

БКМ 200

В-201

Вентиль регулирующий

Плавный пуск КМ, перепуск при простое заправки

БКО 300

Р-301

Ресивер линейный

Буферная емкость для закачки компрессором

В-301

Вентиль запорный

Перекрытие потока в БОВ 400

БОВ 400

БХМ 410

Машина холодильная (Азотный контур с пропановым ПО)

Охлаждение потока водорода высокого давления

РМ-401

Расходомер (кориолисовый)

Учет газа на входе в БКЗ 500

ТОА-401

Аппарат теплообменный (ВТОА)

Охлаждения потока водорода из БКМ 200

БКЗ 500

ТОА-501

Аппарат теплообменный (нагреватель атмосферный/ электронагреватель/ водный нагреватель)

Отогрев водорода перед пуском в РНД

К-501

Газодувка (турбовентилятор криогенный/ РУТЗ)

Циркуляция газа в БКЗ 500

В-501

Вентиль запорно-регулирующий

Наполнение и подпитка БКЗ 500

В-502

Вентиль регулирующий

Регулирование температуры после ТОА-402

В-503

Вентиль регулирующий

Регулирование температуры после ТОА-402

В-504

Вентиль запорно-регулирующий

Отсечение портов картриджа, плавное заполнение баллонного блока

В-505

Вентиль запорно-регулирующий

Отсечение портов картриджа, плавное заполнение баллонного блока

В-506

Вентиль запорный

Сдув излишков водорода из БКЗ 500 в БХВ 600

В-507

Вентиль запорно-регулирующий

Сдув излишков водорода из БКЗ 500 в БХВ 600

В-508

Вентиль регулирующий

Байпас с картриджа

В-509

Вентиль запорно-регулирующий

Отсечение портов картриджа, плавное заполнение картриджа

В-510

Вентиль запорный

Отсечение контура газодувки К-501на финальном этапе заправки или при полной заправке через БКМ 200

Блок баллонный

ВБ1

Вентиль запорный

Отсечение картриджа

ВБ2

Вентиль запорный

Отсечение картриджа

БХВ 600

Р-601

Ресивер линейный

Сбор технологических сдувок чистого водорода

Р-602

Ресивер линейный (баллонные сборки)

Буферный объём для работы компрессора

В-601

Вентиль регулирующий

Подача водорода в БКМ 200 из Р-601

В-602

Вентиль регулирующий

Заполнение Р-602

В-603

Вентиль регулирующий

Подпитка линии высокого давления из БКМ 200

В-604

Вентиль регулирующий

Дросселирование водорода из сдувок перед Р-601

БПАиВ 700

Продувка контура, в частности БРС б картриджа, питание приводов арматуры, питание Т-501 при помощи компрессора К-701

БВН 800

Подготовка картриджа, узлов БХВ

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

Номинальный объем, л

Наружный диаметр, мм

Длина без клапана, мм

Номинальный вес, кг

Рабочее давление, МПа

210

422

2120

115

35

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

Начальные условия

Граничные условия

Параметр

Значение

Параметр

Значение

Температура каркаса, изоляции, баллонов)

296,15 К

Температура окружающей среды

296,15 К

Давление водорода

267,5 бар

Коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности к окружающей среде

8 Вт·м-2·К-1

Температура водорода

85 К

(постоянная)

Тепловой потока на границах «симметрии»

0 Вт

 

Таблица 8. Теплофизические свойства областей, содержащих твердую фазу

Table 8. Thermophysical properties of regions containing a solid phase

Среда

Параметр

Среда

Параметр

Сталь

Пенополиуретан

Плотность

8030 кг·м3

Плотность

35 кг·м3

Теплоемкость

502,48 Дж·кг-1·К-1

Теплоемкость

1470 Дж·кг-1·К-1

Теплопроводность

16,27 Вт·м-1·К-1

Теплопроводность

0,025 Вт·м-1·К-1

Алюминиевый лейнер баллона

Армирующая обмотка баллона

Плотность

2725 кг·м3

Плотность

1800 кг·м3

Теплоемкость

(-117,3 + 7.1·T – 0,0124·T2 ) Дж·кг-1·К-1

Теплоемкость

752 Дж·кг-1·К-1

Теплопроводность

(392,4 – 0,95·T - 2,93·10-4· ·T+ 5,7·10-6·T2 ) Вт·м-1·К-1

Теплопроводность

0,105 Вт·м-1·К-1

 

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 αпр 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=αпр, 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 αпр.

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=αпр=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 = αex = 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 αпр, 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

Параметр

Значение

Давление компримирования водорода

30 МПа

Охлаждение

Азот жидкость + газ

(многопоточный ТОА)

Холодопроизводительность азотной ХМ

1150 кВт

Холодопроизводительность пропанового ПО

700 кВт

Температура водорода после концевого охладителя

Не более 303 К

Температура водорода после блока охлаждения

Не более 82 К

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

Количество обслуживаемых машин

До 40

Параллельная заправка картриджей

5

Расход водорода на продувку

260 кг/ч

Время заправки

(наполнение + захолаживание)

2 часа

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

Расход H2 на продувку и заправку картриджей

1300 кг/ч

Затраты на компримирование водорода

(до 300 Бар)

3618 кВт

Затраты на компримирование азота

(до 22 Бар)

3358 кВт

Затраты на компримирование пропана

253,3 кВт

Удельные затраты в цикле CcH2

5,56 кВт∙ч/кг

Удельные затраты на получение LH2

10,85 кВт∙ч / кг [3]

Удельные затраты на получение GH2

(70 МПа)

2,28 кВт∙ч / кг [11]

 

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.
×

References

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.