Теплый весенний день в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), но воздух гудит от волнения. В результате двухлетней работы над проектом «Инновационные водородные станции с высокой пропускной способностью» (IHS) исследователи NREL успешно продемонстрировали заправку водородом с высокой скоростью потока в систему большегрузного (HD) транспортного средства с использованием самых современных технологий. возможности Центра интеграции энергетических систем NREL в рамках перспективных исследований среды интегрированных энергетических систем.

Это достижение способствует достижению целей Министерства энергетики США (DOE) и отрасли в отношении электромобилей HD на топливных элементах (FCEV) и инфраструктуры, которая поддерживает достижения в области обезуглероживания в транспортной отрасли. Уже более десяти лет NREL поддерживает передовые исследования методов заправки водородом легких FCEV. Однако грузовые автомобили и техника для тяжелых условий эксплуатации — это предприятие совершенно другого масштаба.

«Спроектировать и построить эти первые в своем роде системы — это значительное техническое достижение, — сказал руководитель проекта Шон Онорато. «Это исследование играет важную роль в характеристике заправки водородом HD и открывает двери для новых протоколов, которые формируют будущее обезуглероженного транспорта».

Проект IHS, осуществляемый в сотрудничестве с Air Liquide, Honda, Shell и Toyota, направлен на решение исследовательских задач и устранение технологических пробелов в разработке высокопроизводительных систем заправки водородом, которые включают полуприцепы класса 8, морские, железнодорожные и горнодобывающие предприятия. Проект частично финансируется Управлением технологий водорода и топливных элементов Министерства энергетики США для поддержки концепции Министерства энергетики H2@Scale в отношении чистого водорода для различных областей применения и секторов экономики. Конечная цель состоит в том, чтобы конкурировать с обычным временем заправки дизельных транспортных средств (примерно 10 минут), что приводит к амбициозному массовому расходу газообразного водорода в среднем 10 кг/мин (пиковое значение 20 кг/мин) на основе максимального потенциала хранения на борту транспортного средства. 100 кг газообразного водорода. Эта скорость примерно в 10 раз превышает средний массовый расход, используемый в настоящее время для легковых автомобилей FCEV.

26 апреля 2022 г. команда IHS превысила эту цель по массовому расходу, продемонстрировав средний массовый расход 14 кг/мин (пиковый 21 кг/мин) при заполнении 40,3 кг блока из 8 резервуаров для хранения водорода — аналогично те, которые используются автомобилями HD, — за 2,87 минуты. Этот промежуточный этап проложит путь проекту к достижению конечного этапа заполнения 60-80 кг менее чем за 10 минут с высокими массовыми расходами.

Создание более крупной водородной топливной системы

Чтобы спроектировать совершенно новую водородную заправочную станцию, исследователи сначала обратились к модели NREL Hydrogen Filling Simulation (H2FillS) . H2FillS — это быстрая, гибкая и бесплатная термодинамическая модель, которая имитирует подачу водорода с водородной станции на легковой FCEV. В 2021 году исследователи существенно обновили модель H2FillS, чтобы привести ее в соответствие с требованиями HD и проектом IHS. В последнем выпуске оптимизирована скорость вычислений модели, которая теперь в 20–40 раз выше, чем в предыдущей версии, и добавлена ​​оптимизация параметра скорости изменения давления. Кроме того, H2FillS теперь исследует весь процесс заправки водородом, чтобы рассчитать оптимальную скорость заправки для автомобилей HD.

Чтобы понять распределение температуры внутри водородных резервуаров транспортного средства (необходимо для разработки новых протоколов заправки топливом), исследователи провели трехмерное вычислительное гидродинамическое моделирование с использованием суперкомпьютера NREL Eagle, чтобы точно определить потенциальные горячие точки и оптимизировать характеристики смешивания. В ходе проекта команда выполнила многочисленные полные и частичные заполнения с помощью компьютерного гидродинамического моделирования, чтобы изучить такие аспекты, как влияние размера резервуара, диаметра инжектора и угла инжектора на смешивание газов. Исследователи сопоставили эти результаты с экспериментальными испытаниями, чтобы постоянно проверять свой процесс и дополнительно улучшать H2FillS для приложений высокой четкости.

Этот интегрированный процесс позволил расширить водородную инфраструктуру Центра интеграции энергетических систем, чтобы создать новое исследовательское пространство для крупномасштабных установок и оценок оборудования. Эти обновления включали новую изолированную бетонную подушку, закрепленную на подстилающей породе, для совместимости с более крупными исследовательскими компонентами с вибрационными характеристиками, такими как системы сжатия водорода. Чтобы обеспечить совместимость с HD-FCEV и грузовыми автомобилями, исследователи включили около 300 кг дополнительного стационарного хранилища водорода высокого давления, а также спроектировали и построили новые панели управления газом среднего и высокого давления, заправочную колонку HD-водорода, новую систему предварительного охлаждения водорода. , и устройство имитации хранения транспортных средств в формате HD.

Новые возможности сверхмощной станции

Демонстрация NREL заправки водородом с высокой скоростью потока открывает двери для расширенных исследований водородных систем HD, включая протоколы заправки (которых в настоящее время не существует) и безопасности, коды и стандарты. В качестве первого объекта в своем роде станция HD NREL позволяет исследователям оценивать аппаратные устройства для заправки водородом HD , такие как форсунки с высокой скоростью потока, сосуды, шланги и разрывные соединения, на контролируемой площадке, чтобы гарантировать безопасность и надежность этих устройств, которые в настоящее время не существует на рынке. Будущее сотрудничество будет использовать возможности новой станции для помощи в развитии заправочной инфраструктуры для HD-FCEV.

«Мы видим светлое будущее для большегрузных автомобилей на топливных элементах, особенно там, где компании сталкиваются со сложной логистикой, требующей жестких рабочих циклов, дальних поездок и быстрой дозаправки», — сказал Онорато. «Этот этап означает новые возможности для разработки и проверки передового опыта использования водородного топлива для поддержки внедрения тяжелых грузовиков на топливных элементах».