Науковці двох китайських університетів змоделювали інтегровану систему, у якій водневі паливні елементи живлять тепловий насос на CO₂ із накопичувачем на фазоперехідному матеріалі (PCM). Моделювання показало, що ключовим параметром ефективності є температура на вході катоду, а бак із гексадеканом здатен покрити добову потребу невеликого домогосподарства у гарячій воді. Результати опубліковано у журналі Results in Engineering.
Головне:
- Схема об’єднує 30 стеків PEM-паливних елементів (600 комірок), тепловий насос на CO₂ та PCM-бак зі 100 трубок із гексадеканом.
- Підвищення температури на вході катоду з 2 до 34 °C збільшує водень-теплову ефективність на 29,4%, а водень-електричну — на 60,97%.
- PCM-накопичувач віддає 3,5 кВт·год теплової енергії — достатньо для 75 літрів гарячої води на добу з нагрівом на 40 °C.
- Водночас коефіцієнт перетворення (COP) самого теплового насоса знижується на 19,63%.
Як працює водневий тепловий насос на CO₂
За даними PV Magazine, команда з Дунгуаньського технологічного університету та Університету Сунь Ятсена відтворила у MATLAB роботу установки, де 30 стеків протонообмінних (PEM) паливних елементів по 20 комірок кожен напряму живлять компресор теплового насоса. Теплоносій — вуглекислий газ у надкритичному циклі — передає тепло воді в газоохолоджувачі з витратою 0,08 кг/с. Нагріта вода циркулює через бак зі 100 трубками завдовжки 0,4 м і діаметром 0,05 м, заповненими гексадеканом. Цей вуглеводень плавиться за 18 °C і під час фазового переходу вбирає велику кількість теплоти, яку потім віддає побутовому споживачу.
Після газоохолоджувача CO₂ проходить розширювальний клапан і випарник, де забирає тепло з повітря або води при 19 °C. Відокремлювач рідини та внутрішній теплообмінник не допускають потрапляння рідкого CO₂ у компресор. Таким чином система використовує електрику паливних елементів для живлення компресора, а додаткове тепло видобуває з повітря або води при 19 °C через випарник.
Що показали розрахунки
Автори окремо змінювали температуру довкілля навколо паливних елементів, а також температури на вході аноду і катоду в діапазоні від 2 до 34 °C, тримаючи два інші параметри на рівні 25 °C. Повітряне й водяне джерела тепла було зафіксовано на 19 °C, вода та PCM у баку спочатку мали 5 °C, а розрахунок завершувався досягненням 30 °C на виході з газоохолоджувача.
Виявилося, що саме температура на вході катоду найсильніше впливає на показники системи. Її зростання з 2 до 34 °C підняло водень-теплову ефективність із 28,46 до 36,83 кВт·год/кг (+29,4%), а водень-електричну — з 8,83 до 14,21 кВт·год/кг (+60,97%). Водночас COP самого теплового насоса знизився на 19,63% — причини цього зниження у статті не розкриваються.
Для добової потреби у 75 літрах гарячої води з нагрівом на 40 °C PCM-баку, за розрахунками, потрібно віддати близько 3,5 кВт·год тепла — цей обсяг система покриває.
Чому це важливо для України
Для українського ринку така схема цікава з двох причин. По-друге, зв’язка паливного елемента з тепловим насосом на CO₂ і PCM-акумулятором дає одночасно електрику й нагрів води — без спалювання палива у будинку.
Для децентралізованих систем, які активно обговорюються в контексті відновлення української енергетики, це аргумент на користь гібридних рішень. Схожі напрями перетворення CO₂ та водню на електрику вже досліджують в Азії — наприклад, у корейському проєкті UNIST, — а в питанні ефективного використання тепла корисний контекст дає робота з прямого перетворення тепла в електроенергію. Поєднання таких технологій із заходами, описаними в алгоритмі енергоефективності українських будівель, здатне суттєво зменшити залежність від централізованого теплопостачання.
Поширені запитання
Чому саме CO₂, а не традиційний фреон?
Вуглекислий газ як холодоагент має нульовий озоноруйнівний потенціал і значно нижчий парниковий ефект порівняно з синтетичними фреонами. У надкритичному циклі він ефективно віддає тепло воді при високих температурах, що особливо корисно для систем гарячого водопостачання.
Що робить гексадекан у баку?
Це фазоперехідний матеріал: плавлячись при 18 °C, він поглинає велику кількість тепла і повертає її під час кристалізації. Завдяки цьому бак здатен покрити добову потребу у 75 л гарячої води з нагрівом на 40 °C.
Джерела: PV Magazine