Исследователи двух китайских университетов смоделировали интегрированную систему, в которой водородные топливные элементы питают тепловой насос на CO₂ с накопителем на фазопереходном материале (PCM). Моделирование показало, что ключевым параметром эффективности является температура на входе катода, а бак с гексадеканом способен покрыть суточную потребность небольшого домохозяйства в горячей воде. Результаты опубликованы в журнале Results in Engineering.
Главное:
- Схема объединяет 30 стеков PEM-топливных элементов (600 ячеек), тепловой насос на CO₂ и PCM-бак со 100 трубками из гексадекана.
- Повышение температуры на входе катода с 2 до 34 °C увеличивает водородно-тепловую эффективность на 29,4%, а водородно-электрическую — на 60,97%.
- PCM-накопитель отдаёт 3,5 кВт·ч тепловой энергии — достаточно для 75 литров горячей воды в сутки с нагревом на 40 °C.
- При этом коэффициент преобразования (COP) самого теплового насоса снижается на 19,63%.
Как работает водородный тепловой насос на CO₂
По данным PV Magazine, команда из Дунгуаньского технологического университета и Университета Сунь Ятсена воспроизвела в MATLAB работу установки, где 30 стеков протонообменных (PEM) топливных элементов по 20 ячеек каждый напрямую питают компрессор теплового насоса. Теплоноситель — углекислый газ в сверхкритическом цикле — передаёт тепло воде в газоохладителе с расходом 0,08 кг/с. Нагретая вода циркулирует через бак со 100 трубками длиной 0,4 м и диаметром 0,05 м, заполненными гексадеканом. Этот углеводород плавится при 18 °C и в процессе фазового перехода поглощает большое количество теплоты, которую затем отдаёт бытовому потребителю.
После газоохладителя CO₂ проходит расширительный клапан и испаритель, где забирает тепло из воздуха или воды при 19 °C. Сепаратор жидкости и внутренний теплообменник предотвращают попадание жидкого CO₂ в компрессор. Таким образом система использует электричество топливных элементов для питания компрессора, а дополнительное тепло извлекает из воздуха или воды при 19 °C через испаритель.
Что показали расчёты
Авторы последовательно изменяли температуру окружающей среды вокруг топливных элементов, а также температуры на входе анода и катода в диапазоне от 2 до 34 °C, удерживая два других параметра на уровне 25 °C. Воздушный и водяной источники тепла были зафиксированы на 19 °C, вода и PCM в баке изначально имели 5 °C, а расчёт завершался при достижении 30 °C на выходе из газоохладителя.
Оказалось, что именно температура на входе катода сильнее всего влияет на показатели системы. Её рост с 2 до 34 °C поднял водородно-тепловую эффективность с 28,46 до 36,83 кВт·ч/кг (+29,4%), а водородно-электрическую — с 8,83 до 14,21 кВт·ч/кг (+60,97%). При этом COP самого теплового насоса снизился на 19,63% — причины этого снижения в статье не раскрываются.
Для суточной потребности в 75 литрах горячей воды с нагревом на 40 °C PCM-баку, по расчётам, необходимо отдать около 3,5 кВт·ч тепла — этот объём система обеспечивает.
Почему это важно для децентрализованной энергетики
Связка топливного элемента с тепловым насосом на CO₂ и PCM-аккумулятором даёт одновременно электричество и нагрев воды — без сжигания топлива в здании. Для децентрализованных систем, которые активно обсуждаются в контексте восстановления и модернизации энергетики, это весомый аргумент в пользу гибридных решений.
Схожие направления преобразования CO₂ и водорода в электричество уже исследуют в Азии — например, в корейском проекте UNIST, — а в вопросе эффективного использования тепла полезный контекст даёт работа по прямому преобразованию тепла в электроэнергию. Сочетание таких технологий с мерами, описанными в алгоритме энергоэффективности зданий, способно существенно снизить зависимость от централизованного теплоснабжения.
Часто задаваемые вопросы
Почему CO₂, а не традиционный фреон?
Углекислый газ как хладагент имеет нулевой озоноразрушающий потенциал и значительно меньший парниковый эффект по сравнению с синтетическими фреонами. В сверхкритическом цикле он эффективно отдаёт тепло воде при высоких температурах, что особенно полезно для систем горячего водоснабжения.
Что делает гексадекан в баке?
Это фазопереходный материал: плавясь при 18 °C, он поглощает большое количество тепла и возвращает его при кристаллизации. Благодаря этому бак способен покрыть суточную потребность в 75 л горячей воды с нагревом на 40 °C.
Источники: PV Magazine