Ученые из Университета Модены и Реджо-Эмилии в Италии, Технологического университета Компьена во Франции совместно с инженерами из HYDAC Technology, Faber Industrie и Hydrogen Refueling Solutions разработали оригинальный способ сжатия водорода для заправки тяжелых транспортных средств с помощью гидравлики. Эта работа стала частью европейского проекта H2REF-DEMO, цель которого – создание более надежных и энергоэффективных водородных станций для автобусов, грузовиков и поездов.
Основная проблема заправки водородом состоит в том, что этот газ обладает очень низкой плотностью, и для его хранения в достаточном количестве на борту транспортного средства необходимо сжимать его до сверхвысоких давлений – вплоть до 70 МПа. Традиционные механические компрессоры, которые для этого используются, часто дороги, энергозатратны, требуют сложного обслуживания и подвержены износу. Ученые предложили альтернативу: использовать гидропневматические аккумуляторы, в которых водород сжимается не поршнем, а давлением гидравлического масла, деформирующего эластичную мембрану с газом внутри.
В основе разработки лежит модульная двухступенчатая система сжатия. На первой ступени водород поднимается от давления источника (например, 5 МПа) до промежуточного уровня около 14 МПа, а на второй – до требуемых 35–40 МПа для заправки баков тяжелой техники. Ключевым инженерным решением стало соотношение аккумуляторов: три мембранных аккумулятора на первой ступени обслуживают один аккумулятор на второй, что обеспечивает согласованность их работы и сохраняет безопасный коэффициент сжатия – не более 3. Это позволяет исключить перегрев и деградацию мембран. Система поддерживает три режима работы: «Байпас» (когда давление в источнике достаточно для прямой подачи), «Параллельный» (быстрая заправка с использованием обеих ступеней) и «Последовательный» (поэтапное сжатие при низком давлении на входе).
Для проектирования и оптимизации системы исследователи создали детализированную модель в среде Simcenter Amesim, которая учитывала гидравлические, газодинамические и тепловые процессы, свойства материалов и алгоритмы управления. Моделирование позволило подобрать оптимальные параметры оборудования, в частности гидравлические насосы с наиболее подходящими характеристиками, а также определить расположение теплообменников, обеспечивающих эффективное охлаждение водорода между ступенями.
Расчеты показали, что такая станция способна заправить 25 кг водорода в бак объемом 1 250 литров примерно за десять минут, что соответствует требованиям к коммерческим водородным заправкам. Удельное энергопотребление составило от 1,11 до 1,54 кВт·ч на килограмм водорода, что сопоставимо с показателями лучших современных технологий. При этом температура водорода в процессе не превышала 120 °C, что гарантирует безопасность работы оборудования.
Разработанная архитектура уже сейчас допускает добавление третьей ступени для работы с еще более низкими начальными давлениями. В дальнейшем возможен переход к адаптивному алгоритму переключения режимов, который также позволит повысить общую эффективность. Пока же, очевидно, исследователи готовятся к созданию физического опытного образца для проведения натурных испытаний.
