Исследователи из Керманшахского технологического университета в Иране и Кувейтского университета предложили систему, позволяющую вырабатывать электричество и водород за счет утилизации тепла выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. В базовом расчетном режиме ее чистая электрическая мощность достигает 1012 кВт, а производство водорода – 6,5 кг в час.
Как известно, значительная часть тепла, образующегося при работе двигателей внутреннего сгорания и промышленных установок, уходит в окружающую среду вместе с выхлопными и дымовыми газами. Это тепло можно использовать для дополнительной выработки электроэнергии, однако сделать это удается не всегда: по мере охлаждения газов их температуры становится недостаточно для эффективной работы традиционного парового цикла Ренкина, в котором рабочим телом служит вода. Для утилизации такого низко- и среднетемпературного тепла можно применять цикл Калины, использующий смесь воды и аммиака, и органический цикл Ренкина (ORC), в котором используются рабочие жидкости с более низкой температурой кипения.
Иранские и кувейтские исследователи решили объединить эти два цикла в одну каскадную систему. В качестве источника тепла они рассматривали выхлопные газы ДВС, работающего на метане. На входе в установку их температура составляла 246 °C, а расход – 1,102 кг в секунду. Сначала наиболее горячая часть этого тепла использовалась в цикле Калины: выхлопные газы нагревали водно-аммиачную смесь, которая приводила в действие первую турбину. Затем часть оставшегося тепла передавалась органическому циклу Ренкина, где нагревалось другое рабочее тело, приводившее в действие вторую турбину. Таким образом один и тот же источник тепла использовался последовательно на разных температурных уровнях.
Такое сочетание оказалось значительно эффективнее использования одного цикла Калины. В расчетах его энергетическая эффективность составляла 6,48%, тогда как после добавления ORC и электролизера показатель вырос до 12,9%. Первая турбина комбинированной системы вырабатывала 396,8 кВт, а вторая – 1093 кВт. Часть полученной электроэнергии мощностью 433,9 кВт направлялась в электролизер с протонообменной мембраной (PEM), который расщепляет воду на водород и кислород. В результате установка производила 6,506 кг водорода в час, сохраняя при этом 1012 кВт чистой электрической мощности.
Чтобы подобрать наиболее выгодный режим работы установки, ученые использовали генетический алгоритм. Он изменял шесть основных параметров, в том числе давление и температуру перед турбинами, концентрацию аммиака в рабочей смеси и температуру в сепараторе, одновременно учитывая три критерия: энергетическую эффективность, потери полезной энергии и стоимость. В результате было получено 70 оптимальных вариантов с энергетической эффективностью от 11,62 до 28,04% и расчетными затратами от 31,03 до 54,30 доллара в час. При этом повышение эффективности сопровождалось ростом стоимости.
В качестве наиболее сбалансированного ученые выбрали вариант с энергетической эффективностью 13,1%, расчетными затратами 36,15 доллара в час и необратимыми потерями полезной энергии на уровне 3136 кВт. Для практического проектирования ученые также определили предпочтительные диапазоны основных параметров: концентрация аммиака в смеси – 70-75%, давление перед первой турбиной – 22-23 бара, а температура – 92-94 °C.
Главным источником потерь оказался первый испаритель, в котором тепло выхлопных газов передается водно-аммиачной смеси: на него приходится около 77,4% всех необратимых потерь. Для сравнения, потери в первой и второй турбинах составляли соответственно 116,6 и 180,3 кВт против 2392 кВт в первом испарителе. Поэтому именно совершенствование теплообмена на начальном этапе может стать одним из основных способов дальнейшего повышения эффективности установки.
Предложенная система пока существует в виде математической модели и не испытывалась как единая промышленная установка. В дальнейшем ученым предстоит оценить возможности ее практического применения. Кроме того, авторы предлагают изучить совместную работу системы с солнечной и ветровой энергетикой, а также накопителями тепла и водорода.
