Исследователи из Технологического университета Керманшаха (Иран) и Кувейтского университета разработали математическую модель системы, которая позволяет генерировать электроэнергию и водород, используя тепло выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. В базовом режиме работы чистая электрическая мощность системы достигает 1012 кВт, а производство водорода составляет 6,5 кг в час.
Значительная часть тепла, выделяемого при работе двигателей внутреннего сгорания и промышленных установок, теряется вместе с выхлопными и дымовыми газами. Это тепло можно использовать для дополнительной выработки электроэнергии, однако по мере остывания газов их температура становится слишком низкой для традиционного парового цикла Ренкина, в котором рабочим телом выступает вода. Для утилизации такого низко- и среднетемпературного тепла применяются цикл Калины, использующий смесь воды и аммиака, а также органический цикл Ренкина (ORC) с рабочими жидкостями, имеющими низкую температуру кипения.
Иранские и кувейтские исследователи решили объединить два цикла в единую каскадную систему. В качестве источника тепла использовались выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, работающего на метане. На входе в систему газы имели температуру 246°C и расход 1102 кг в секунду. Наиболее горячая часть тепла сначала использовалась в цикле Калины: выхлопные газы нагревали смесь аммиака и воды, приводя в действие первую турбину, после чего часть остаточного тепла передавалась в органический цикл Ренкина, где нагревалось другое рабочее тело, активирующее вторую турбину. Таким образом, один и тот же источник тепла использовался последовательно на разных температурных уровнях.
Такое сочетание оказалось значительно эффективнее использования только цикла Калины. Расчётный энергетический КПД составил 6,48%, а с добавлением ORC и электролизёра – 12,9%. Первая турбина комбинированной системы выработала 396,8 кВт, вторая – 1093 кВт. Часть выработанного электричества (433,9 кВт) направлялась в протонно-обменный мембранный (PEM) электролизёр, который расщепляет воду на водород и кислород. В результате установка производила 6506 кг водорода в час, сохраняя чистую электрическую мощность 1012 кВт.
Для выбора наиболее эффективного режима работы учёные использовали генетический алгоритм. Он варьировал шесть ключевых параметров, включая давление и температуру на входе в турбины, концентрацию аммиака в смеси и температуру в сепараторе, учитывая при этом три критерия: энергетическую эффективность, потери энергии и стоимость. В результате было получено 70 оптимальных вариантов с энергетическим КПД от 11,62% до 28,04% и расчётными затратами от 31,03 до 54,30 долларов в час. При этом с ростом эффективности увеличивалась и общая стоимость.
В качестве наиболее сбалансированного варианта учёные выбрали опцию с КПД 13,1%, расчётными затратами 36,15 долларов в час и необратимыми потерями энергии 3136 кВт. Для практической инженерии также определены рекомендуемые диапазоны ключевых параметров: концентрация аммиака в смеси – 70–75%, давление на входе в первую турбину – 22–23 бара, температура – 92–94°C.
Главным источником потерь оказался первый испаритель, в котором тепло выхлопных газов передаётся водно-аммиачной смеси: на него приходится около 77,4% всех необратимых потерь. Для сравнения, потери в первой и второй турбинах составили 116,6 и 180,3 кВт соответственно, тогда как в первом испарителе – 2392 кВт. Поэтому улучшение теплообмена на начальном этапе может стать одним из основных способов дальнейшего повышения эффективности системы.
На данный момент предложенная система существует в виде математической модели и не испытана как единая промышленная установка. В дальнейшем учёные планируют оценить возможности её практического применения. Кроме того, авторы предлагают рассмотреть сочетание системы с солнечными и ветровыми генераторами, а также с накопителями тепла и водорода.
