alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.04-06.057-069alternative-1311Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYСРАВНЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ В ЦИКЛАХ РЕКОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ ВОДОРОДА ДЛЯ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ ЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙCOMPARISON OF SPECIFIC ENERGY CONSUMPTION IN RECONDENSATION CYCLES FOR HYDROGEN VAPORS UTILIZATION IN CRYOGENIC SYSTEMS OF FILLING STATIONSАрхаровИ. А.ArkharovI. A.

д-р техн. наук, профессор кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана, вице-президент комиссии А1 Международного Института холода (МИХ, Франция)

D.Sc. in Engineering, Full Professor in the Department of Refrigerating and Cryogenic Equipment, Conditioning and Life Support Systems of Bauman Moscow State Technical University, Vice-President of the commission A1 of the International Institute of Refrigeration (IIR, France)

ivanarkharov@yahoo.comАрхаровА. М.ArkharovA. M.

д-р техн. наук, профессор кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана

D.Sc. in Engineering, Full Professor in the department of Refrigerating and Cryogenic Equipment, Conditioning and Life Support Systems of Bauman Moscow State Technical University

20772@mail.ruНавасардянЕ. С.NavasardyanE. S.

канд. техн. наук, доцент кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения»

Ph.D. in Engineering, Associate Professor in the Department of Refrigerating and Cryogenic Equipment, Conditioning and Life Support Systems of Bauman Moscow State Technical University

navasard@mail.ruМосковский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation20182204201804-65769Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1311

Серьезными сдерживающими факторами развития экологически чистой энергетики с применением водорода в качестве энергоносителя являются: высокая себестоимость производства водорода, несовершенные технологии транспортировки и хранения как жидкого, так и газообразного водорода, а также отсутствие логистических сетей снабжения и инфраструктуры топливных заправок. Например, транспортные расходы для сжатого газообразного водорода по стоимости сопоставимы, а иногда превышают стоимость его производства. При создании инфраструктуры производства жидкого водорода, транспортных логистических сетей его доставки, распределения и хранения вопросы безопасного бездренажного хранения жидкого водорода с минимальными потерями становятся первостепенными.

В статье рассматривались различные варианты организации конденсационных циклов с использованием холода типовых гелиевых рефрижераторов как при наличии, так и при отсутствии предварительного охлаждения жидким азотом основного потока водорода. Проведен анализ затрат работы в конденсационных и традиционных дроссельных циклах реконденсации паров водорода и выполнено их сравнение по этому показателю. Установлено, что включение второго детандера в схему гелиевого ожижителя не только приводит к росту капитальных затрат и усложняет ее технологически, но и незначительно снижает удельные затраты работы на конденсацию. Применительно к криогенным системам бездренажного хранения жидкого водорода на заправочных станциях и терминалах рассмотрены два начальных уровня температуры паров водорода, поступающих на конденсацию непосредственно из коллектора сбора при 300 К и из газового пространства криогенной емкости при 30 К. Сделан вывод о возможности и целесообразности применения типовых гелиевых рефрижераторов для организации реконденсационных циклов в системах бездренажного хранения путем включения их в общую структуру заправочных станций.

Serious constraining factors in the development of fuel hydrogen energy are: high production costs of hydrogen, ineffective technologies for transportation and storage of both liquid and compressed hydrogen, as well as the lack of logistic supply chains and fuel filling infrastructure. For example, transportation costs for compressed hydrogen gas are comparable with, and sometimes exceed the production costs. The safe drain free storage of hydrogen with minimal losses has a particular relevance when infrastructure for liquid hydrogen production, transport logistics chains for its delivery, distribution and storage are created. The authors have considered the different schemes of the condensation cycles with the standard helium refrigerators, both with and without of precooling by liquid nitrogen of the main hydrogen stream. The paper gives the analysis of operating costs in condensing and traditional JT cycles of hydrogen vapor recondensation and compares them for this indicator. The connection of the second expander in the helium liquefier scheme is shown to lead not only to increase in the capital cost and complicate it technologically but also reduce the operation costs of the condensation process slightly. In case of cryogenic systems with the drain free storage of liquid hydrogen at filling stations and terminals, we have considered two temperature levels of the hydrogen vapor entering condenser directly from the vapor collector at 300 K and from the gas space of the cryogenic tank at 30 K. It is concluded that it is possible and expedient to use the standard helium refrigerators for the recondensation cycles in systems of drain free storage, by including them in the general structure of filling stations.

водородхранениезаправочные станцииреконденсацияожижениеорто-параконверсиятранспортинфраструктураhydrogenstoragefilling stationsrecondensationliquefactionortho-para conversiontransportinfrastructureReferencesСороко-Новицкий, В.И. Двигатели легкого топлива [Текст] / В.И. Сороко-Новицкий, В.А. Петров // М.: ОНТИ-НКТП, 1938. – 256 с.[1] Soroko-Novitskiy V.I., Petrov V.A. Light Fuel Engines (Dvigateli legkogo topliva). Moscow: ONTINKTP. 1938 (in Russ.).Александров, А.А. Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания [Текст] / А.А. Александров [и др.]. – М.: OOO НИЦ «Инженер», 2012. – 790 с.[2] Aleksandrov A.A., Arkharov I.A., Bagrov V.V. [et al.]. Alternative fuels for internal combustion engines (Alternativnyie topliva dlya dvigateley vnutrennego sgoraniya). Moscow: OOO NITs “Inzhener” Publ., 2012 (in Russ.).Гамбург, Д.Ю. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение [Текст] / Д.Ю. Гамбург. – М.: Химия, 1989. – 672 с.[3] Gamburg D.U. Hydrogen. Properties, reception, storage, transportation, application (Vodorod. Svoystva, poluchenie, hranenie, transportirovanie, primenenie). Moscow: Himiya Publ., 1989 (in Russ.).Домашенко, А.М. Жидкий водовод в проблеме «Водородная энергетика» [Текст] / А.М. Домашенко, Ю.В. Горбатский // Энергия: экономика, техника, экология. – 2006. – Т. 7. – С. 13–19.[4] Domashenko A.M., Gorbatskiy Yu.V Liquid hydrogen in the problem “Hydrogen energy” (Zhidkiy vodorod v probleme “Vodorodnaya energetika”). Energiya: ekonomika, tehnika, ekologiya. 2006;7:13–19 (in Russ.).Domashenko, A. Production, storage and transportation of liquid hydrogen. Experience of infrastructure development and operation [Text] / A. Domashenko [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2002. – Vol. 27. – No 7–8. – P. 753–755.[5] Domashenko A., Golovchenko A., Gorbatsky Yu. et all. Production, storage and transportation of liquid hydrogen. Experience of infrastructure development and operation. International Journal of Hydrogen Energy. 2002;27(7–8):753–755 (in Eng.).Peschka, W. Liquid Hydrogen. Fuel of future [Text] / W. Peschka. – Wien: Springer-Verlag, 1992. – 303 p.[6] Peschka W. Liquid Hydrogen. Fuel of future. Wien: Springer-Verlag, 1992 (in Eng.).Fleck, U. Liquid hydrogen – a clean energy? [Электронный ресурс] / U. Fleck, A. Kundig. – Режим доступа: http://www.linde-engineering.pt/en/ – (Дата обращения: 02.12.2107)[7] Fleck U., Kundig A. Liquid hydrogen - a clean energy? Available on: http://www.linde-engineering.pt/en/ (02.12.2107) (in Eng.).Gavrilyuk, A. Hydrogen energy for beginners [Text] / A. Gavrilyuk. – Pan Stanford, 2013. – 344 p.[8] Gavrilyuk A. Hydrogen energy for beginners. Pan Stanford, 2013 (in Eng.).Kinard, G.E. The commercial use of liquid hydrogen over the last 40 years [Text] / G.E. Kinard // Proceedings of the 17th International Cryogenic Engineering Conference. – Bournemouth, UK, Institute of Physics, 1998.[9] Kinard G.E. The commercial use of Liquid Hydrogen Over The Last 40 Years. Proceedings of the 17th International Cryogenic Engineering Conference, Bournemouth, UK, Institute of Physics, 1998 (in Eng.).Iwamoto, K. Theoretical Calculation of the Large Hydrogen Liquefaction Process [Text] / K. Iwamoto // Proceedings of the Sixteenth International Cryogenic Engineering Conference/International Cryogenic Materials Conference. – 1997. – P. 155–158.[10] Iwamoto K. Theoretical Calculation of the Large Hydrogen Liquefaction Process. Proceedings of the Sixteenth International Cryogenic Engineering Conference/International Cryogenic Materials Conference, 1997, pp. 155–158 (in Eng.).Strobridge, T.R. Cryogenic refrigerators-an updated survey / T.R. Strobridge. – U.S. Dept. of Commerce, National Bureau of Standards, 1974. – 11 p.[11] Strobridge T.R. Cryogenic refrigerators-an updated survey. U.S. Dept. of Commerce, National Bureau of Standards, 1974; 11 p. (in Eng.).Yang, C. Determining the lowest-cost hydrogen delivery mode [Text] / C. Yang, J. Ogden // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – Vol. 32. – P. 268–286.[12] Yang C, Ogden J. Determining the lowest-cost hydrogen delivery mode. International Journal of Hydrogen Energy, 2007;32:268–286 (in Eng.).Wang, Sh. CO2 reforming of methane on Ni catalysts: Effects of the support phase and preparation technique / Wang Sh., G.Q.M. Lu [Text] // Applied Catalysis B: Environmental. – 1998. – Vol. 16. – Iss. 3. – P. 269–277.[13] Wang Sh., Lu G.Q.M. CO2 reforming of methane on Ni catalysts: Effects of the support phase and preparation technique. Applied Catalysis B: Environmental, 1998;16(3):269–277 (in Eng.).Ogden, J.M., Yang C, Nicolas M.A. Technical and Economic Assessment of Regional Hydrogen Transition Strategies [Электронный ресурс] / J.M. Ogden, C. Yang, M.A. Nicolas. – Режим доступа: https://escholarship.org/uc/item/46f8215p#metrics (Дата обращения: 02.11.2017).[14] Ogden J.M., Yang C, Nicolas M.A. Technical and Economic Assessment of Regional Hydrogen Transition Strategies. Available on: https://escholarship.org/uc/item/46f8215p#metrics (accessed 02.11.2017) (in Eng.).Krasaein, S. Development of large-scale hydrogen liquefaction processes from 1898 to 2009 [Text] / S. Krasaein, J. Stang, P. Neksa // International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – Vol. 35. – P. 4524–4533.[15] Krasae-in S, Stang J., Neksa P. Development of large-scale hydrogen liquefaction processes from 1898 to 2009. International Journal of Hydrogen Energy, 2010;35:4524–4533 (in Eng.).Bischoff, S. First operating results of a dynamic gas bearing turbine in an industrial hydrogen liquefier [Text] / S. Bischoff, L. Decker // Advances in Cryogenic Engineering. – 2017. – Vol. 55. – P. 887–894.[16] Bischoff S., Decker L. First operating results of a dynamic gas bearing turbine in an industrial hydrogen liquefier. Advances in Cryogenic Engineering, 2017;55:887–894 (in Eng.).Ohira, K. A Summary of liquid hydrogen and cryogenic technologies in Japan’s [Text] / K. Ohira // WE-NET Project. Proc. of the Cryogenic Engineerring Conference. – 2004. – Vol. 49. – P. 27–34.[17] Ohira K. A Summary of liquid hydrogen and cryogenic technologies in Japan’s. WE-NET Project. Proc. of the Cryogenic Engineerring Conference, 2004,49:27–34 (in Eng.).Leachman, J. Fundamental EOS for Parahydro-gen, Normal Hydrogen and Orthohydrogen [Text] / J. Leachman [et al.] // J. Phys. Chem. Ref. Data. – 2009. – Vol. 38. – No 3. – P. 721–748.[18] Leachman J., Jacobsen R., Penoncello S., Lemmon E. Fundamental EOS for Parahydrogen, Normal Hydrogen and Orthohydrogen. J. Phys. Chem. Ref. Data, 2009;38(3):721–748 (in Eng.).Streett, W. Liquid Phase Separation and Liquid—Vapor Equilibrium in the System Neon— Hydrogen [Text] / W. Streett, C. Jones // J. Chem. Phys. – 1965. – Vol. 42. – No 11. – P. 3989–3994.[19] Streett W., Jones C. Liquid Phase Separation and Liquid–Vapor Equilibrium in the System Neon–Hydrogen. J. Chem. Phys., 1965;42(11):3989–3994 (in Eng.).Heck, C. Liquid-vapor phase equilibria of the neon-normal hydrogen system [Text] / C. Heck, P. Barrick // Cryogenic Engineering. – 1965. – Vol. 11. – P. 349–355.[20] Heck C., Barrick P. Liquid-vapor phase equilibria of the neon-normal hydrogen system. Cryogenic Engineering, 1965;11:349–355 (in Eng.).Quack, H. Conceptual design of a high efficiency large capacity hydrogen liquefier [Text] / H. Quack // Proc. of the Cryogenic Engineering Conference Madi-son. – 2001. – Vol. 47A. – P. 255–263.[21] Quack H. Conceptual design of a high efficiency large capacity hydrogen liquefier. Proc. of the Cryogenic Engineering Conference Madison, 2001;47A:255–263 (in Eng.).Integrated Design for Efficient Advanced Liquefaction of Hydrogen [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.fch.europa.eu/project/integrated-design-efficient-advanced-liquefaction-hydrogen – (Дата обращения: 01.10.2017).[22] Integrated Design for Efficient Advanced Liquefaction of Hydrogen. Available on: http://www.fch.europa.eu/project/integrated-design-efficient-advanced-liquefaction-hydrogen (accessed 01.10.2017) (in Eng.).Couper, J. Process Engineering Economics [Text] / J. Couper, М. Dekker. – New York: CRC Press, 2003. –P. 384.Couper, J. Process Engineering Economics [Text] / J. Couper, М. Dekker. – New York: CRC Press, 2003. –P. 384.Cardella, U. Economically viable large-scale hydrogen liquefaction [Электронный ресурс] / U. Cardella, L. Decker, H. Klein. – Режим доступа: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/171/1/012013/pdf – (Дата обращения: 15.09.2017).[23] Couper J., Dekker М. Process Engineering Economics. New York: CRC Press, 2003 (in Eng.).Russell, B.S. Cryogenic engineering. Princeton: Met Chemical Research [Text] / B.S. Russell. – 1988. – 368 p.[24] Cardella U., Decker L., Klein H. Economically viable large-scale hydrogen liquefaction. Available on: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/171/1/012013/pdf (accessed 15.09.2017) (in Eng.).Архаров, И.А. Теория и расчёт циклов криогенных систем [Текст] / И.А. Архаров, А.А. Александров, Е.С. Навасардян. – M.: МГТУ им. Н.Е. Баумана, 2009. – 159 с.[25] Russell B.S. Cryogenic engineering. Princeton: Met Chemical Research, 1988 (in Eng.).Архаров, И.А. Примеры и задачи по циклам криогенных систем [Текст] / И.А. Архаров, А.А. Александров, Е.С. Навасардян. – M.: МГТУ им. Н.Е. Баумана, 2009. – 47 с.[26] Arkharov I.A., Aleksandrov A.A., Navasardyan E.S. Theory and calculation of cryogenic system cycles (Teoriya i raschet tsiklov kriogennykh sistem). Moscow: MGTU lm. N.E. Baumana, 2009 (in Russ.).Александров, А.А. Машины и аппараты криогенных систем [Текст] / А.А. Александров, И.А. Архаров, Е.С. Навасардян. – M.: МГТУ им. Н.Е. Баумана, 2014. – 48 с.[27] Arkharov I.A., Aleksandrov A.A., Navasardyan E.S. Examples and tasks on cryogenic system cycles (Primery i zadachi po tsiklam kriogennykh sistem). Moscow: MGTU lm. N.E. Baumana, 2009 (in Russ.).Александров, А.А. Машины и аппараты криогенных систем [Текст] / А.А. Александров, И.А. Архаров, Е.С. Навасардян. – M.: МГТУ им. Н.Е. Баумана, 2009. – 124 с.[28] Aleksandrov A.A., Arkharov I.A., Navasardyan E.S. Machines and apparatuses of cryogenic systems (Mashiny i apparaty kriogennykh system). Moscow: MGTU lm. N.E. Baumana, 2014 (in Russ.).Frederking, T.H.K. Cryogenics: low temperature engineering and applied science [Text] / T.H.K. Frederking. – Santa Monica, Calif.: Yutopian Enterprises, 2005. – 202 p.[29] Aleksandrov A.A., Arkharov I.A., Navasardyan E.S. Machines and apparatuses of cryogenic systems (Mashiny i apparaty kriogennykh system). Moscow: MGTU lm. N.E. Baumana, 2009 (in Russ.).Arkharov, A.M. Cryogenic systems: 2 vols. [Text] / A.M. Arkharov [et al.]. – Bauman Moscow State Technical University Press, 2000, 2001. – 518 p.[30] Frederking T.H.K. Cryogenics: low temperature engineering and applied science. Santa Monica, Calif.: Yutopian Enterprises, 2005 (in Eng.).Timmerhaus, K.D. Cryogenic engineering [Text] / K.D. Timmerhaus, R.P. Reed. – Wien: Springer-Verlag. 2007. p. 379. (in Eng.)[31] Arkharov A.M., Marfenina I.V., Mikulin Ye.I. Cryogenic systems in vol. 1, vol. 2. Bauman Moscow State Technical University Press, 2000, 2001 (in Eng.).Патент F25J1/02; F25J5/00 РФ (№2309342). Морковкин И.М., Кузьменко И.Ф., Кашонкова Е.А., Духанин Ю.И., Гуров Е.И. Способ ожижения водорода с гелиевым холодильным циклом и устройство для его осуществления. 27.10.2007.[32] Timmerhaus K.D., Reed R.P. Cryogenic engineering. Wien: Springer-Verlag, 2007 (in Eng.).Ожижитель водорода. Криогенные гелиевые установки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.geliymash.ru/products/124/540/ – (Дата обращения: 22.11.2017).[33] Morkovkin I.M., Kuzmenko I.F., Kashonkova E.A., Dukhanin Yu.I., Gurov E.I. A method for liquefying hydrogen with a helium refrigerant cycle and a device for carrying it out. Patent F25J1/02; F25J5/00 RF no. 2309342 (Sposob ozhizheniya vodoroda s gelievym kholodil'nym tsiklom i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya). 27.10.2007 (in Russ.).Range of automatic hydrogen liquefiers [Элек-тронный ресурс]. – Режим доступа: https://advancedtech.airliquide.com/sites/abt_at/files/201 7/10/20/hylial_brochure_en_09.17_sd.pdf – (Дата об-ращения: 22.11.2017).[34] Hydrogen liquefier. Cryogenic helium plants (Оzhizhitel vodoroda. Kriogennye gelievye ustanovki). Available on: http://www.geliymash.ru/products/124/540/ (accessed 22.11.2017) (in Russ.).West, J.E. The economics of small to medium liquid hydrogen facilities [Text] / J.E. West // CryoGas International. – 2003. – May. – P. 28–33.[35] Range of automatic hydrogen liquefiers. Available on: https://advancedtech.airliquide.com/sites/abt_at/files/201 7/10/20/hylial_brochure_en_09.17_sd.pdf (accessed 22.11.2017) (in Eng.).[36] West J.E. The economics of small to medium liquid hydrogen facilities. CryoGas International, 2003;May:28–33 (in Eng.).[36] West J.E. The economics of small to medium liquid hydrogen facilities. CryoGas International, 2003;May:28–33 (in Eng.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.