Водородная заправочная станция: обзор технологического состояния использования водородного топлива

АКТУАЛЬНОСТЬ. В современном мире, стоящем на пороге глобальных климатических изменений, актуальность поиска и внедрения альтернативных источников энергии обретает особую значимость. Водородная энергетика является одним из наиболее обнадеживающих направлений, предлагая революционный подход к декарбонизации различных отраслей промышленности. Развитие технологий, связанных с производством, хранением и использованием водорода, расширяет новые горизонты для создания устойчивой и экологически чистой энергетической инфраструктуры.
ЦЕЛЬ. Провести обзор технологического состояния водородных заправочных станций (ВЗС), проанализировать последние мировые тенденции и разработки в этой области, выявить факторы, способствующие повышению эффективности функционирования компонентов ВЗС. Представить термодинамические принципы использования водородного топлива, обозначить основные проблемы, связанные с необходимостью широкого внедрения водородной инфраструктуры и определить потенциальные направления для их решения. Разработать предложения по созданию модульной компоновки водородной станции контейнерного типа, позволяющей гибко подходить к организации водородной инфраструктуры с возможностью быстрого масштабирования и адаптации под различные условия эксплуатации.
МЕТОДЫ. Использован метод прототипирования автономной водородной заправочной станции, проведен анализ литературных данных, математические расчеты термодинамических процессов, протекающих в компонентах ВЗС.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Изучены и систематизированы исследования в области технологического состояния станций, выявлены тенденции развития. Описаны основные компоненты, участвующие в работе водородной станции. Исследованы термодинамические процессы использования водородного топлива, способствующие значительному уменьшению энергопотребление водородных станций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Водородная станция сочетает эффективное преобразование водорода в электричество, минимизацию выбросов, энергонезависимость, гибкость хранения энергии. Сделаны выводы на основе термодинамики процессов с учетом специфики температурных режимов российских регионов, для снижения затрат и увеличения энергоэффективности использования водородных топливных систем. Оптимальной платформой для последующих модернизаций и инноваций в области водородных технологий является предложенная структура ВЗС контейнерного типа.

1. Robles I.J.O., Almaraz S.D-L., Pantel C.A. Hydrogen as a Pillar of the Energy Transition // Hydrogen Supply Chains. Academic Press. 2018. Vol. 1, рр. 3-35.

2. Филимонова А.А., Чичиров А.А., Чичирова Н.Д. и др.Современные направления развития водородных энергетических технологий // Надежность и безопасность энергетики. 2019. №2(12). С. 89-96.

3. Филимонов А.Г., Филимонова А.А., Чичиров А.А. и др. Глобальное энергетическое объединение: новые возможности водородных технологий // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021. Т. 23. № 3. С. 3-13.

4. Ahmeda A., Quasem Al-A. A., Ambrosea A.F. et al. Hydrogen fuel and transport system: A sustainable and environmental future // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41. pp. 1369-1380.

5. Филимонова А.А., Чичиров А.А., Чичирова Н.Д., Разакова Р.И. Электрохимические технологии для автомобилей на водородном топливе // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021. Т. 23. № 2. С. 104-115.

6. Joydev M. Chapter 7.2 - Overview on application of hydrogen // Towards Hydrogen Infrastructure. 2024. pp. 401-430.

7. Alazemiab l.J., Andrewsa J. Automotive hydrogen fuelling stations: An international review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 48. pp. 483-499.

8. Pang Y., Martinez Y.A., Hydrogen refueling stations/infrastructure // Fuel Cells for Transportation. 2023. Vol. 18. pp. 575-597.

9. Дудник А.Н., Мелах В.Г. Водородные заправочные станции // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2007. № 4. С. 3-12.

10. Reddi K., Elgowainy A., Rustagi N., et al. Impact of hydrogen refueling configurations and market parameters on the refueling cost of hydrogen // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, N34, pp. 21855–21865.

11. Rose P.K., Neumann F. Hydrogen refueling station networks for heavy-duty vehicles in future power systems // Environ. 2020. Vol. 83, pp. 102358.

12. Genovese I.M., Fragiacomo P. Hydrogen refueling station: overview of the technological status and research enhancement // Energy Storage. 2023. Vol. 61, pp. 106758.

13. Fieseler H., Hettinger W., Kesten M. On-board fuel storage and supply system of a liquid hydrogen powered experimental passenger car // Proceedings of the Twelfth International Cryogenic Engineering Conference Southampton, UK, 12–15 July 1988 (1988), 10.1016/b978-0-408-01259-1.50024-3.

14. Meurer C., Barthels H., Brocke W.A., et al. Phoebus − an autonomous supply system with renewable energy: six years of operational experience and advanced concepts // Energy. 1999. Vol. 67, pp. 131-138.

15. Tanaka T., Azuma T., Evans J.A., et al.. Experimental study on hydrogen explosions in a fullscale hydrogen filling station model // Energy. 2007. Vol. 32, pp. 2162-2170.

16. Rosyid O.A., Jablonski D., Hauptmanns U. Risk analysis for the infrastructure of a hydrogen economy // Energy. 2007. Vol. 32, pp. 3194-3200.

17. Molkov V., Kashkarov S. Blast wave from a high-pressure gas tank rupture in a fire: stand-alone and under-vehicle hydrogen tanks // Energy. 2015. Vol. 40, pp. 12581-12603.

18. Шебеко Ю.Н. Болодьян И.А. Международный опыт обеспечения пожарной безопасности водородных автозаправочных станций // Вести газовой науки. 2022. №2 (51). С. 151-158.

19. Pagliaro M., Iulianelli A. Hydrogen Refueling Stations: Safety and Sustainability // Energy. 2019. N9. pp. 8-13.

20. Dodds P.E., McDowall W. Review of hydrogen delivery technologies for energy system models // Uk Shec (2012), pp. 3-35.

21. Striednig M., Brandstätter S., Sartory M., et al. Thermodynamic analysis of the real gas refueling process // Energy. 2014. Vol. 39, pp. 8495-8509.

22. Li Z, Pan X, Sun K, et al. Development of safety standard for mobile hydrogen refueling facilities in China // Energy. 2014. Vol 39, pp. 13935-13939.

23. Elgowainy A., Wang M., Joseck F., et al. Life-cycle analysis of fuels and vehicle technologies // Encyclopedia of Sustainable Technologies, Elsevier, Oxford. 2017. pp. 317-327.

24. Kurtza J, Sprika S, Bradleyb TH. Review of transportation hydrogen infrastructure performance and reliability // Review of transportation hydrogen infrastructure performance and reliability. 2019. Vol. 44, N23. pp. 12010-12023.

25. Brown T., Kisting H. Analysis of customer queuing at hydrogen stations // Energy. 2022. Vol. 47, pp. 17107-17120.

26. Sinigaglia T, Lewiski F, Santos Martins ME, et al. Production, storage, fuel stations of hydrogen and its utilization in automotive applications-a review. // Energy. 2017. Vol. 42, pp. 24597-24611.

27. Dagdougui H., Sacile R., Bersani C., et al. Hydrogen storage and distribution: implementation scenarios // Hydrogen Infrastructure for Energy Applications. 2018. N1. pp. 37-52.

28. New Argonne technology could reduce the cost of hydrogen refueling / Fuel Cells Bull., 2018 (2018), pp. 14-15, 10.1016/S1464-2859(18)30223-2.

29. Mayer T., Semmel M., Guerrero Morales M.A., et al Techno-economic assessment of liquid or gaseous hydrogen refueling stations // Energy. 2019. pp.1-25. 10.1016/j.ijhydene.2019.08.051.

30. Алексеева О. К., Козлов С.И., Фатеев В. Н. Транспортировка водорода // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. №3 (21). С. 18 -24.

31. Григорьев С.А., Коробцев С.В. Электрохимические водородные компрессоры/концентраторы на основе твердополимерного электролита // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. №5 (23). С. 57-59.

32. Алексеева О.К., Козлов С.И., Фатеев В.Н. Транспортировка водорода // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. №3 (21). С. 18-24.

33. Лосев О.Г., Марусева И.В., Пушкарёв А.С., и др. Заправочная станция на возобновляемых источниках энергии для водородного и электрического транспорта // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. №3 (33). С. 15-18.

34. Wen S., He G. Review of hydrogen station technology development through patent analysis // Clean Energy. 2018. Vol. 2, pp. 29-36.

35. Чикунов, Г.В., Гайнутдинов Ф.Р. Водородные АЗС - режим функционирования // Энергия-2022. Теплоэнергетика: Семнадцатая всероссийская (девятая международная) научнотехническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. В 6 т., Иваново, 11–13 мая 2022 г. Иваново: ИГЭУ, 2022. С. 87.

36. Ali MS, Khan M. SH, Tuhin RA, et al. Challenges of hydrogen storage and transportation: A review of recent advancements. // Hydrogen Energy Conversion and Management 2024. pp. 255-287.

37. Abdin Z, Tang C, Liu Y, et al. Catchpole Current status and challenges of hydrogen storage technologies. // Towards Hydrogen Infrastructure, Elsevier. 2024. pp. 101-132.

38. Zhao T., Liu Z. Investment in hydrogen refueling station based on compound real options // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Vol. 57, Pp. 198-209.

39. Макуева, Д.А., Разакова Р.И. Состояние и перспективы внедрения водородных заправочных станций // Тинчуринские чтения - 2023 «Энергетика и цифровая трансформация»: Материалы Международной молодежной научной конференции. В 3-х томах, Казань, 26–28 апреля 2023 г. Казань: КГЭУ, 2023. С. 118-120.

40. Paster M.D., Ahluwalia R.K., Berry G., et al. Hydrogen storage technology options for fuel cell vehicles: well-to-wheel costs, energy efficiency, and greenhouse gas emissions // Energy. 2011. Vol. 36, pp. 14534-14551.

41. Раменский А.Ю. Водород в качестве топлива: предмет и цели стандартизации. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2015. № 1. С. 33-44.

42. Закиров Р.Н Чичирова Н.Д., Филимонова А.А. др. Нормативно-техническая документация по промышленной безопасности при производстве водорода // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2023. Т. 25. №5). С. 91-100.

43. San Marchi C., Hecht E.S, Ekoto I.W., et al. James Overview of the DOE hydrogen safety, codes and standards program, part 3: Advances in research and development to enhance the scientific basis for hydrogen regulations, codes and standards // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, N11, pp. 7263-7274.

44. Pique S., Weinberger B., De-Dianous V., et al. Comparative study of regulations, codes and standards and practices on hydrogen fuelling stations // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, N11. pp. 7429-7439.

45. Rothausen E., Rokni M. Optimization of total energy consumption at cascade refueling stations for hydrogen vehicles // Energy. 20014. Vol. 39, pp. 582-592.

46. Архаров И.А., Архаров А.М., Навасардян Е.С. Сравнение удельных затрат энергии в циклах реконденсации паров водорода для криогенных систем заправочных станций. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2018. Т.4. №6. С. 57-69.

47. Zhua L., Leia G., Gaob J. Research on key influencing factors for site selection of DC microgridbased hydrogen-electric hybrid refueling stations. // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48, N100. pp. 39759-39779.

48. Genovese M., Fragiacomo P. Evolution of the hydrogen station towards a polygenerative energy system // Energy. 2022. Vol. 47, pp. 12264-12280.

49. Serdaroglu G., Huz M., Gillott M., et al. The impact of environmental conditions on the operation of a hydrogen refueling station // Energy. 2015. Vol. 40, pp. 17153-17162.

50. Reddy K., Elgowainy A., Rustagi N., et al. Impact of hydrogen refueling methods SAE J2601 on the refueling time of fuel cell passenger vehicles. // Energy. 2017. Vol. 42, pp. 16675-16685.

51. Gye H-R., Seo S-K., Bach Q-V., et al. Quantitative risk assessment of an urban hydrogen refueling station. // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44, N2. pp. 1288-1298.

52. Егоров А.А., Фомин А.В. Сравнительный анализ водородных заправочных станций и автомобильных газовых заправочных станций // Материалы Международной XXXIV научно-практической конференции, посвященной 85-летию образования ФГБУ ВНИИПО МЧС России «Актуальные проблемы пожарной безопасности», Балашиха, 23–24 августа 2022 г. Москва: 2022. С. 708-713.

53. Дмитриев А.Л., Иконников В.К. Водородная заправочная станция на основе установки получения водорода гидротермальным методом окисления промышленных порошков алюминия. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2017. Т. 10. №12. С. 75-85.

54. Архаров И.А., Архаров А.М., Навасардян Е.С. Сравнение удельных затрат энергии в циклах реконденсации паров водорода для криогенных систем заправочных станций. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2018. Т.4. №6. С.57-69.

55. Гайнутдинова Д. Ф. Перспективы создания водородных заправочных станций // Сборник избранных статей по материалам научных конференций ГНИИ Нацразвитие, 28–30 марта 2022 г. Санкт-Петербург. Санкт-Петербург: «Нацразвитие», 2022. С. 144-146.