Nízkoemisní dopravu podpoří prototyp mobilní plnicí vodíkové stanice

Jedním z klíčových předpokladů pro širší využití vodíku v dopravě je dostatečná síť plnicích vodíkových stanic. Výstavba stacionárních plnicích stanic je však časově i finančně náročná a v současné době se vyplatí jen v určitých lokalitách. Jako perspektivní řešení se nabízí doplnit pevnou infrastrukturu o mobilní plnicí vodíkové stanice. Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. ze Skupiny ÚJV a společnost DEVINN s.r.o. proto přicházejí s prototypem mobilní plnicí stanice, která kombinuje nízké vstupní náklady s variabilním rozvozem a optimálními parametry plnění vodíku. Zařízení, které lze snadno převážet za osobním autem, poslouží kromě plnění vozidel i k plnění mobilních elektrocentrál s vodíkovými palivovými články, ty pak mohou fungovat jako mobilní nabíječky pro elektromobily nebo nezávislé zdroje elektrické energie.Mobilní plnicí vodíková stanice (viz obr. 1) slouží ke snadnému transportu stlačeného vodíku a následnému plnění vodíkových vozidel nebo jiných zařízení k tomu přizpůsobených. Umožňuje plnit osobní automobily s provozním tlakem vodíku 700 bar, autobusy (nákladní automobily) s provozním tlakem vodíku 350 bar a manipulační techniku s tlakem 350 bar (se speciální koncovkou).

Obr. 1: Přívěs s mobilní plnicí vodíkovou stanicí

Prototyp mobilní stanice se skládá:

► ze zásobníku na stlačený vodík sestávajícího ze soustavy tří svazků s tlakovými lahvemi s dimenzovaným systémem kaskádových rozvodů a unikátním řídicím systémem pro maximální využití vodíku ze zásobníku (obr. 2),

► z přívěsného vozíku,

► z výdejního stojanu.

Vysokotlaký mobilní zásobník je realizován ze svazku 9 tlakových lahví (samostatné tlakové lahve jsou na obr. 3) o tlaku až 500 bar a umožňuje uskladnit téměř 100 kg vodíku. Svazek je umístěn v rámu, který zajišťuje bezpečnost lahví a jejich správnou funkci. Celý systém je konstruován tak, aby splňoval požadavky transportu za osobním automobilem. Stanice neobsahuje žádný kompresor na stlačování vodíku, je využíváno pouze přepouštění na základě rozdílných tlakových úrovní v plnicí stanici a v plněném zařízení. Plnicí stanice má zásobu vodíku minimálně 90 kg a z toho 60 kg plně dostupných. Po vypotřebování 60 kg vodíku je možné natankovat relativně prázdné nádrže na nižší tlaky, a to do okamžiku vyrovnání tlaku mezi plnicí stanicí a plněným zařízením.

Tři tlakové úrovně maximalizují potenciál plnicí stanice

Aby byl využit maximální potenciál plnicí stanice, je rozdělena do tří tlakových úrovní. Bylo rozhodnuto o třech stejně objemných sekcích, kde každou sekci reprezentuje jeden svazek se třemi tlakovými lahvemi (viz obr. 2). Jeden svazek se kromě tlakových lahví a rámu skládá také z vysokotlakého rozvodu, manuálního ventilu, vysokotlakého manometru a rychlospojky. Svazky jednotlivých tlakových úrovní jsou propojeny pomocí funkčních armatur (elektromagnetické ventily, filtry, redukční ventily, pojišťovací ventily, vysokotlaké vedení atd.). Výběr této konfigurace je vhodný jak z hlediska konstrukčního (možnost replikovat stejný konstrukční prvek), tak z hlediska strategie přepouštění. Konfigurace, které jsou rozděleny do více než tří tlakových úrovní sice přináší jistou výhodu v možnostech přepouštění, ale zároveň také přináší značné komplikace při výrobě svazků.

Plnicí stanice vodík z tlakových lahví vydává a zároveň musí vodík do tlakových lahví přijímat. Příjem vodíku je ovládán manuálně v plném rozsahu a není potřeba mít k dispozici elektrickou energii. Naopak výdej vodíku je řízen poloautomaticky a mít elektrickou energii k dispozici je nutné.

Obr. 2: Svazek tlakových lahví

Obr. 3: Tlakové lahve Hexagon

Jeden kilogram vodíku umožňuje získat cca 33 kWh použitelné energie. Pokud uvažujeme o účinnosti systému přeměny na elektrickou energii přibližně 50 %, lze z jedné mobilní plnicí vodíkové stanice získat až 524 kWh elektrické energie.

Bezpečnost transportu i stabilizace při provozu

Pro transport lahví byl ve spolupráci se společností Agados, spol. s r.o. zkonstruován přívěsný vozík, jehož rám je uzpůsobený pro převoz a uchycení svazků (viz obr. 1). Důležitým požadavkem bylo správné vyvážení sil působících na tažné zařízení vzhledem k těžišti převážené mobilní plnicí vodíkové stanice. Vozík je vybaven čtyřmi opěrnými nohami, kterými lze mobilní plnicí stanici stabilizovat, případně vodorovně ustavit před začátkem plnění.

Aby bylo možné mobilní plnicí vodíkovou stanici provozovat a nabízet, museli autoři prototypu získat i odpovídající certifikace — certifikaci svazku pro uložení a transport vodíku, certifikaci vodíkových rozvodů mimo vlastní svazek, a nakonec i certifikaci CE pro prodej na evropském trhu.

Výpočetní podpora pro stanovení optimálních parametrů plnění

Plnicí proces vodíku do (nejen) automobilové nádrže má určitá specifika. S ohledem na nízké protonové číslo je vodík velice lehkým plynem a pro načerpání jeho většího váhového množství je nutné ho do nádrže dodávat pod velmi vysokým tlakem (řádově až desítky MPa).

Prototyp mobilní vodíkové stanice musí deklarovat podmínky bezpečného plnění vodíkových vozidel dle norem řady SAE J2601. Optimalizaci plnění vozidel z prototypu mobilní plnicí stanice zajišťuje vytvořený matematicko-fyzikální model, který plnicí stanici definuje jako množinu samostatných svazků tlakových lahví, mezi nimiž se může v průběhu čerpání libovolně přepínat a nádrž je dle specifikace automobilu modelována jako jedna či větší množství souběžně plněných tlakových lahví.

Poděkování

Prototyp mobilní vodíkové plnicí stanice byl vyvinut s podporou projektu Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky EG20_321/0025011 APLIKACE – VÝZVA VIII „Mobilní vodíková plnicí stanice“. Využití principů modelování bylo podpořeno institucionální podporou na dlouhodobý koncepční rozvoj výzkumné organizace Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o. poskytnutou prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky.

Pavel Polach, Marek Bělohoubek  a Jan Lazar  - Výzkumný a zkušební ústav Plzeň, Josef Lexa – DEVINN (14.1.2024)