Improving the efficiency of the ammonia–hydrogen power plant for an autonomous refrigerated railway car

Abstract

The objective of the study was to determine the feasibility of improving the energy efficiency and environmental performance of autonomous refrigerated transport by replacing the conventional diesel–generator set with an ammonia–hydrogen power plant. The relevance of the work is conditioned by the need to decarbonize and improve the reliability of autonomous refrigerated transport while ensuring the quality preservation of perishable products by partially or completely replacing air (oxygen) in the cargo compartment of the car with an inert gas (nitrogen). The use of liquid ammonia as a chemical carrier of hydrogen within the rolling stock was substantiated, and a coupled model was described for the joint operation of a catalytic cracking reactor, a hydrogen internal combustion engine with an electric generator, a heat-recovery system, and a nitrogen utilization unit. The material and heat balances of the power plant were compiled, and its operating and mass-and-size limits of applicability were determined. The conditions for thermal autonomy of the catalytic ammonia decomposition process via exhaust gas heat recovery and the afterburning of residual combustible components were established, ensuring a significant reduction of the required on-board ammonia reserve compared with the non-recovery scheme. The material balance regularities of ammonia dissociation were determined, substantiating the complete in-system utilization of the associated nitrogen flow. The obtained results confirm the possibility of replacing the diesel–generator set with an ammonia–hydrogen power plant without reducing the useful carrying capacity of the car at an operational cargo density of 0.3–0.4 t/m3.

Obiectivul studiului a constat în evaluarea fezabilității îmbunătățirii eficienței energetice și a performanței de mediu a transportului frigorific autonom prin înlocuirea grupului electrogen diesel convențional cu o instalație energetică bazată pe amoniac și hidrogen. Relevanța studiului este determinată de necesitatea decarbonizării și a creșterii fiabilității transportului frigorific autonom, precum și de asigurarea conservării calității produselor perisabile prin înlocuirea parțială sau totală a aerului din compartimentul de marfă al vehiculului, în special a oxigenului, cu azot, utilizat ca gaz inert. A fost fundamentată utilizarea amoniacului lichid ca purtător chimic de hidrogen la bordul vehiculului și a fost elaborat un model cuplat al funcționării integrate a unui reactor de cracare catalitică a amoniacului, a unui motor cu ardere internă alimentat cu hidrogen și cuplat la un generator electric, a unui sistem de recuperare a căldurii și a unei unități de utilizare a azotului. Au fost elaborate bilanțurile de materiale și de căldură ale instalației energetice și au fost stabilite limitele de aplicabilitate ale acesteia în funcție de regimul de funcționare, precum și de dimensiunile și masa echipamentelor. Au fost determinate condițiile necesare pentru asigurarea autonomiei termice a procesului de descompunere catalitică a amoniacului prin recuperarea căldurii din gazele de eșapament și postarderea componentelor combustibile reziduale. Această soluție permite reducerea semnificativă a cantității de amoniac care trebuie transportată la bord, comparativ cu o configurație fără recuperarea căldurii. Au fost analizate particularitățile bilanțului de materiale aferent procesului de disociere a amoniacului, fiind demonstrată posibilitatea valorificării integrale, în cadrul sistemului, a fluxului de azot rezultat. Utilizarea unei jumătăți din cantitatea de azot separată pentru diluarea amestecului combustibil introdus în motorul alimentat cu hidrogen reduce fracția volumică de hidrogen din amestec și asigură diluarea termodinamică a încărcăturii din cilindri, contribuind la atenuarea fenomenului de detonație.

Целью исследования являлось выяснение возможности повышения энергетической эффективности и улучшения экологичности эксплуатации автономного рефрижераторного транспорта путем замены традиционного дизель-генераторного агрегата на аммиачно-водородную энергетическую установку. Актуальность обусловлена необходимостью декарбонизации повышения надежности автономного рефрижераторного транспорта при обеспечении качественной сохранности скоропортящейся продукции за счет частичной или полной замены воздуха (кислорода) в грузовом помещении вагона инертным газом (азотом). В статье обосновано использование жидкого аммиака в качестве химического носителя водорода в рамках подвижного состава; описывается сопряженная модель совместной работы реактора каталитического крекинга, водородного двигателя внутреннего сгорания с электрогенератором, системой рекуперации теплоты и узлом утилизации азота. Составлены материальный и тепловой балансы аммиачно-водородной энергетической установки; определены эксплуатационные, массогабаритные границы применимости данной энергетической установки. В результате проведенных исследований выяснены условия тепловой автономности процесса каталитического разложения аммиака за счет рекуперации теплоты отработавших газов и дожигания остаточных горючих компонентов, обеспечивающие снижение потребного бортового запаса аммиака по сравнению с без рекуперативной схемой. Определены закономерности материального баланса диссоциации аммиака, позволившие научно обосновать полную внутрисистемную утилизацию попутного азотного потока. Установлено, что использование половины отделенного азота в водородном двигателе позволяет снизить долю водорода в топливной смеси, что обеспечивает эффективное термодинамическое балластирование заряда топливной смеси, поступающей в цилиндры двигателя, и значительно уменьшает его детонацию. Технологический остаток азота за рейс может быть использован для заполнения грузового объема вагона с кратностью продувок, зависящей от целевой концентрации кислорода. Значимость полученных результатов заключается в подтверждении возможности замены дизель-генераторного агрегата аммиачно-водородной энергоустановкой без уменьшения полезной грузоподъемности вагона при эксплуатационной плотности груза 0.3–0.4 т/м3.