Разработку выполнила группа под руководством главного научного сотрудника Центра исследований тепловых насосов KIMM Ким Ёна совместно с профессорами Ким Минсоном и Ким Донкю (Университет Чунан). Проект финансируется по программе Alchemist Корейского института оценки и планирования энергетических технологий (KETEP), тема гранта — хемосорбционная система с электрохимическим компрессором.
В отличие от парокомпрессионных машин, где энергия затрачивается на механическое сжатие хладагента, здесь движущей силой цикла служит тепло, которое обычно сбрасывается в атмосферу. Рабочая пара — аммиак и композитный сорбент на основе соли: поглощение и выделение хладагента идёт за счёт обратимой химической реакции, а не физической адсорбции на силикагеле или цеолите, как в серийных адсорбционных чиллерах. Разработчики переработали конструкцию адсорбера и заявили удельную холодопроизводительность (SCP) 346,5 Вт на килограмм сорбента — по их оценке, более чем вдвое выше показателей сопоставимых зарубежных решений.
Второй элемент системы — электрохимический компрессор, созданный в Университете Чунан. Он построен по схеме мембранно-электродного блока: под действием постоянного тока аммиак переносится через протонпроводящую мембрану в виде иона аммония и выделяется на катоде при повышенном давлении. Механически подвижных частей нет, поэтому агрегат практически не создаёт шума и вибрации. Ключевая задача при масштабировании — увеличение активной площади мембраны, поскольку от неё напрямую зависит расход хладагента; именно по этому направлению, как сообщает KIMM, достигнут прогресс в кооперации с университетом.
Сейчас идут испытания прототипа мощностью 10 кВт. По словам Ким Ёна, главный результат — подтверждённая возможность получать холод из сбросного тепла заводов и ЦОД при температуре 40°C; следующий этап — рабочие демонстрационные испытания.
Заявление о том, что серийные адсорбционные машины требуют источника выше 70°C, справедливо лишь для одноступенчатых схем: многоступенчатые силикагелевые чиллеры работают от 45–50°C. Показательный пример — шесть машин SorTech eCoo 2.0 на суперкомпьютере CoolMUC-2 в Leibniz-Rechenzentrum (Мюнхен), которые с 2016 г. вырабатывали около 50 кВт холода от 120 кВт тепла с температурой 45°C. Новизна корейской работы, таким образом, не в самой температуре, а в её сочетании с высокой удельной мощностью сорбента.
Показатель SCP характеризует мощность на единицу массы сорбента, но не энергоэффективность: COP системы, температура получаемой холодной воды и параметры сброса тепла конденсации не опубликованы. Приведённые цифры взяты из пресс-релиза KIMM и независимой лабораторной верификации не проходили; нет и данных о ресурсных испытаниях замкнутого контура — для электрохимических компрессоров это общая проблема направления наряду с обратной диффузией аммиака через мембрану и её деградацией. Наконец, применение аммиака как хладагента накладывает требования по безопасности (класс B2L), что ограничивает использование системы в жилых и общественных зданиях без соответствующих технических решений.
Справка:
Хемосорбция (хемосорбционный тепловой насос) — поглощение хладагента сорбентом за счёт обратимой химической реакции с образованием соединения (в данном случае — комплекса соли с аммиаком). В отличие от физической адсорбции, связь молекул с сорбентом гораздо прочнее, тепловой эффект выше, а условия выделения хладагента задаются химическим равновесием реакции, а не формой изотермы адсорбции. Это позволяет подбирать соль под нужную температуру регенерации.
Физическая адсорбция (адсорбция) — удержание молекул хладагента на поверхности пористого материала силами межмолекулярного притяжения, без химической реакции. Рабочие пары серийных машин: силикагель — вода, цеолит — вода.
Адсорбер (сорбционный слой, adsorption bed) — основной аппарат сорбционной машины: теплообменник, заполненный сорбентом. В нём попеременно идут поглощение хладагента (с отводом теплоты) и его выделение при нагреве.
Десорбция (регенерация) — выделение хладагента из сорбента при подводе тепла. Температура, при которой десорбция идёт устойчиво, определяет минимальную температуру греющего источника для всей машины.
Низкопотенциальное сбросное тепло — тепло с температурой, слишком низкой для прямого технологического использования или выработки электроэнергии (условно ниже 100°C). Источники: системы охлаждения оборудования, оборотная вода, вытяжной воздух, серверные залы ЦОД.
SCP (specific cooling power, удельная холодопроизводительность) — холодопроизводительность, отнесённая к массе сорбента, Вт/кг. Характеризует компактность машины: чем выше SCP, тем меньше сорбента и металла требуется на киловатт холода. Энергоэффективность не отражает.
COP (coefficient of performance, коэффициент преобразования) — отношение полезной холодо- или теплопроизводительности к затраченной энергии. Для сорбционных машин, работающих на тепле, рассчитывается тепловой COP (по теплу греющего источника) и отдельно электрический COP (по электроэнергии на насосы и вспомогательное оборудование).
Электрохимический компрессор — устройство для повышения давления газа без механически подвижных частей. Перенос молекул через мембрану обеспечивается постоянным электрическим током.
Мембранно-электродный блок (МЭБ) — сборка «анод — протонпроводящая мембрана — катод», аналогичная используемой в топливных элементах. В аммиачном компрессоре на аноде водород окисляется до протона, аммиак присоединяет протон и переносится через мембрану в виде иона аммония, а на катоде выделяется уже при повышенном давлении.
Обратная диффузия (кроссовер) — самопроизвольный переток хладагента через мембрану в обратном направлении, из зоны высокого давления в зону низкого. Снижает производительность электрохимического компрессора и ограничивает достижимую степень сжатия.
R717 (аммиак) — природный хладагент с нулевыми ODP и GWP и высокой удельной холодопроизводительностью. Класс безопасности по ISO 817 — B2L: токсичен, слабогорючий. Применение регламентируется требованиями к машинным отделениям, контролю утечек и аварийной вентиляции.
