世界初！水素は準備完了

9月21日、国家電力投資公司内モンゴル会社南露天炭鉱（以下、「南露天炭鉱」という）で、大型の青い採掘車両の試験が行われていた。 「NTH150」というコードが記されたこの「巨人」は、まもなく納入されて使用される新型の水素燃料・リチウム電池ハイブリッド採掘車（以下、「水素燃料採掘車」という）である。

内モンゴル北方重型トラック有限公司（以下、「北方集団」）の水素燃料採掘車プロジェクトマネージャーであり、「NTH150」の主任設計者である郭元元氏は、採掘車の2人分の高さのタイヤの横に立って、科技日報に次のように語った。「これは、品質、安全、環境、サービスなどの業界基準を満たした世界初の水素燃料採掘車です。 」

「内モンゴルの東から西へ」問題解決に向けた協力

南露天炭鉱は、内モンゴル自治区通遼市ホリンゴル市に位置し、北緯45度付近にあります。冬にはホリンゴルの気温はマイナス30度まで下がることがあります。

このような低温は、車両の燃料供給に大きな課題をもたらします。運転手はガソリンタンクに不凍液を入れ、車を始動させて正常に走行させるために燃料ヒーターを取り付ける必要があった。バッテリーに依存する新エネルギー車にとって、低温による急激な電力損失は解決すべき問題です。

ホリンゴル市は資源開発に全面的に依存しているため、多くの生態学的および環境的リスクを経験してきました。 2018年、中央生態環境保護検査はホリンゴル市の生態環境に警鐘を鳴らした。その後、ホリンゴル市は鉱山の生態環境を積極的に改善することを決定しました。

南露天炭鉱は、自主的に設計・建設された、数千万トンの生産能力を持つ中国初の大規模露天炭鉱であり、常に「グリーン鉱山」の建設に努めてきました。ホリンゴル市の変革という重責に直面して、サウス露天掘り炭鉱が先頭に立ってその重荷を担った。

鉱山が排出量を削減したい場合、炭素排出の主な発生源である採掘車両に対して対策を講じる必要があります。鉱山車両は燃料消費量が多く、排出ガス密度も高いです。 136トンの採掘車両は年間1,800トン以上の二酸化炭素を排出しますが、これは乗用車600台の排出量に相当します。

「大型輸送のニーズを満たすだけでなく、走行距離が長く、クリーンなエネルギーを使用することもできます。」郭元元氏は「この場合、ハイブリッド採掘車両が合理的な選択となる」と述べた。

しかし、現地の低温条件はクリーンエネルギーの応用にとって深刻な問題を引き起こします。厳しい寒さに対抗する技術革新がなければ、ハイブリッド鉱山車両は鉱山で走行できないでしょう。

「技術格差を埋める必要があるというニュースは、内モンゴル東部から内モンゴル西部まで広まった」と郭元元氏は振り返る。

2022年3月、北方株式と南路田炭鉱は協力協定を締結した。両者は100トンの水素燃料採掘車を共同開発することを決定し、南鹿田炭鉱での水素燃料採掘車、水素貯蔵・輸送、水素補給を含む総合的な応用実証シナリオを構築する予定である。

「否定と否定、最適化と最適化」

車両設計で長年の経験を持つ郭元元さんは、この任務を受けるとすぐにプレッシャーを感じた。

「空気ろ過ソリューションを例にとると、私たちは多くの実験作業を行ってきました。これ以前は、水素燃料採掘車両の設計と適用は白紙の状態であり、参照できる既成の経験はありませんでした。」郭元元氏は、研究開発チームが鉱山の粉塵と硫化物の課題に対応するために「物理的＋化学的」二重ろ過システムを設計したと述べた。

「複雑なパイプラインレイアウトは、R&Dスタッフの懸命な努力の成果です。」水素燃料採掘車の電気システム責任者である劉強氏は、採掘車の底部に整然と密集したパイプラインを指差しながら記者団に語った。

「水素燃料採掘車として、そのパイプラインは主に水素パイプライン、高電圧ケーブル、低電圧配線ハーネス、油圧パイプライン、冷却パイプラインなどを含み、パイプラインの数は従来の燃料車の2倍です。」劉強氏は「安全性とメンテナンスの利便性を考慮しながら、限られた車両スペースにすべてのパイプラインを合理的に配置することは、非常に難しい課題だ」と語った。

研究者らは、度重なる研究と分析を経て、水素と電気の分離と階層化配置の全体的な方向性を提案した。つまり、水素のパイプラインとケーブルを分離して配置し、安全性を確保するというものである。高電圧ケーブル、低電圧配線ハーネス、油圧および冷却パイプラインは、油漏れによる電気的短絡を回避するために、ケーブルを上部に、パイプラインを下部に配置するように層状に配置されています。合理的な構造レイアウトを実現するために、R&D チームは数十のソリューションを試しました。

「研究開発のプロセスは、否定と最適化です。コンピューターの画面に密集したパイプラインのレイアウト図を長時間見つめていると、毎日目が痛くなり、乾きます。また、いくつかのバージョンの「許容できる」ソリューションも見つかりましたが、安全性の向上の余地やレイアウトの最適化の余地が見つかった限り、研究と磨きをかけ続けます...」と劉強氏は振り返ります。
プロジェクト開始から6か月後の2022年9月、R＆Dチームは、電力計算とマッチング、高電圧アーキテクチャ、主要コンポーネント、3次元エンジニアリング図面、プロセスなど、さまざまな側面の設計を完了しました。

「氷と炎」 - バッテリーの課題を克服

電気システムが採掘車両の「血管」であるならば、バッテリーは採掘車両の「心臓」です。バッテリー技術の研究は研究開発における最優先事項です。

宋立明氏はこのプロジェクトの電力システムの責任者だ。バッテリーという「最も難しい問題」に直面して、彼と彼の同僚は多くの解決策を試みた。

バッテリーは燃料電池と動力バッテリーの2つの部分に分かれています。研究を重ねた結果、宋立明はバッテリーの2つの部分に異なる環境要件があることに気付きました。燃料電池は100度近くの動作温度に耐えることができます。電源バッテリーの動作温度は、高すぎず低すぎない 0 ℃ ～ 30 ℃ の範囲内で制御する必要があります。

「我々は氷と炎の両方を兼ね備えた運用環境を構築する必要がある」とソン・リミン氏は語った。 「バッテリーの2つの部分は動作温度が異なり、放熱要件も異なりますが、同じシステム内に配置する必要があります。水は熱伝導に適した媒体であり、冷却と加熱の両方に使用できると考えました。この水の特性を利用して循環させることができれば、「氷と火」の環境を実現できるかもしれません。」

言うのは簡単ですが、行うのは難しいです。水温を正確に制御するには、水と熱の管理システム、さらには車両内の他のシステムが連携して動作する必要があり、そのためにはシミュレーションと実験を繰り返す必要があります。宋黎明氏は、研究開発の過程で常に目を覚まし続けるために、しばしば冷たい水で顔を洗って「クールダウン」しなければならなかったことを笑顔で思い出した。

最終的に、R＆Dチームは「水加熱+水冷」分散熱管理システムを選択しました。高出力ヒーターのおかげで、バッテリーはようやくスムーズに始動し、極寒の環境でもスムーズに動作し続けることができるようになりました。郭元元氏は記者団に対し、「この水素燃料採掘車は、伝統的なエネルギーからグリーンエネルギーへと『牽引』し、内モンゴルのエネルギー産業にグリーンな背景を加えました。将来的には、この車が海外に進出し、中国の技術が世界でより高いレベルに進歩することを可能にすることも期待しています。」と語った。