Technologia wodorowa ma szansę zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i pomóc głównym sektorom gospodarki w osiągnięciu celów zerowej emisji dwutlenku węgla do 2050 roku. Jest to data, którą Unia Europejska, Wielka Brytania i inne kraje uczyniły już prawnie wiążącą. Osiągnięcie tego ambitnego celu będzie wymagało zmiany sposobu wykorzystania energii w wielu gałęziach przemysłu oraz rozwoju nowych technologii.

Wodór zdaje się być idealnym nośnikiem energii oraz paliwem o ogromnym potencjale, ale jego spalanie w silnikach wiąże się z kilkoma wyzwaniami, takimi jak cofanie się płomienia, niestabilność akustyczna, samozapłon czy podtrzymanie płomienia wewnątrz palnika. Są to problemy, których rozwiązanie jest warunkiem wdrożenia technologii na szeroką skalę.

Potrzebujesz pomocy w rozwoju technologii wodorowych?

Zobacz jak przyspieszyć i zoptymalizować prace przy projektach dotyczących wodoru: szkolenie Kurs na wodór.

jak_pozyskac_wodor_sposoby

Rys. 1: Produkcja wodoru za pomocą odnawialnych źródeł energii, jego przetwarzanie i wykorzystanie w transporcie oraz innych gałęziach przemysłu

Co daje zastosowanie symulacji  w rozwoju technologii wodorowych?

1. Oszczędność

Obecnie technologia symulacyjna Ansys przez wiele firm wykorzystywana jest do projektowania poszczególnych ogniw, doboru opłacalnych i lekkich materiałów, optymalizacji pod kątem wydajności energetycznej oraz do zarządzania termicznego całego systemu ogniw paliwowych i elektrolizy.

Na przykład w ramach projektu ENHIGMA, który obejmował różne firmy, ośrodki technologiczne i badawcze, wykorzystano oprogramowanie Ansys przy opracowywaniu konstrukcji tanich, energooszczędnych, trwałych elektrolizerów oraz ogniw paliwowych opartych na membranach protonowowymiennych (PEM). Jak przedstawiono na Rysunku 2, naukowcy dokonali optymalizacji stosów ogniw PEM za pomocą symulacji numerycznej w oprogramowaniu Ansys Fluent.

ogniwo_paliwowe_dzialanie

Rys. 2: Zoptymalizowana konstrukcja ogniwa za pomocą oprogramowania Ansys (po lewej) oraz układ elektrolizy wody PEM do produkcji wodoru (po prawej)

2. Walidacja pomysłów

Obecnie intensywnie rozwijana technologia silników turbin gazowych zasilanych wodorem stanowi najbardziej obiecującą ścieżkę dla wysiłków dekarbonizacji w sektorze energetycznym i lotniczym. Najbardziej złożone wyzwania techniczne związane ze spalaniem wodoru mogą być dokładniej analizowane i rozwiązane dzięki zaawansowanym symulacjom obliczeniowym o wysokiej wierności odtwarzania zjawisk fizycznych. Rysunek 3. przedstawia porównanie metodologii symulacji CFD w Ansys Fluent dla spalania wodoru w odniesieniu do danych eksperymentalnych.

Rys. 3: Wykonana symulacja dla spalania wodoru (CFD) w programie Ansys Fluent wraz z porównaniem otrzymanych wyników względem danych doświadczalnych

3. Optymalizacja procesu przechowywania

Kriogeniczne przechowywanie i transport wodoru jest jednym z ważniejszych etapów w rozwoju technologii wodorowej. Rozwiązania Ansys mogą być wykorzystywane do projektowania zbiorników kriogenicznych przy ścisłym odwzorowaniu procesu ich wytwarzania. Narzędzie do analizy uszkodzeń kompozytów w programie Ansys Mechanical umożliwia dogłębną ocenę potencjalnych trybów i miejsc awarii przy użyciu zaawansowanych kryteriów uszkodzeń, takich jak: Tsai-Wu, Puck i LaRC. Oprogramowanie Ansys Composite PrepPost (ACP) można wykorzystać do zrozumienia wpływu kruchości oraz inicjacji i propagacji pęknięć w opracowywanej konstrukcji zbiornika (Rysunek 4).

pojemnik_na_wodor

Rys. 4: Projekt kriogenicznego zbiornika na ciekły/sprężony wodór oraz analiza kruchości/pęknięć przy użyciu oprogramowania Ansys Composite PrepPost (ACP), Ansys Mechanical APDL i Ansys Fluent (CFD)

Zastosowanie symulacji do spalania wodoru

Naukowcy udowodnili, że techniki modelowania z dodatkowymi opcjonalnymi modyfikacjami sprawdzają się również w przypadku wykonywanych symulacji procesu spalania paliw typu mieszanka wodorowa lub czysty wodór. Takie rozszerzenia obejmują zmodyfikowane definicje zmiennych postępu reakcji (stopnia wypalenia paliwa), a w niektórych przypadkach uwzględniają dyfuzję różnicową (różne dyfuzyjności masy i ciepła dla różnych substancji). Pomyślne zastosowanie takiego podejścia  modelowania dla spalania wodoru przedstawiono na Rysunku 5. na podstawie przypadku Cabra, który jest reprezentatywnym przykładem podtrzymania płomienia w turbinie gazowej.

Rys. 5: Przypadek Cabra (po lewej). Siatka Ansys poly-hexcore w interesującej nas strefie (po prawej) .

Strumień paliwa wodorowego w powyższym przypadku Cabra jest otoczony przez współosiowy strumień produktów spalania z 2200 mniejszych płomieni spalanej mieszanki wodorowo-powietrznej. Symulacje wielkowirowe (LES) zostały przeprowadzone za pomocą solwera typu pressue-based w programie Ansys Fluent, zastosowano model podsiatkowy Dynamic Smagorinsky-Lilly. Rysunek 6. przedstawia przewidywaną strukturę płomienia wodorowego pod względem rozkładu temperatur oraz rozkładu frakcji spalanej mieszanki paliwowej w wybranym okresie czasu.

Na Rysunku 7 Przedstawiono przykład symulacji w oprogramowaniu Ansys Fluent (CFD) procesu spalania w komorze spalania silnika lotniczego wykorzystując analizę obliczeniowej dynamiki płynów (CFD).

spalanie_wodoru

Rys. 6: Płomień wodorowy (pole termiczne po lewej i frakcje spalanej mieszanki po prawej).

spalania_wodor

Rys. 7: Pole aerotermiczne wewnątrz komory spalania silnika lotniczego zasilanego wodorem

Zaawansowane technologie takie jak cyfrowe bliźniaki (digital twins) i modele zredukowane (ROM), mogą być wykorzystywane do optymalizacji działania systemów opartych na wodorze. Modele ROM są uproszczeniem złożonych modeli o wysokiej wierności. Ujmują one zachowanie modeli źródłowych, dzięki czemu inżynierowie mogą szybko zbadać dominujące efekty systemu przy użyciu minimalnych zasobów obliczeniowych.

Przykład stworzonego cyfrowego bliźniaka dla układu ogniw paliwowych zrealizowanego w programie Ansys Twin Builder przedstawiono na Rysunku 8. Typowy system produkcji wodoru lub instalacja ogniw paliwowych na bazie wodoru zawiera wiele komponentów. Większość z nich można reprezentować za pomocą uproszczonego modelu, ale najbardziej krytyczne części – takie jak ogniwo paliwowe lub stosy ogniw PEM – można reprezentować za pomocą modelu ROM uzyskanej z rozwiązań fizycznych 3D firmy Ansys. Tworzenie modelu ROM dla tego cyfrowego bliźniaka jest możliwe dzięki Ansys optiSLang, który automatyzuje łańcuch narzędzi symulacyjnych i łączy się z algorytmami optymalizacji projektu (RDO). Dzięki połączeniu z bieżącymi danymi z czujników, cyfrowy bliźniak może monitorować i optymalizować operacje, umożliwiając jednocześnie przeprowadzenie konserwacji prognostycznej.

Rys. 8. Cyfrowy bliźniak (digital twin) systemu ogniw paliwowych

Czy technologie wodorowe to przyszłość?

Korzyści płynące ze zwiększania skali gospodarki wodorowej wykraczają poza konkurencyjność kosztową. Wodór jest jedną z realnych, skalowalnych opcji dekarbonizacji przemysłu i innych segmentów, które zmagają się z minimalizacją swojego wpływu na środowisko.

Podejście symulacyjne pomaga sprostać najważniejszym i najtrudniejszym wyzwaniom związanym z szerszym zastosowaniem wodoru. Możliwość projektowania i testowania technologii związanych z wodorem w środowisku Ansys przyspiesza czas wprowadzenia na rynek nowoczesnych rozwiązań.  Ma to kluczowe znaczenie, gdy rządy i przemysł starają się osiągnąć cele zerowej emisji dwutlenku węgla do 2050 roku.

Istnieje wiele dróg do wykorzystania pełnego potencjału wodoru w globalnej transformacji energetycznej.  Wszystkie z nich wymagają natychmiastowej realizacji, w których ogromnym wsparciem może być zastosowanie oprogramowania Ansys. 

Czy słyszałeś/słyszałaś o szkoleniu "Kurs na wodór"?

Interesują Cię zagadnienia związane z technologiami wodorowymi? Potrzebujesz pomocy w ich szybszym wdrażaniu? Sprawdź szkolenie “Kurs na wodór”.

Autor artykułu

 

Mgr inż. Michał Szulborski, Application Engineer w Symkom – Ansys Motor-CAD / Ansys Maxwell. Jako doświadczony konstruktor aparatów elektrycznych specjalizuje się w zagadnieniach związanych z elektromagnetyzmem oraz niskimi częstotliwościami. Doktorant Wydziału Elektrycznego Politechniki Warszawskiej.

Masz pytania?
Skontaktuj się z nami!

office@symkom.pl

+48 22 849 13 92