用氢气和模拟加速实现净零排放

氢气有望减少温室气体排放，并帮助主要经济部门在2050年实现净零碳目标。这是许多国家在今年早些时候举行的气候变化峰会上同意的日期，欧盟、英国和其他国家已经使这一日期具有法律约束力。报告指出，要实现这一目标，需要对许多行业的能源使用进行彻底改革，并推动一些新兴技术的发展国际能源机构．

图1:航空业对净零排放的承诺(来源:国际航空运输协会)

各行各业的协同作用指向氢的采用

氢是碳中和解决方案的重要组成部分。航空航天、能源和汽车等主要行业之间存在协同效应，以建立可持续的氢基础设施网络。它为可持续发展提供了许多途径——从能源储存到更清洁的能源生产和推进——同时补充了其他解决方案，如电池。

如果我们仔细观察任何一个工业部门，我们都可以看到氢在减少温室气体排放方面的潜在影响。让我们以航空业为例。一份为航空业提出的净零碳路线图(见图1)表明，只有氢等可持续燃料才能提供到2050年实现净零碳的现实途径。值得注意的是，电气化将继续有助于减少排放，特别是短途航班，但航空部门90%以上的排放是由中远程航班产生的航空运输行动小组．

在其他领域，氢解决方案必须与其他重要技术(如能源效率、电池和碳捕获)一起发挥关键作用，才能实现净零目标。

“得益于可再生能源成本的大幅下降，电力碳含量的降低和许多经济活动(如交通或工业)的电气化是到2050年实现1.5摄氏度目标路线图的关键组成部分，”他说克劳德·海勒他是液化空气集团研发项目的前总监，现在是氢经济的高级顾问。“在所谓的难以减排的行业(如炼钢或航空)，通过低碳电力(如可再生能源或核能)电解水产生氢气，间接电气化是可能的。”

跨行业氢能民主化的三大挑战

氢气民主化的三个主要挑战是成本、基础设施和规模。

1.成本

绿色制氢(使用可再生能源制氢)的成本约为每公斤5美元，这使得它与天然气或煤油等碳重燃料相比竞争力较弱。高成本与基础设施投资和需求有关，由于世界各国政府采取的监管和积极行动，基础设施投资和需求正在得到提振。

现在，绿色氢的投资每年超过10亿美元。在全球范围内，最大的投资来自欧盟，在本世纪初的氢基项目投资中，欧盟占了一半以上。美国能源部(DOE)刚刚在6月份启动了能源地球计划(Energy Earthshots Initiative)，以加速能源转型。第一个“能源地球计划”被称为“氢计划”，目标是在2020年之前将绿色氢的成本降低到每公斤1美元。

2.基础设施

随着对氢生态系统的大量投资，与氢相关的技术挑战再次成为人们关注的焦点。然而，从生产到储存和运输，再到最终使用，每个阶段都存在重大的设计挑战。所有阶段的主要挑战之一是相关设备的能源效率。燃料电池的效率目前在40% - 60%之间，而电解槽的平均效率为60%。显著的效率改进是可能的，但是在传统的构建-测试-改进设计环境中是很费时的。

例如，由于其高能量密度和燃烧稀薄的能力，氢在航空和发电部门的脱碳方面表现出巨大的前景，最终用于燃气轮机。然而，在发动机中燃烧氢气会带来一些技术挑战，包括倒叙、声学不稳定、自燃和燃烧器内的火焰保持。

由于氢的分子量和密度低，在紧凑的空间中储存氢也是一个巨大的挑战。它需要被高度压缩或以低温/液态形式储存。无论是在空中飞行的飞机上，还是在地面上行驶的燃料电池汽车的后部，储罐的设计都需要特别考虑脆性、泄漏和相关的安全风险。

3.规模

最后，与扩大氢气规模相关的最终使用挑战。目前燃料电池的系统尺寸和重量都很大，尤其适用于航空航天和汽车应用。对于大多数运输应用来说，它们的耐用性和可靠性需要提高。当试图保持热交换器和整个系统的小尺寸时，热、水和空气管理也是挑战。

海勒说:“目前的氢技术(如电解或燃料电池)已经足够成熟，可以大规模应用氢经济以降低成本。”“与此同时，仍有必要改进流程，以便在规模效应之外降低成本。为此，更好地理解和建模分子尺度上的电化学反应和系统水平上的过程(例如细胞或堆栈)是至关重要的。”

模拟技术实现氢气的采用

万博Ansys技术使您能够克服与氢气相关的挑战，提高其生态系统各个阶段的性能，并加速新技术的开发，以解决成本和规模难题。例如，ENHIGMA是一个涉及不同公司以及技术和研究中心的国家项目，使用Ansys技术制造低成本、节能和耐用的质子交换膜(PEM)电解槽和燃料电池。万博如图2所示，Hidrógeno国家中心(CNH2)的研究人员使用流动模拟优化了PEM电池堆万博Ansys流利．

图2:PEM水电解堆制氢(左)，通过Ansys仿真优化电池设计(右)万博

万博Ansys仿真技术用于单个电池的设计，具有成本效益和轻量化的材料选择，电池堆优化的能源效率和整体燃料电池和电解系统的热管理。

低温储存和运输是氢生态系统的核心。万博Ansys复合材料解决方案可用于设计低温容器，同时密切模仿其制造过程。复合失效工具万博Ansys机械使设计人员能够使用先进的复合失效标准(如Tsai-Wu, Puck和LaRC)深入评估潜在的失效模式和失效位置。它可以进一步用于理解脆化和裂纹萌生和扩展的影响，如图3所示。

氢动力燃气涡轮发动机为能源和航空部门的脱碳工作提供了最有希望的途径。氢燃烧最复杂的技术挑战——如闪回、声学不稳定和自燃——可以用高保真模拟来描述和解决。图4显示了在Fluent中对氢燃烧CFD模拟方法与实验数据的验证。

图5显示了一个燃料电池系统的数字孪生万博Ansys Twin Builder．一个典型的制氢系统或氢燃料电池装置包含许多组成部分。其中大部分可以用简化模型表示，但大多数关键部件(如燃料电池或pem电池堆)可以用来自Ansys 3D物理求解器的ROM表示。万博为这个数字双胞胎创建ROM是由万博Ansys optiSLang，它自动化了仿真工具链，并连接到鲁棒设计优化(RDO)算法。通过连接实时传感器数据，这个数字双胞胎可以监控和优化操作，同时实现预测性维护。

图5:燃料电池系统的数字孪生

通过使工程师能够更快、更经济地探索更多的氢设计方案，模拟将有助于解决与增加氢采用相关的主要挑战。能够在虚拟环境中设计和测试与氢相关的技术，可以加快上市时间，这对于政府和行业急于实现2050年净零碳目标至关重要。

有关氢经济模拟解决方案的更多信息，请查看此按需网络研讨会:利用模拟帮助绿色燃料革命:氢的生命周期和模拟的作用．