能源可持續 | 氫與仿真的力量:降低排放并加速實現凈零排放
2023-03-09
本文原載于Ansys Advantage:《The Power of Hydrogen & Simulation: Lowering Emissions & Accelerating Toward Net–Zero》 Cabra氫火焰的預測平均溫度分布(左)與航空發動機燃燒室內的氣動熱場(右)氫是碳中和解決方案的重要組成部分。航空航天、能源和汽車等主要行業之間存在協同效應,以建立可持續的氫基礎設施網絡。從儲能到清潔能源生產與動力系統,氫為可持續發展提供了許多途徑,同時還完善了其他解決方案,例如電池。盡管氫具有成為“黃金”燃料或能源載體的潛力,但在發動機中燃燒氫會帶來一些挑戰,包括回火、聲學不穩定性、自燃以及燃燒器內的火焰保持等問題。不過,工程師可以通過仿真來應對這些挑戰。燃氣輪機:仿真節省時間和成本鉆機測試確實提供了有助于應對上述挑戰的寶貴信息,但該測試不僅成本高昂而且非常耗時,如果使用100%氫氣,就可能意味著損耗鉆機的關鍵組件和儀器。另一方面,數字仿真則可以更深入地探索燃氣輪機燃燒室內的許多復雜現象。例如,Ansys Fluent支持通過計算流體動力學(CFD)預測航空發動機燃燒室內的復雜氣動熱場。準確預測燃氣輪機發動機內部的復雜現象和排放,需要高保真度且經過驗證的尺度求解湍流模型、燃燒模型和快速瞬態數值方案。在一個實例中,應力混合渦流仿真(SBES)湍流模型與Ansys的Mosaic網格劃分技術結合使用,可以求解高度不穩定的流動結構。歐拉-拉格朗日框架中的離散相建??捎糜趯θ剂蠂婌F進行建模,同時考慮二次破碎。燃燒采用小火焰單元生成歧管(FGM)模型進行建模,該模型通過混合分數與反應進程表示熱化學過程。此建模策略(SBES–FGM)已經過驗證,可準確預測噴氣式發動機以及陸上燃氣輪機燃燒室的火焰行為與排放。具有可選擴展功能的建模技術已被證明適用于氫混合燃料或純氫燃料。這種擴展包括對反應過程變量的定義修改,以及在某些情況下,考慮差異性擴散(不同物質的不同質量和熱擴散率)。下圖展示了這種氫燃燒建??蚣茉贑abra案例中的成功應用,這是燃氣輪機預混合系統中火焰保持的代表性配置。Cabra的案例(左),相關區域中的Ansys Poly-Hexcore網格(右)Cabra案例中的氫燃料噴氣機,被2,200種稀薄預混合氫/空氣火焰燃燒產物的同軸共流所包圍。使用Fluent中基于壓力的求解器進行大渦仿真(LES),并使用動態Smagorinky Lilly公式對子網格尺度進行建模。使用FGM對燃燒進行建模,進度變量源項采用有限速率閉合,進度變量(PV)和混合分數(Z)方差采用代數公式。LES-FGM仿真還預測了混合分數、溫度和物質的分布,與實驗數據非常吻合。仿真還準確再現了火焰前緣的厚度。前緣火焰的預測,對于影響下游混合的全火焰預測而言至關重要。使用擴散小火焰單元方法可以更準確地再現火焰錨定,最終與實驗數據高度吻合。航空工業可以利用氫實現凈零排放《巴黎氣候協定》和航空業界到2050年大幅降低排放的承諾,也在推動氫燃燒的研究和開發。由航空業提出的一項凈零碳排放路線圖表明,只有氫等可持續性燃料才能為2050年凈零排放目標提供現實的途徑。值得注意的是,電氣化將繼續幫助減少碳排放,特別是短途航班,但根據航空運輸行動小組(Air Transport Action Group)的數據,航空領域90%以上的排放是由中遠程航班產生的。其他領域也可以進行類似的研究,在這些領域,氫基解決方案必須與其他重要技術(例如能效、電池和碳捕捉)一起發揮關鍵作用,才能實現凈零排放的目標。前液化空氣集團(Air Liquide)研發項目總監、現任氫經濟高級顧問Claude Heller表示:“得益于可再生能源成本的大幅下降,電力碳含量的降低和許多經濟活動(例如交通運輸或工業)的電氣化,是到2050年實現全球氣溫升高不超過1.5℃目標路線圖的關鍵組成部分。在所謂的難以減排的行業(例如煉鋼或航空業)中,可以通過水電解產生的氫氣與低碳動力(例如可再生能源或核能),實現間接電氣化。”跨行業普及氫能的三大關鍵挑戰1. 成本綠色產氫(使用可再生能源產氫)的成本,約為每千克5美元,與天然氣或煤油等重碳燃料相比,其價格競爭力明顯不足。高昂的成本與基礎設施投資和需求不足有關,得益于世界各國政府推出相關法規并采取積極行動,基礎設施投資和需求現已得到提振。對綠色產氫的投資現在每年超過了10億美元。全球最大的投資來自歐盟,在本年代初期,歐盟投資占全球氫基項目投資的一半以上。美國能源部(DOE)于2021年6月啟動了“能源攻關計劃”(Energy Earthshots Initiative),以加速能源轉型。首個能源攻關計劃名為“氫能攻關”(Hydrogen Shot),目標是到本年代末將綠色產氫的成本降低至每千克1美元。2. 基礎設施隨著大量投資聚焦于氫生態系統,與氫相關的技術挑戰再次成為關注焦點。然而,從氫生產到儲存和運輸,再到最終使用,各階段仍然面臨著重大的設計挑戰。所有階段的主要挑戰之一是,相關設備的能效。目前,燃料電池的效率在40%-60%之間,而電解槽的平均效率為60%。顯著提高效率是可行的,但在傳統的構建-測試-改進設計環境中非常耗時。例如,氫因其高能量密度和稀燃能力,在航空和發電領域脫碳方面顯示出巨大的前景,最終被應用于燃氣輪機。然而,在發動機中燃燒氫氣會帶來一些技術挑戰,包括回火、聲學不穩定性、自燃以及燃燒室內的火焰保持等問題。由于氫的分子量和密度較低,在緊湊的空間中儲存氫也是一項巨大的挑戰。它需要被高度壓縮或以低溫/液體形式儲存。儲罐的設計,無論是用于空中飛行的飛機上,還是放置在地面燃料電池汽車的后部,都需要特別考慮脆化、泄漏及相關的安全風險等問題。3. 規模最后,還有最終應用時氫設備尺寸方面的挑戰。目前燃料電池的系統尺寸和重量都很大,特別是對于航空航天和汽車應用。對于大多數運輸應用,耐久性和可靠性都需要提高。此外,當試圖保持換熱器和整個系統的尺寸較小時,熱、水和空氣管理也是一大難題。前液化空氣集團研發項目總監、現任氫經濟高級顧問Claude Heller稱:“當前的氫技術(例如電解或燃料電池)已經足夠成熟,可以大規模地利用氫經濟來降低成本。同時,仍然需要改進流程,以降低尺寸效應之外的成本。為此,更好地了解并進行分子尺度上電化學反應和系統級(例如電池或電池組)流程的建模至關重要?!焙娇疹I域對凈零排放的承諾(來源:IATA)仿真技術推動氫應用Ansys技術正在通過提高氫生態系統各階段的性能,以及加速新技術開發以解決成本和規模難題,助力企業克服與氫相關的挑戰。例如,ENHIGMA是一個涉及不同企業以及技術和研究中心的國家項目,該項目采用Ansys技術制造低成本、節能且耐用的質子交換膜(PEM)電解槽和燃料電池。如圖(右)所示,西班牙國家氫能中心(CNH2)研究人員利用Ansys Fluent中的流動仿真優化了PEM電池組。一種用于產氫的質子交換膜(PEM) 水電解堆(左),通過Ansys仿真優化電池設計(右)Ansys仿真技術被廣泛用于單個電池設計、低成本且輕量化材料的選擇、電池組的能效優化,以及整個燃料電池與電解系統的熱管理。低溫儲存和運輸是氫生態系統的核心。Ansys復合材料解決方案可用于設計低溫容器,同時高度模仿其制造流程。Ansys Mechanical中的復合材料失效工具,可幫助設計人員使用高級復合材料失效準則(例如Tsai-Wu、Puck和LaRC)深入評估潛在的失效模式與失效位置。此工具可進一步用于了解脆化以及裂紋形成與擴展的影響。典型的產氫系統或氫基燃料電池裝置包含許多組件。其中大部分可以通過簡化模型來表示,但多數關鍵部件(例如燃料電池或PEM電池組),則可以用Ansys 3D物理求解器導出的ROM來表示。Ansys optiSLang能夠為數字孿生創建ROM,該軟件可實現仿真工具鏈自動化,并連接到魯棒性設計優化(RDO)算法。通過連接實時傳感器數據,數字孿生可以監控并優化操作,同時實現預測性維護。大渦流仿真捕獲的氫火焰 (混合分數)細節仿真通過讓工程師能夠更快、更低成本地探索更多氫設計選項,將有助于行業應對與氫能不斷普及相關的重大挑戰。在虛擬環境中設計并測試氫相關技術,可以加速產品上市進程,這對于政府和行業競相實現2050年凈零碳排放的目標至關重要。(文章來源公眾號:Ansys)+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++關于億道電子億道電子技術有限公司(英文名稱:Emdoor Electronics Technology Co.,Ltd)是國內資深的研發工具軟件提供商,公司成立于 2002 年,面向中國廣大的制造業客戶提供研發、設計、管理過程中使用的各種軟件開發工具,致力于幫助客戶提高研發管理效率、縮短產品設計周期,提升產品可靠性。20 年來,先后與 Altium、ARM、Ansys、Minitab、Green Hills、EPLAN、QT、QA Systems、MicroFocus、Visu-IT、HighTec、PLS、Ashling、MSC Software 、Autodesk、Source Insight、TeamEDA、IncrediBuild、Adobe等多家全球知名公司建立戰略合作伙伴關系,并作為他們在中國區的主要分銷合作伙伴服務了數千家中國本土客戶,為客戶提供從芯片級開發工具、EDA 設計工具、軟件編譯以及測試工具、結構設計工具、仿真工具、電氣設計工具、以及嵌入式 GUI 工具等等。億道電子憑借多年的經驗積累,真正的幫助客戶實現了讓研發更簡單、更可靠、更高效的目標。歡迎關注“億道電子”公眾號了解更多研發工具軟件知識
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