Author Sunil Patil
Industry Lead - Turbomachinery and Propulsion, Ansys
氫能有望減少溫室氣體排放，並幫助主要經濟部門到 2050 年實現凈零碳目標。這是許多國家在2021年上半年的氣候變化峰會上達成共識的時間點，歐盟、英國和其他國家已經使這一日期具有法律約束力。據國際能源署（IEA）稱，要實現這一目標，就需要對許多行業的能源使用進行全面改革，並推進一些新興技術的發展。
圖1: 航空業對淨零碳排的承諾 (來源: IATA)
氫能源於各行各業的加乘效果
氫氣是碳中和解決方案的重要組成部分。航空航太、能源和汽車等主要行業之間存在協同作用，以建立可持續的氫能基礎設施網路。它提供了許多實現可持續發展的途徑——從儲能到更清潔的能源生產和推進——同時補充了電池等其他解決方案。
如果我們詳細觀察任何工業部門，我們都可以看到氫能對減少溫室氣體排放的潛在影響。讓我們以航空業為例。為航空業提出的一份凈零碳路線圖（見圖1）顯示，只有氫能等可持續燃料才能提供到2050年實現凈零排放的現實路徑。值得注意的是，電氣化將繼續幫助減少排放，尤其是短途航班，但根據航空運輸行動小組的數據，航空業90%以上的排放量是由中遠端飛行產生的。
對於其他行業，也可以進行類似的觀察，在這些行業中，基於氫能的解決方案必須與其他重要技術（例如能源效率、電池和碳捕獲）一起發揮關鍵作用，以實現凈零目標。
“得益於可再生能源成本的大幅下降，電力含碳量的減少和許多經濟活動（如運輸或工業）的電氣化，是到2050年實現1.5攝氏度目標的路線圖的關鍵組成部分，”液化空氣集團前集團研發專案總監、現任氫經濟高級顧問Claude Heller說：「在所謂的難以減排的行業（例如煉鋼或航空）中，可以通過低碳電力（例如可再生能源或核能）通過水電解產生的氫氣實現間接電氣化。」
氫能普及化的三個關鍵挑戰
氫能源可否被廣泛利用的三個主要挑戰是成本、基礎設施和規模。
1. 成本
綠色氫能生產（使用可再生能源生產的氫能）的成本約為每公斤 5 美元，與天然氣或煤油等碳重燃料相比，這使得其競爭力較弱。高昂的成本與基礎設施投資和需求有關，由於世界各國政府的法規和積極行動，基礎設施投資和需求現在得到了提振。
目前，對綠色氫能的投資每年超過10億美元。全球最大的投資來自歐盟，歐盟占本十年早期氫基項目投資的一半以上。美國能源部 （DOE） 於2021年 6 月啟動了“能源為地球奮鬥計劃”（Energy Earthshots Initiative），旨在加速能源轉型。第一個能源地球奮鬥，稱為氫能射擊，目標是到本世紀末將綠色氫能的成本降低到 1 美元/公斤。
2. 基礎設施
隨著對氫能生態系統的大量投資，與氫能相關的技術挑戰再次成為人們關注的焦點。然而，從生產到儲存和運輸，再到最終使用，每個階段都存在重大的設計挑戰。所有階段的主要挑戰之一是所涉及設備的能源效率。燃料電池效率目前在40%至60%之間，而電解槽的平均效率為60%。效率的顯著提高是可能的，但在傳統的構建-測試-改進設計環境中非常耗時。
例如，氫能在航空和發電行業的脫碳方面顯示出巨大的前景，由於其高能量密度和燃燒稀薄的能力，氫氣最終用於燃氣渦輪機。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、自燃和燃燒器內部的火焰保持。
由於氫氣的分子量和密度低，在緊湊的空間內儲存氫氣也是一個很大的挑戰。它需要被嚴重壓縮或以低溫/液體形式儲存。儲罐的設計，無論是乘坐飛機在天空中飛行，還是在地面上乘坐燃料電池汽車的後座，都需要特別考慮脆化、洩漏和相關的安全風險。
3. 規模
最後，還存在與擴大氫能規模相關的最終使用挑戰。目前燃料電池的系統尺寸和重量都很大，特別是對於航空航太和汽車應用。對於大多數運輸應用，它們的耐用性和可靠性需要提高。在試圖保持熱交換器和整個系統的較小尺寸時，熱、水和空氣管理也是一項挑戰。
“目前的氫技術（例如電解或燃料電池）已經足夠成熟，可以大規模參與氫經濟以降低成本，”海勒說。“與此同時，仍然需要改進流程，以降低成本，而不僅僅是規模效應。為此，在分子尺度上更好地理解和建模電化學反應以及系統水準（例如電池或堆棧）的過程至關重要。
模擬技術使氫能的採用成為可能
Ansys技術使您能夠提高氫氣生態系統每個階段的性能，並加速新技術開發，以解決成本和規模難題，從而克服與氫氣相關的挑戰。例如，ENHIGMA是一個涉及不同公司以及技術和研究中心的國家專案，它使用Ansys技術製造低成本、高能效且耐用的基於質子交換膜（PEM）的電解槽和燃料電池。如圖2所示，Centro Nacional del Hidrógeno （CNH2）研究人員使用Ansys Fluent中的流動模擬優化了PEM電池堆。
圖2 : 用於製氫的PEM的水電解堆(左)，透過Ansys模擬優化電池設計(右)
Ansys模擬技術用於單個電池設計、經濟高效且輕量化的材料選擇、電池堆優化以提高能源效率以及整個燃料電池和電解系統的熱管理。
低溫儲存和運輸是氫生態系統的核心。Ansys複合材料解決方案可用於設計低溫容器，同時密切類比其製造過程。Ansys Mechanical中的複合材料失效工具使設計人員能夠使用Tsai-Wu、Puck和LaRC等高級複合材料失效準則深入評估潛在的失效模式和失效位置。它可以進一步用於瞭解脆化和裂紋萌生和擴展的影響，如圖 3 所示。
氫動力燃氣渦輪發動機為能源和航空領域的脫碳工作提供了最有希望的途徑。氫氣燃燒最複雜的技術挑戰（如回火、聲學不穩定和自燃）可以通過高保真模擬來表徵和解決。圖 4 顯示了 Fluent 中用於氫燃燒的 CFD 模擬方法與實驗數據的驗證。
圖3: 左圖使用 Ansys Composite PrepPost (ACP) 進行低溫液體/壓縮氫罐設計，
右圖使用 Ansys Mechanical 進行脆化/裂紋分析
圖4：Ansys Fluent計算流體動力學（CFD）對氫氣燃燒的預測及其與實驗數據的驗證
最後，先進的數位化技術，如數位孿生和降階模型 （ROM），可用於優化氫基系統的運行。ROM 是對高保真複雜模型的簡化。它們捕獲源模型的行為，以便工程師可以使用最少的計算資源快速研究系統的主導效應。
圖5顯示了在Ansys Twin Builder中創建的燃料電池系統的數字孿生。典型的制氫系統或氫基燃料電池工廠包含許多元件。其中大多數可以用簡化模型表示，但大多數關鍵部件（如燃料電池或PEM電池堆）都可以由源自Ansys 3D物理求解器的ROM表示。Ansys optiSLang支援此數位孿生體的ROM創建，可自動執行模擬工具鏈並連接到演算法以實現魯棒性設計優化（RDO）。通過連接到即時感測器數據，該數位孿生可以監控和優化運營，同時實現預測性維護。
圖5:燃料電池系統的 Digital twin
通過使工程師能夠更快、更經濟地探索更多氫能設計選項，模擬將有助於應對與增加氫能採用相關的主要挑戰。能夠在虛擬環境中設計和測試氫能相關技術可以加快上市時間，這在政府和行業急於實現 2050 年凈零碳目標的情況下至關重要。
資料來源:Ansys Blog