利用氢和模拟加速实现净零排放

氢有望减少温室气体排放，并帮助主要经济部门到2050年实现净零碳排放目标。这是许多国家在今年早些时候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其具有法律约束力。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全面改革，并推动一些新兴技术的发展国际能源署。

图1:航空业对净零排放的承诺(来源:国际航空运输协会)

跨行业的协同作用表明氢的采用

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，可以建立一个可持续的氢基础设施网络。它为实现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，我们都可以看到氢对减少温室气体排放的潜在影响。让我们以航空业为例。一份为航空业提出的净零碳排放路线图(见图1)显示，只有氢等可持续燃料才能提供到2050年实现净零碳排放的现实途径。值得注意的是，电气化将继续帮助减少排放，特别是在短途航班上，但根据国际能源署的数据，航空业90%以上的排放是由中远程航班产生的航空运输行动小组。

在其他行业，氢基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，以实现净零排放目标，也可以进行类似的观察。

“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，受益于可再生能源成本的大幅下降，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·海勒前液化空气集团研发项目总监，现任氢经济高级顾问。“在所谓难以减排的行业(如炼钢或航空)，通过水电解和低碳电力(如可再生能源或核能)产生的氢，间接电气化是可能的。”

跨行业氢民主化的三大关键挑战

氢民主化的三大挑战是成本、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，与天然气或煤油等重碳燃料相比，它的竞争力较弱。高成本与基础设施投资和需求有关，由于世界各国政府的监管和积极行动，基础设施投资和需求正在得到提振。

目前，对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，欧盟占氢基项目投资的一半以上。今年6月，美国能源部(DOE)刚刚启动了能源地球计划(Energy Earthshots Initiative)，以加速能源转型。第一个Energy Earthshot项目名为Hydrogen Shot，目标是在本十年末将绿色氢的成本降至每公斤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重新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，每个阶段的重大设计挑战仍然存在。所有阶段的主要挑战之一是所涉及设备的能源效率。目前燃料电池的效率在40%到60%之间，而电解槽的平均效率是60%。效率的显著提高是可能的，但是在传统的构建-测试-改进设计环境中会耗费时间。

例如，氢在航空和发电部门的脱碳方面显示出巨大的前景，其最终用途是燃气轮机，因为它的高能量密度和低燃烧能力。然而，在发动机中燃烧氢气会带来一些技术挑战，包括闪回、声音不稳定、自燃和燃烧器内火焰保持。

由于氢的低分子量和低密度，在一个紧凑的空间中储存氢也是一个很大的挑战。它需要被大量压缩或以低温/液体形式储存。储罐的设计，无论是在飞机上的空中飞行，还是在地面上的燃料电池汽车的后座上行驶，都需要特别考虑脆化、泄漏和相关的安全风险。

3.规模

最后，还有与氢结垢相关的终端使用挑战。目前燃料电池的系统尺寸和重量都很大，特别是用于航空航天和汽车应用。它们的耐用性和可靠性需要在大多数运输应用中得到提高。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，可以大规模地利用氢经济来降低成本。”“与此同时，为了降低尺寸效应之外的成本，仍然需要改进工艺。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)是必不可少的。”

模拟技术使氢的采用成为可能

Ansys技术通过提高其生态系统各个阶段的性能，加速新技术开发，解决成本和规模难题，使您能够克服与氢相关的挑战。例如，一个涉及不同公司以及技术和研究中心的国家项目ENHIGMA，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。如图2所示，Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2)的研究人员利用流体模拟技术优化了PEM电池堆Ansys流利。

图2:用于制氢的PEM水电解堆栈(左图)，通过Ansys模拟优化的电池设计(右图)

Ansys仿真技术可用于单体电池设计、成本效益和轻质材料选择、电池堆能效优化以及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。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。它可以进一步用来理解脆化和裂纹起裂扩展的影响，如图3所示。

氢动力燃气涡轮发动机为能源和航空领域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、声学不稳定性和自燃——可以通过高保真仿真来表征和解决。图4显示了Fluent中氢气燃烧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Ansys Twin Builder。一个典型的制氢系统或氢基燃料电池装置包含许多组件。其中大多数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Ansys 3D物理求解器派生的ROM表示。为这个数字孪生体创建ROM是由Ansys optiSLang，使仿真工具链自动化，并连接到鲁棒设计优化(RDO)算法。通过连接实时传感器数据，该数字孪生体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选项，模拟将有助于应对与氢采用增加相关的最大挑战。能够在虚拟环境中设计和测试与氢相关的技术，加快了上市时间，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，请查看以下按需网络研讨会:利用模拟帮助绿色燃料革命:氢的生命周期和模拟的作用。