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October 9, 2023

시뮬레이션을 사용하여 수소 채택 가속화

수소는 청정 기술의 중요한 요소로, 지속적인 에너지 전환을 가속화하고 여러 국가의 탈탄소 목표를 충족합니다. 수소는 통합 에너지 시스템을 위한 에너지 저장 매체이자 모빌리티, 중공업(예: 철강, 화학, 시멘트 등), 항공, 해상 운송 및 다른 산업 분야의 청정 연료로, 글로벌 탈탄소 임무에서 두 가지 역할을 할 수 있습니다.

수소 경제는 전반적으로 수소 생산, 저장 및 운송, 활용(또는 소비)을 포함한 전체 수소 가치 사슬에 초점이 맞춰져 있지만, 단기적으로는 활용 부분을 이해하는 것이 중요하며 이는 전체 수소 생태계에 영향을 미칩니다. 국제 에너지 기구(IEA)의 Global Hydrogen Review1에 따르면 2021년의 수소 수요량은 약 9,400만 톤이었습니다. 수소는 연료 전지, 가스 터빈 엔진, 내연기관 엔진 또는 용광로에서 탄소 중립 연료 또는 저장에 적합한 유도체를 생산하는 공급 원료로 직접 사용할 수 있습니다. 이러한 유도체에는 특정 산업 및 운송 응용 분야에 사용되는 암모니아, 메탄올 또는 지속 가능한 항공 연료(SAF)가 포함됩니다.

수소를 연료로 사용할 때 발생하는 주요 과제를 해결하는 데 유용한 수소의 연소 특성에 대해 알아보겠습니다. 

연소의 배출, 안정성 및 효율성의 최적화는 매우 중요합니다.

그림 1. 연소의 배출, 안정성 및 효율성의 최적화는 매우 중요합니다.

연소 과정의 최적화는 효율성, 배출 및 안정성이라는 세 가지 중요한 지표의 균형을 잡는 작업입니다. 연소 과정에서 더 높은 온도를 달성하는 것이 효율성과 안정성 측면에서 더 좋지만, 배출(주로 질소산화물(NOx)) 및 금속 보호와 관련된 문제가 있습니다. 반면에 연소 온도를 낮추면 배출 및 주변 금속 보호에 더 좋지만 일반적으로 연소 과정의 효율성이 낮아지고 연소 안정성에 문제가 발생합니다. 따라서 연소의 효율성, 배출 및 안정성 간의 균형을 맞추는 기술도 연소 장치 설계의 일부입니다. 또한 이러한 매개변수는 연료의 특성(예: 화염 속도, 연소의 인화 한계, 특정 연료의 점화에 필요한 에너지)에 좌우됩니다.

수소 연료의 특성은 다음과 같습니다.

  • 일반적인 탄화수소보다 화염 속도가 8배 더 빠릅니다.
  • 공기 중의 인화 한계는 부피를 기준으로 4%~70%이며, 이는 탄화수소보다 큽니다.
  • 탄화수소보다 점화 에너지가 15배 적습니다.

수소의 이러한 세 가지 특성은 연소의 효율성과 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 수소 연소에는 탄소 분자가 없기 때문에 탄소 중립 방출 관점에서도 매력적입니다. 하지만 장점이 있으면 단점도 있는 법입니다. 수소의 높은 화염 속도와 넓은 인화 한계로 인해 역화 및 기타 안전 관련 사안에 중요한 문제가 발생합니다. 수소 화염의 화염 온도가 높을수록 NOx 및 금속 보호에 어려움이 있습니다. 낮은 루이스 수로 인한 강력한 차동 확산이라는 수소의 또 다른 전형적인 특성은 연소 불안정성과 관련된 중대한 우려 사항입니다. 차동 확산으로 인해 국소 당량비가 변하므로 화염 전면을 따라 반응 속도가 달라집니다. 따라서 역화, NOx 배출 및 연소 불안정성과 관련된 문제가 빨리 해결될수록 청정 연료인 수소의 대규모 채택도 빨라집니다.

수소 연소를 이해하는 데 있어 시뮬레이션의 역할

전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션은 순수 수소 또는 수소 혼합 연료 연소에 대한 지속적인 연구에서 중요한 부분으로, 청정 연료인 수소의 채택을 가속화합니다. 시뮬레이션은 다양한 작동 조건(작동 압력, 유속, 안정화 메커니즘, 버너의 형상 변화), 다양한 혼합 비율 및 기타 요인에서 화염 특성과 역학을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 인사이트는 수소 연소와 관련된 화염 역화, NOx 및 연소 불안정성 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.

시뮬레이션 결과에 대한 신뢰도 증대

시뮬레이션은 연구자가 수소 연소와 관련된 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있지만, 시뮬레이션을 사용하여 예측한 결과의 정확성은 연소 모델, 반응 메커니즘, 화염 영역의 메시 해상도, 솔루션 방법론과 접근 방식 및 기타 여러 요인에 따라 달라집니다. 이러한 요인은 서로 다른 조성, 안정화 메커니즘 및 화염 특성을 갖는 다양한 화염에 대해 연구하고 검증해야 합니다. Ansys는 빠른 참조 가이드로 쉽게 사용할 수 있는 일련의 검증 사례를 적극적으로 개발해 왔습니다.

실제 수소 연소 시스템에서 관찰되는 거동의 하위 집합을 나타내는 8가지 화염을 살펴보겠습니다.

  1. SMH1 화염: 스월 안정화 연구
  2. HM3e 화염: 폭발 연구
  3. Cabra 수소 부상 화염: 폭발 연구
  4. SimVal 화염: 역화 연구
  5. TUBerlin 화염: 역화 연구
  6. DLR 수직 분사 화염: 화염 안정화 연구
  7. KAUST 암모니아 화염: 화염 안정화 연구
  8. Hylon 화염: 화염 안정화 연구
SMH1 버너

SMH1 버너

TUBerlin 화염

TUBerlin 화염

HM3e 버너

HM3e 버너

DLR JICF 화염

DLR JICF 화염

Cabra H2 화염

Cabra H2 화염

KAUST NH3 화염

KAUST NH3 화염

SimVal 화염

SimVal 화염

Hylon 화염

Hylon 화염

그림 2. 다양한 수소/수소 혼합 화염

SMH1 버너

스월 안정화 화염은 가스 터빈 업계에서 폭넓게 적용되기 때문에 광범위하게 연구됩니다. Sydney 실험 데이터베이스인 SMH12의 스월 안정화 화염은 CFD 시뮬레이션과 비교할 수 있는 화염 특성에 대한 풍부한 테스트 데이터를 제공합니다. SMH1 화염의 중앙에는 메탄(CH4) 및 수소(H2)의 부피가 1:1 비율인 연료 제트가 블러프 바디로 둘러싸여 있습니다. 공기의 스월 유동은 블러프 바디의 바깥쪽 고리를 통해 유입됩니다. 화염은 안정적인 상태로 작동하며 상당한 신장과 빠른 공기 유입이 가능합니다. 그림 3과 같은 블러프 바디 근처의 재순환 영역(형태로 인해 주변의 유동이 분리되는 바디), 네킹 영역 및 제트 유사 영역과 같은 화염 구조는 Ansys Fluent를 사용하여 잘 비교 예측할 수 있습니다.

그림 4. SMH1 화염의 온도장 애니메이션

그림 3. 다른 축면에서 SMH1 화염의 반경 온도 프로파일

그림 3. 다른 축면에서 SMH1 화염의 반경 온도 프로파일

HM3e 버너

블러프 바디 안정화 화염도 많은 산업 응용 분야와의 유사성 때문에 광범위하게 연구됩니다. 단순하고 잘 정의된 경계 조건을 유지하면서 실용적인 연소기와 관련된 몇 가지 복잡한 문제를 포함하므로 난류-화학 상호 작용에 대한 연구에 이상적입니다. 연료 스트림으로 CH4 및 H2를 1:1 부피 비율로 사용하는 블러프 바디 안정화 HM3e2 버너에 대한 연구는 Fluent를 사용하여 수행됩니다. 연료 제트 속도는 완전한 화염 폭발이 발생하는 속도의 90%입니다. 따라서 화염이 강력한 유한 속도의 화학반응 효과와 관련된 높은 국부적인 소염를 경험합니다. 이 연구의 결과는 그림 5에 나와 있습니다. 혼합이 심해지면(x > 13mm) 플롯에서 대규모 와류 분해로 인한 화염의 소화가 나타납니다. 실험에 대한 전반적인 합의는 질적 및 양적으로 모두 확인됩니다. 

그림 6. HM3e 화염의 온도장 애니메이션

  

다른 축면에서 HM3e 화염의 반경 온도 프로파일

그림 5. 다른 축면에서 HM3e 화염의 반경 온도 프로파일

Cabra H2 화염

그림 7. Cabra 수소 부상 화염의 병류 온도에 대한 화염 부양 민감도 애니메이션

Cabra 화염 구성은 난류 혼합 및 화학 역학의 커플링을 연구하는 방법을 제공하여 연소기에 종종 존재하는 재순환 영역의 복잡성을 해소합니다. 진동하는 병류 환경에서 난류 부상 수소/질소(H2/N2) 제트 화염은 Fluent3를 사용하여 연구됩니다. 고온 진동 H2/공기 병류로 인한 일차 안정화 메커니즘은 자가 발화 후 예혼합 화염이 생성되는 것입니다. 그림 7의 결과에서 볼 수 있듯이, Fluent는 시뮬레이션된 모든 테스트 지점의 병류 온도 변화에 따른 화염 부상 길이 변화를 성공적으로 포착했습니다.

병류 온도 변화에 따른 Cabra 수소 부양 화염의 화염 부상 거리

그림 8. 병류 온도 변화에 따른 Cabra 수소 부양 화염의 화염 부상 거리

SimVal 화염

화염의 안정화 외에 H2/H2 혼합 연소에 대한 화염 역화 연구도 중요합니다. 경계층 역화, 연소로 인한 와류 분해, 유동의 난류, 당량비 변동 등과 같은 여러 가지 역화 메커니즘이 있습니다. 역화를 예측하려면 고도의 과도 화학반응 현상과 열 손실이 화학에 미치는 영향에 대한 정확한 모델링이 필요합니다. 미국에너지기술연구소의 스월 안정화 연소기(SimVal) 구성은 Fluent의 역화 예측도를 평가하는 데 사용됩니다.4 연구 결과는 그림 9에 나와 있습니다. CH4 및 H2 혼합 범위는 당량비가 0.6인 예혼합 스월 공기/연료 시스템에 대해 테스트되었습니다. 시뮬레이션은 역화의 시작을 유발하는 CH4-H2 혼합물의 정확한 조성을 예측할 수 있습니다. 

그림 9. CH4:H2의 혼합 비율(부피)을 가진 화염 역화 애니메이션

TUBerlin 화염

축방향 주입으로 와류 분해에 영향을 미쳐 역화를 방지하는 순수 수소 예혼합 스월 안정화 화염 구성은 베를린 대학교(TUBerlin)에서 광범위한 테스트를 거쳤습니다. 시뮬레이션5을 수행하여 화염 위치와 특성을 예측하고, 그 결과를 테스트 데이터와 비교합니다. 결과는 그림 10에 나와 있습니다. 보시다시피, Fluent를 사용하여 시뮬레이션한 유동 구조와 화염 영역이 테스트 결과와 잘 비교됩니다.

그림 10. TUBerlin 화염에 대한 화염 형태의 애니메이션

DLR JICF

JICF(Jet-In-Cross Flow)는 역화를 방지하고 수소 연소를 더 잘 제어할 수 있어 광범위하게 연구되고 있는 또 다른 구성입니다. 제트 스트림에서 H2 농도의 함수로 화염 구조의 예측 가능성을 이해하기 위해 15bar 및 10bar의 고압 값에서 DLR JICF6 구성에 대해 Fluent의 성능이 평가됩니다. 그림 11에 표시된 것처럼 시뮬레이션은 업스트림 영역에서 서로 다른 H2 및 CH4 혼합 비율과 작동 압력의 정확한 화염 부착 추세를 예측했으며, 이는 화학종 확산 및 제트 상호 작용 분해능의 강력한 함수인 것으로 밝혀졌습니다.

DLR 수직 분사

사례 1: 40% H2 | 압력 = 10bar

DLR 수직 분사

사례 2: 20% H2 | 압력 = 10bar

DLR 수직 분사

사례 3: 40% H2 | 압력 = 15bar

DLR 수직 분사

사례 2: 20% H2 | 압력 = 15bar

그림 11. 다양한 작동 압력에서 다양한 혼합 비율의 화염 형태(DLR-JICF)

HYLON  화염

수소 공기 화염은 수소 저 NOx(HYLON)7 이중 스월 인젝터를 사용하여 광범위하게 연구됩니다. 이 어셈블리의 내부 인젝터는 나선형 축방향 선회기로 구성되며 수소를 공급합니다. 반면에 스월 기류는 고리형 채널을 통해 공급됩니다. 첨부된 화염(화염 A) 및 부상 화염(화염 L)과 관련된 결과가 그림 12에 나와 있습니다. 화염 A는 수소 인젝터 주둥이에 고정되어 있는 반면 화염 L은 인젝터 위에 떠 있습니다. 작동 조건 A 및 L에 해당하는 일관된 화염 패턴을 얻는 것은 어렵습니다. 그림에서 볼 수 있듯이 Fluent는 작동 조건의 변화에 따라 올바른 화염 형태를 예측할 수 있습니다.

화염 A(위)와 L(아래)은 HYLON 버너의 다양한 작동 조건에 해당합니다.

그림 12. 화염 A(위)와 L(아래)은 HYLON 버너의 다양한 작동 조건에 해당합니다.

KAUST 암모니아 화염

암모니아(NH3)는 연소 시스템의 수소 운반체이자 독립형 무탄소 연료 화학종으로서 중요성이 높아지고 있습니다. 순수 NH3 연소는 반응성이 낮고 질소산화물이 배출되기 때문에 어렵습니다. 따라서 연소 전에 NH3를 H2 및 N2로 크래킹하는 대체 방법이 자주 사용됩니다. NH3, H2 및 N2(서로 다른 크래킹 수준을 나타냄)의 서로 다른 조합으로 작동하는 블러프 바디 안정화 화염에 사용할 수 있는 KAUST8의 실험 데이터는 시뮬레이션을 통해 분석됩니다. 그림 13에 나와 있는 것처럼, Fluent는 크래킹 비율 증가에 따른 주요 화염 특성을 예측할 수 있습니다. 예를 들어, 크래킹 비율 증가에 따른 화염 연신율이 있는데, 화염 연신율이 증가하면 열 복사가 감소하여 안정성이 높아지는 특성이 있습니다. 레이놀즈 수(Re)가 일정하게 유지되기 때문에 Fluent를 사용하여 더 높은 운동량 플럭스(제트/병류)로 인한 외부 전단층에서 제트 옆 내층으로의 연소 영역 이동을 분석할 수도 있습니다. 

크래킹 비율 증가에 따른 화염 형태 변화(H2-N2 비율, KAUST 화염)

그림 13. 크래킹 비율 증가에 따른 화염 형태 변화(H2-N2 비율, KAUST 화염)

시뮬레이션을 사용하여 수소 R&D 가속화

오늘날 수소 연소가 역사상 가장 큰 주목을 받고 있다는 점을 감안할 때, 전 세계 탈탄소 활동에 대규모로 사용되도록 성공적으로 채택되기 위해서는 화염 안정성, 역화, NOx 배출 등과 같은 관련 문제를 완화하는 것이 핵심입니다. Ansys는 고객이 시뮬레이션을 통해 연구 및 개발을 가속화하여 탄소 중립 목표를 달성할 수 있도록 지원하기 위해 최선을 다하고 있습니다.

Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어에 대해 자세히 알아보십시오.

참고 자료:

  1. 국제 에너지 기구(IEA), Global Hydrogen Review 2022
  2. Verma, I, Yadav, R, Shrivastava, S, & Nakod, P., GT2022- 82583. ASME Turbo Expo 2022 회보: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2: Coal, Biomass, Hydrogen, and Alternative Fuels; Controls, Diagnostics, and Instrumentation; Steam Turbine. 네덜란드 로테르담 2022년 6월 13일~17일. V002T03A012. ASME
  3. Xia, Y, Verma, I, Nakod, P, Yadav, R, Orsino, S, & Li, S., GT2022-80733. ASME Turbo Expo 2022 회보: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2: Coal, Biomass, Hydrogen, and Alternative Fuels; Controls, Diagnostics, and Instrumentation; Steam Turbine. 네덜란드 로테르담 2022년 6월 13일~17일. V002T03A004. ASME
  4. Verma, I, Yadav, R, Ansari, N, Orsino, S, Li, S, & Nakod, P., GT2022- 82601. ASME Turbo Expo 2022 회보: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 3B: Combustion, Fuels, and Emissions. 네덜란드 로테르담
  5. M. Amerighi∗, P. C. Nassini, A. Andreini, S. Orsino, I. Verma, R. Yadav, S. Patil., GT2023-102651. ASME Turbo Expo 2023 Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2023 회보 2023년 6월 26일~30일, 미국 매사추세츠주 보스턴
  6. Pankaj Saini, Ianko Chterev, Jhon Pareja, Manfred Aigner & Isaac Boxx, Flow Turbulence Combust 105, 787–806 (2020).
  7. TNF Workshop, International Workshop on Measurement and Computation of Turbulent Flames 
  8. Adamu A., Ayman M. E., Jiajun L., Suliman A., Hong G. Im, Bassam D., Combustion and Flame, Volume 258, Part 2, 2023,