Ansys博客
March 27, 2024
聚焦仿真对推进清洁氢能解决方案的影响
随着气候变化，二氧化碳（CO2）排放和其他环境污染物日益引起人们的关注，全球越来越多的行业都在致力于寻求将氢能作为化石燃料的更清洁替代品。
利用可再生能源生产氢燃料，为电解水释放氢气提供动力，可实现CO2零排放。然而，氢的生产也带来了包括安全性、成本和可扩展性的挑战和难题。
工程仿真是通过开发新技术和现有技术来改善清洁氢生产的最佳方法之一，因此开始受到行业的关注。事实上，国际能源署（IEA）指出，如果在关键技术方面没有开展强有力的研发投入工作，甚至根本无法实现净零排放的目标。
最近，英国的一家媒体平台邀请Ansys在其播客《氢能产业领导者（HIL）》中探讨仿真如何推动这一领域的创新。该平台旨在深入探讨在我们迈向净零世界的过程中如何开发氢能解决方案。在专门介绍仿真的一集播客中，Ansys客户卓越部的杰出工程师Pepi Maksimovic讨论了基于物理场的仿真如何在制氢的研发过程中提供关键的洞察信息，从而帮助确保安全性并建立对技术的信心，降低成本并提高可扩展性。
Ansys客户卓越部的杰出工程师Pepi Maksimovic
欢迎聆听下方《氢能产业领导者》播客系列的《基于物理场的仿真及其在推动氢能经济发展方面发挥的作用》。
仿真更安全的能源转型
HIL播客系列欢迎来自世界各地的专家分享他们的真知灼见。每一集都重点介绍氢的生产、安全性和储存等相关主题，该播客可提供一个助力您了解不同行业和部门如何倡导绿色技术来转型能源行业的良机。
来自Ansys的Maksimovic与HIL播客主持人Floyd March在第23集中，一起对仿真的作用进行了探讨：基于物理场的仿真及其在推动氢能经济发展方面发挥的作用。基于物理场的仿真以数据和科学为后盾，可帮助工程师对氢的生产流程进行分析和测试，并具体考虑诸如热、流体、化学和结构行为等的工程动力学因素。通过这种方式，仿真不仅可帮助研发团队安全地测试和分析他们原本无法进行检验的现象，同时还可利用计算机上的虚拟测试来降低物理测试和原型制作所需的成本和时间。
绿氢可通过电解水实现可持续生产，而不使用化石燃料。
当前的能源转型目标，源于从化石燃料能源解决方案向可再生能源、核能和氢能等零碳到低碳解决方案的转型需求。为了实现这一转型，IEA突出强调了技术开发的重要性，并指出，在其预测的到2070年的《可持续发展场景》中，处于原型或示范阶段的技术可将CO2排放量减少近35%， 而如果不进一步开展研发，这些技术就无法大规模推进。此外，IEA还断言，另外40%的目标减排依赖于尚未在大众市场应用中实现商业化的技术。
Maksimovic讲解了如何利用仿真来实现这两个主要目标：改进现有技术，以及通过研发创新来开发和加速全新技术的开发。
除了生产之外，仿真还通过深度分析来优化氢能价值链的其余部分，包括储存、分配和利用，从而确保实现最佳性能、安全性和环境效益。
了解Ansys仿真软件如何为氢能价值链提供动力。
仿真助力攻克氢难题
完全不使用化石燃料的绿氢的生产成本一直居高不下，这阻碍了其大规模应用。随着工程师和研发团队不断探索行之有效的方法来提高无碳绿氢的产能、效率和成本竞争力，其也在并行探索其他低排放的氢能备选方案。
这方面的一个典型示例是，应用碳捕获技术来捕获和消除化石燃料生产蓝氢的过程中产生的碳排放。
其他公司正在探索绿松石氢等备选方案。这种制氢方式可将天然气转化为氢气和固体碳，后者可用于电动汽车（EV）电池，而不会产生CO2排放。
仿真可提供重要的研发支持，包括预测准确性和无限的分析能力。例如，Ansys Fluent计算流体力学（CFD）等先进的软件包可帮助研发团队准确而又高效地分析各种复杂的流体现象，其细节程度通常远超物理测试的能力。这种现象包括热传递和质量传递、化学反应和燃烧等。
借助计算流体力学（CFD）的分析和能力，Ansys Fluent可释放制氢研发的新潜力。
Maksimovic指出，向清洁氢生产的广泛行业转型需要足够的时间和强大的技术。更广泛地采用清洁氢需要显著提高生产能力，并将成本降低到可接受的水平，这就再次凸显了研发的重要性。
设备设计是仿真提供关键洞察的另一大领域。诸如Ansys Granta Selector之类的工具可帮助工程师和设计人员改进材料选择，以提高技术和环境性能以及优化成本，而Ansys Mechanical则使他们能够确保设备的结构完整性。
工程师和设计人员可在制氢过程中探索热特性，并在整个设备设计过程中使用Ansys Mechanical来评估结构完整性。
借助Ansys Granta Selector，研发团队能够发现更具可持续性的材料，以改进设计，同时遵守环境标准。
她表示：“仅对于电解槽本身来说，有很多仿真机会……比如如何设计最佳的单元，如何堆叠单元……了解偏振曲线……热以及加热过程？因此，基本上工程师和设计人员每天都必须应对所有这些挑战……这确实是仿真的关键……”
更广泛地采用氢能的另一大障碍是对安全性的担忧。其中的一部分原因是，人们还普遍对将氢能作为能源进行使用感到很陌生，但其他问题更为明显。由于氢气具有较高的可燃性和较低的点火能量，因此其燃烧速度比汽油或天然气更快，如果处理不当，就会引发潜在火灾隐患的安全问题。为了降低这些风险，政府机构和监管协会制定了有关其处理的安全标准，包括概述与易燃气体储存，点火源和燃气通风管的安全距离。对于员工办公室或人员聚集的安全距离，还制定了其他指南。
据Maksimovic表示，仿真不仅有助于降低制氢流程的风险，而且还能在更广泛的范围内缓解问题。
她表示：“通过深入了解事物的行为、性能……了解工艺流程本身，了解物理设备的行为……在产品推向市场之前进行设计、验证和确认等所有工作，这就是对产品制造商而言的降低风险的方法。但同时……还需要面向大众的“降低风险”的方法。比如，如果人们对设计的工作量和安全性十分了解……我认为，这也有助于大众在日常生活中使用氢能，因为所有人都希望能使用被证明是安全可靠的东西。”
了解全球氢能的应用情况
仿真正在被集成到包括能源、汽车、航空航天等的全球市场和行业的氢能研发中。
Maksimovic认为，降低制氢工艺的成本是更广泛采用氢能的关键。为此，一些能源政府机构公布了降低成本的目标计划。例如，美国能源部的“能源攻关计划”（Energy Earthshots Initiative），也被称为111计划，旨在在十年内将清洁氢的成本降至每1公斤1美元。
如欲了解有关Ansys在该领域的解决方案的更多信息，请访问通过仿真为氢能价值链赋能。