ANSYS 部落格
March 27, 2024
Podcast聚焦於模擬對推動潔淨氫解決方案進展的影響
隨著世界越來越關注氣候變遷、二氧化碳 (CO2) 排放和其他環境汙染物，全球越來越多產業將氫氣視為更潔淨的化石燃料替代方案。
生產氫燃料時二氧化碳 (CO2) 排放為零，因為此作業使用可再生能源供電，進行水電解以釋出氫氣。然而，氫生產也會帶來挑戰與疑慮，包括安全、成本與可擴充性問題。
工程模擬可發展新技術與現有技術，讓其成為改善潔淨氫生產的最佳方法之一，因此也備受關注。事實上，國際能源署 (IEA) 表示，如果未能對關鍵技術投入強大的研發 (R&D) 心力，勢必無法達到淨零排放。
最近，一家位於英國的媒體平台邀請 Ansys 在其Podcast Hydrogen Industry Leaders (HIL) 中，探討如何在此領域中用模擬來推動創新。該平台旨在提供深入見解，說明在我們邁向淨零排放世界的同時，如何開發氫氣解決方案。Ansys Customer Excellence 傑出工程師 Pepi Maksimovic 在專門探討模擬的一集中，討論了物理型模擬如何在氫生產的研發期間提供重要的深入見解，進而協助確保安全並培養對技術的信心、降低成本，以及提升擴充性。
Ansys Customer Excellence 傑出工程師 Pepi Maksimovic
請收聽下方這集 Hydrogen Industry Leaders (氫能產業領導者) 播客：「Physics-Based Simulations and the Role They Play in Growing the Hydrogen Economy」(物理型模擬與其在促進氫經濟發展中所扮演的角色)。
模擬更安全的能源轉型
HIL Podcast系列邀請來自世界各地的專家分享他們的觀點。每一集都以氫生產、安全、儲存與相關主題為主軸，此播客讓我們有機會探索不同產業如何提倡綠色技術，以推動能源產業轉型。
Ansys 的 Maksimovic 與 HIL 主持人 Floyd March 一同在第 23 集中探討模擬的角色：Physics-Based Simulations and the Role They Play in Growing the Hydrogen Economy (物理型模擬與其在促進氫經濟發展中所扮演的角色)。以資料與科學為基礎的物理型模擬，有助於工程師分析並測試氫生產程序，並特別考量如熱、液體、化學與結構行為等工程動態。如此一來，模擬即可協助研發團隊針對原本無法檢驗的現象，安全地進行測試和分析，同時運用電腦上的虛擬測試，以減少進行實體測試和原型製作所需的成本和時間。
透過水電解產生的綠氫可永續生產，無需使用化石燃料。
目前的能源轉型目標，源自需從化石燃料型能源解決方案，轉換至可再生能源、核能源和氫氣等零至低碳解決方案的需求。為了實現前述轉型，IEA 強調了技術開發的重要性，指出在其預測的 2070 年永續發展情境中，幾乎有 35% 的 CO2 減排量都來自為原型或示範層級的技術，如果沒有進一步的研發，就無法有大規模的進展。IEA 也主張，在這些目標減排量中，另有 40% 需要採用在大眾市場應用中尚無商業可行性的技術。
Maksimovic 解釋了如何使用模擬因應以下兩大目標：改善現有技術，以及透過研發創新來開發與加速開發全新技術。
除了生產之外，模擬可透過深入分析確保最佳性能、安全和環保成果，讓氫氣價值鏈的其餘部分發揮最大效用，包括儲存、分配和使用率等。
瞭解 Ansys 模擬軟體如何推動氫氣價值鏈。
透過模擬克服氫氣障礙
對於大規模採用而言，綠氫 (可完全不使用化石燃料) 的生產成本仍然令人望之卻步。在工程師與研發團隊不斷探索各種方法，努力提升無碳綠氫的效率和成本競爭力，同時也在尋求其他低排放的氫氣替代方案。
其中一個例子就是應用碳捕捉技術，以在使用化石燃料生產所謂的「藍氫」時，擷取並移除所造成的碳排放。
其他公司則在探索如藍綠氫等替代方案。這種形式的氫生產會將天然氣轉換為氫氣體和固體碳，後者可用於電動車 (EV) 電池，而非產生 CO2 的排放。
模擬可提供重要的研發支援，包括預測性準確度和無限的分析功能。例如，Ansys Fluent 計算流體動力學 (CFD) 等進階軟體套件，有助於研發團隊準確且有效率地從細節層級分析多種複雜的液體現象，而這通常會超出實體測試的能力。此類現象包括熱和質量傳輸、化學反應和燃燒等。
Ansys Fluent 可透過計算流體動力學 (CFD) 分析和功能，讓氫生產的研發 (R&D) 釋放新潛力。
Maksimovic 指出，需要時間與技術才能讓產業廣泛地轉換至潔淨氫生產。想要更廣泛地採用潔淨氫，需要顯著提升產能，並且也需將成本降至可接受的水準，這也再次強調了研發的重要性。
設備設計是模擬技術可提供重要見解的另一個領域。像是 Ansys Granta Selector 等工具，可協助工程師和設計師針對技術效能、環境效能及成本改善材料選擇，而 Ansys Mechanical 則讓他們可確保設備的結構完整性。
工程師與設計師可在氫生產期間探索熱特性，並使用 Ansys Mechanical 評估整個設備設計的結構完整性。
Ansys Granta Selector 讓研發團隊能找出更多永續性材料，在改善設計的同時，也能遵守環境標準。
「[單是] 電解槽本身就有許多模擬機會……要如何設計最佳的電池、如何堆疊電池……瞭解極化曲線……了解熱、加熱等等程序？」她說。「因此，基本上是工程師和設計師每天都必須克服的挑戰……這真的是模擬的關鍵……」
更廣泛採用氫能的另一個障礙，是安全疑慮。雖然部分疑慮是因為對於將氫氣做為能源來源的情況普遍不熟悉，但其他疑慮卻有更明確具體的原因。由於氫氣的易燃性高，加上引燃能量較低，燃燒速度比汽油或天然氣更快，因此引發安全疑慮，擔憂處理不當可能造成火災。為了降低這種風險，政府機關與監管協會實施了氫氣處理的相關安全標準，包括界定可燃氣體儲存、點火源和燃氣排氣管之間的安全距離。另外也制定其他準則，規範與員工辦公室或集會人群之間的安全距離。
根據 Maksimovic 表示，模擬技術能幫助氫生產程序去風險，同時也能更廣泛地減輕疑慮。
「在進行設計、驗證、確認時……藉由獲得這種深入見解，也就是事物的行為與執行方式……瞭解程序本身，以及瞭解實體設備的行為方式等，若能在產品上市前先進行前述所有作業，對產品製造商來說就可去風險，」她表示。「不過……整體來說也可去風險。如果大家瞭解背後的設計花了多大心力，以及增添了多少安全性……我認為這也能讓一般大眾願意在日常生活中使用氫氣，因為每個人都想要使用經證明安全可靠的東西。」
瞭解全球氫氣應用情形
模擬技術已整合至全球市場與產業的氫氣研發中，包括能源、汽車、航太與其他等。
Maksimovic 相信在擴展氫能規模時，成本降低會是擴大採用的關鍵所在。為此，部分能源政府機關已發表降低成本的目標計畫。舉例來說，在美國，能源部的 Energy Earthshots Initiative，也稱為 111 計畫，目標是在十年內將氫的成本降低到每公斤 1 美元。
若要深入瞭解 Ansys 在此領域的解決方案，請造訪透過模擬實現氫價值鏈 。