Optimierung von Wasserstoff-Speicher- und Transportsystemen mit Simcenter Amesim

Speicherung und Transport von Wasserstoff sind aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften sehr komplex. Seine geringe Dichte erfordert eine Kompression oder Verflüssigung unter hohem Druck, und sein hohes Diffusionsvermögen kann im Laufe der Zeit zu Materialschäden führen. Darüber hinaus ist zur Vermeidung von Gefahrensituationen die Einhaltung eines sicheren Temperaturbereichs von entscheidender Bedeutung.

Im heutigen Artikel befassen wir uns mit den Herausforderungen, die hinter einigen Schlüsselanwendungen stehen:

• Systeme zur Speicherung von komprimiertem Wasserstoff (CHSS): Sicherstellung der strukturellen Integrität und Leistung von Tanks unter hohem Druck (350-700 bar).
• Kryogene Wasserstoffspeicherung: Management thermischer Verluste und Minimierung von Boil-off-Gas (BOG) bei der Speicherung von Flüssigwasserstoff (LH2).
• Pipeline-Transport: Umgang mit Druckverlusten, Wasserstoffversprödung und Optimierung der Energieeffizienz über lange Strecken.
• Intermodaler Transport: Entwicklung sicherer und effizienter Transportlösungen für Wasserstoff (mit LKW, Bahn oder Schiff).

Wie kann Simcenter Amesim helfen?

Simcenter Amesim bietet Ingenieuren eine leistungsstarke Systemsimulationsplattform. Durch die Integration physik-basierter Modelle ermöglicht Amesim virtuelles Prototyping, Leistungsoptimierung und Fehleranalyse vor der physischen Umsetzung. Darüber hinaus ermöglicht es die Fehlersuche an bestehenden, sich in Betrieb befindlichen Produktmodellen und bietet so eine eingehende Systemdiagnose / Problemanalyse in einer virtuellen Umgebung.

1. Entwurf und Validierung von Druckwasserstoff-Speichersystemen (CHSS)

Druckwasserstofftanks/Speichersysteme (CHSS) arbeiten in der Regel bei 700 bar mit erheblichen Änderungen der Temperaturentwicklung während des Gebrauchs. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb ist jedoch eine präzise Kontrolle von Druck, Temperatur und struktureller Leistung erforderlich.

Betrachten wir einige der wichtigsten Herausforderungen, die mit Systemsimulation gemeistert werden können, um das bestmögliche Produktdesign zu entwickeln.

Mit Simcenter Amesim können folgende Vorhersagungen/Simulationen durchgeführt werden:

• 📈🌡 Parameter der Betankung: Zeit, Temperaturen, Druck, basierend auf Standard- oder personalisierten Betankungsverfahren
• 📉💧 Parameter der Entleerung: Spanne auf der Grundlage bestehender Fahrprofile, Temperaturen, Ventilverhalten
• ⏱️ Wartungsarbeiten: Schätzung der Reinigungszeit, Dichtheitsprüfung usw…
• 🧪 Zyklustests: Optimierung der Zyklen für normative Tests oder industrielle Prozesse
• 💥 Beurteilung der Sicherheit: Entlüftungszeit, mögliche Auswirkungen von Leckagen, physikalische Dynamik der Sicherheitsventile usw…

Die Liste ist lang und Systemsimulation kann helfen!

Innerhalb weniger Sekunden nach der Ausführung kann Systemsimulation Messdaten über beliebige Variablen wie Druck, Temperatur, Mass-flow Rates, Leistungsverluste, Wirkungsgrad und/oder Energieeinsparung liefern, so dass es wirklich einfach ist, mehrere unterschiedliche Situationen zu untersuchen.

2. Systeme zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff

✈️💧 In der Luftfahrtindustrie bevorzugt man die Speicherung in GH2 (Gas) Tanks für kleine Flugzeuge und kurze Reichweiten gegenüber der Speicherung in LH2 (Flüssigkeit) Tanks für größere Flugzeuge und mittleren bis großen Reichweiten. Der Grund für diese Entscheidung ist die wesentlich höhere Energie pro Volumeneinheit des LH2-Tanks im Vergleich zum GH2-Tank.

LH2 (flüssiger Wasserstoff) ist viel komplexer zu handhaben, da er bei extrem niedrigen Temperaturen (um die -253 °C🌡) gewonnen wird, so dass eine thermische Isolierung der Tankwände zwingend erforderlich ist, um das Sieden des flüssigen Wasserstoffs (und damit einen drastischen Druckanstieg) zu verhindern, sowie als Nebeneffekt das Einfrieren der äußeren Teile des Kryotanks.

Hier kann Systemsimulation helfen, die Isolationsleistung (Anzahl der Schichten, Verbundwerkstoff/Metall, …) oder die Betankungs-/Entleerungszeiten zu untersuchen, um in wenigen Sekunden relevante Ergebnisse bezogen auf die ZVE-Zeit zu erhalten.

Kryogener Wasserstofftank mit LH2 (flüssig), GH2 (gasförmig) und BOG (Boil-off-Gas)

An einem bestimmten Punkt wird die Diskretisierung der äußeren und inneren Tankwände mitsamt den Isolierschichten unter Einbeziehung komplexerer Phänomene (thermische Schichtung, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung usw.) erforderlich, um das physikalische Verhalten zu erfassen und die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern.

Im obigen Beispiel definiert der Benutzer die 3D-Form des Tanks und kann dann dank des Wärmemanagements (isolierte Wände, konzentrierte und verteilte Wärmeströme, …) das Boil-Off-Gas (BOG – verdampfter Wasserstoffdampf) bestimmen, so dass es schließlich einfach ist, die geeignete Strategie zur Wiederverwendung des BOG für die Brennstoffzelle zu definieren.

Das Ziel besteht darin, das Wärmemanagement des Wasserstofftanks zu übernehmen und den bereits vergasten Wasserstoff zu nutzen, um beim angestrebten Druck die Brennstoffzelle mit der erforderlichen Flüssigkeitsmenge zu versorgen. Die Steuerung ermöglicht die richtige Menge an LH2 (flüssigem Wasserstoff) zur Verdampfung in einem idealen Wärmetauscher. Dieser liefert eine Schätzung der für den Betrieb erforderlichen Wärme, während sich aus diesen Ergebnissen wiederum neue Anforderungen an das Wärmemanagementsystem ableiten lassen.

3. Kryokomprimierte Wasserstofftanks (CCH2) und Kühlsysteme

Betrachten wir nun eine weitere Technologie für die Wasserstoffspeicherung mit kryokomprimierten Wasserstofftanks (CCH2), die in einigen Personenkraftwagen verwendet werden.

Das Konzept eines kryokomprimierten Wasserstoffspeichers (CCH2) besteht darin, die Vorteile der Speicherung von gasförmigem (CGH2) und flüssigem (LH2) Wasserstoff zu kombinieren, nämlich verlustfreier Betrieb und höchste Speicherdichte.

Ein großes Augenmerk wird auf den Wärmeaustausch in Bezug auf die Tankgeometrie gelegt, einschließlich der flüssigen und festen Wände mit natürlicher und erzwungener Konvektion, sowie der Konduktion in den Wänden. Bei Bedarf kann eine 1D-3D-Kopplung mit 3D-CFD durchgeführt werden, um eine verfeinerte Simulation für den Tank-Wärmetauscher und seine Temperaturverteilung rund um die Tankwände zu erhalten.

Kryokomprimierte Wasserstofftanks (CCH2) mit Kühlmittelwärmetauscher

Das Modell ermöglicht die Durchführung komplizierter Simulationssequenzen mit wiederholten Fahr- und Betankungszyklen, bis nach der Betankung der stationäre Zustand des Fluids erreicht ist. Dabei wird die Dichte an den Verbrauch angepasst, um bei höheren Dichten höhere Verbrauchsraten zu erhalten. Simulationen von Parawasserstoff/Ordowasserstoff können für eine ergänzende Analyse von H2-Isomeren implementiert werden, um die Auswirkungen der Flüssigkeitszusammensetzung zu bewerten.

4. Optimierung des Wasserstofftransports in Pipelines

Wasserstoff-Pipelines müssen ein Gleichgewicht zwischen Kosteneffizienz, Leistung und Sicherheit über lange Strecken herstellen.

Simcenter Amesim unterstützt:

• Dynamische Simulationen von Druckverlusten und Strömungsverhalten in ausgedehnten Pipeline-Netzen.
• Die Bewertung der Größenauslegung von Kompressor-Stationen und deren Energieverbrauch.
• Mehrphasige Strömungssimulationen für Pipelines, die Wasserstoffgemische transportieren.

5. Verbesserung des intermodalen Wasserstofftransports

Der Transport von Wasserstoff in Tankern, Schiffen oder Eisenbahnwaggons erfordert robuste Konstruktionen, um Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten.

Mit Simcenter Amesim können Ingenieure:

• Druck- und Temperaturschwankungen während des Transports simulieren, um optimale Lagerbedingungen zu gewährleisten.
• Be- und Entladevorgänge modellieren, um Energieverluste zu minimieren und die strukturelle Integrität zu erhalten.
• Sicherheitsmaßnahmen bewerten, einschließlich Leckerkennung und Notentlüftung.
• Optimierung von Tankkonfigurationen und Betankungsstrategien für Hochdruck-Wasserstoffspeichersysteme.

Schauen wir uns das Modell eines 5-Tank-Wasserstoffspeichersystems mit einem Druck von 700 bar in Amesim an, um zu erfahren, was simuliert werden kann.

Das betrachtete System besteht aus 5 Hochdruck-Wasserstofftanks des Typs IV, von denen 3 hinter der Kabine der Zugmaschine und 2 seitlich (einer rechts ind einer links) zwischen der Vorder- und der Hinterachse positioniert sind, (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Konfiguration der Wasserstofftanks

Annahmen und Überlegungen:

• Gas Equation of State (EOS): Bei 700 barA und Standardtemperatur befindet sich Wasserstoff in einem sehr kritischen Zustand, mit einem Kompressibilitätsfaktor von über 1,4. Dies erfordert die Verwendung einer realen Gaszustandsgleichung (EOS), um sein Verhalten genau zu beschreiben. Simcenter Amesim bietet zu diesem Zweck mehrere EOS-Modelle an, darunter Van der Waals, Redlich-Kwong, Redlich-Kwong-Soave, Peng-Robinson, MBWR und Helmholtz. In diesem Beispiel wird die Redlich-Kwong-Soave-Gleichung (RKS) verwendet.
• Thermische Überlegungen: Neben der Auswahl einer geeigneten EOS ist die genaue Simulation des thermischen Verhaltens des Systems von entscheidender Bedeutung.
• Im Inneren des Tanks: Der freie und erzwungene konvektive Wärmeaustausch zwischen Wasserstoff und der Innenauskleidung wird berücksichtigt. Nusselt-Korrelationen bestimmen den Wärmeübergangskoeffizienten, wobei die Korrelation der freien Konvektion auf der Grashof- und Prandtl-Zahl basiert, während die Korrelation der erzwungenen Konvektion von der Reynolds-Zahl abhängt.
• Tankwandschichten: Die drei Materialschichten des Tanks werden mit radialer Wärmeleitung modelliert, wobei ihre jeweilige Stärke (Dicke) und die Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt werden.
• Externer Wärmeaustausch: Die Wärmeübertragung von der Tankaußenfläche an die Umgebung folgt einer Standard-Nusselt-Korrelation für erzwungene Konvektion um einen Zylinder, wobei eine Umgebungsluftgeschwindigkeit von 5 m/s angenommen wird.

Unten das entsprechende Amesim-Modell:

Wasserstofftanks des Typs IV haben eine nichtmetallische (polymere) Innenauskleidung und eine externe, verstärkte Verbundstoffumhüllung. Beide Eigenschaften ermöglichen es, die Wasserstoffdichtheit zu gewährleisten und hohem Druck standzuhalten.

Figure 2: Hydrogen tanks configuration – Simcenter Amesim sketch

Beachten Sie, dass die Simulationszeit endet, wenn der SOC 5 % oder eine maximale Zeit von 10 Stunden erreicht.

Die Ergebnisse der 3 simulierten Szenarien sind in der nachstehenden Abbildung zusammengefasst (siehe jeweils zugehörige Farbe) – die Gastemperatur ist die in der Mischkammer, die alle Tanks verbindet:

Abb. 4: Ergebnisse der Defueling-Szenarien – Gastemperatur [degC]

Abb. 5: Ergebnisse der Defueling-Szenarien – Gasdruck [barA]

Abbildung 6: Ergebnisse der Defueling-Szenarien – Ladungszustand [%]

Wir können auch einen Blick auf die Materialtemperaturen werfen, wie in den folgenden Diagrammen dargestellt:

Abbildung 7: Temperaturentwicklung der Tankmaterialien und H2-Temperaturen für Szenario 1

Abbildung 8: Temperaturentwicklung der Tankmaterialien und H2-Temperaturen für Szenario 2

Abbildung 9: Temperaturentwicklung der Tankmaterialien und H2-Temperaturen für Szenario 3

 Hier der vollständigen Anwendungsfall: Simulation eines 700-bar-Druckwasserstoffspeichersystems für Lastwagen mit Simcenter Systemsimulation (link)

Schlussfolgerungen: Schnellerer Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur

Simcenter Amesim ermöglicht die virtuelle Validierung von Wasserstoff- Speicher- und Transportsystemen, wodurch Entwicklungskosten gesenkt und Risiken minimiert werden. Durch den Einsatz von digitalen Zwillingen und Systemsimulationen können Unternehmen die Markteinführung beschleunigen und gleichzeitig die Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften sicherstellen.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Wasserstoff wird die Fähigkeit, Speicher- und Transporttechnologien zu optimieren, zu einem wichtigen Differenzierungsfaktor.

Mit Simcenter Amesim können Ingenieure effizientere, sicherere und kostengünstigere Wasserstofflösungen entwickeln.

Arbeiten Sie an Wasserstoff- Speicher- oder Transportsystemen?

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