打开氢的年龄氢价值链中的工程挑战 内容执行概要478绿色工业氢——概述重要的工程挑战通过数字工程解决的挑战结论1017 执行概要绿色或低碳氢开始获得广泛企业的关注作为潜力新能源来源。工业和交通1。这需要主要是,如果不是全部，绿色氢 - 目前仅生产0.49公吨通过电解2.全球经济气候的快速变化，推动通过脱碳、去中心化和数字化，刺激了能源领域的创新部门和重度能源用户，特别是运输业和工业。世界各地的组织正在实施新能源模型、基于电气化替代能源，如绿色氢和生物燃料、热力发动机用氢气、可再生能源对于电解，除电解以外的其他技术，例如作为生物质热解，以及通过管道、拖车、分散式能源和平台使对等能源共享。因此，整个世界都将从高效、经济上可持续的绿色氢生态系统。但必须克服障碍才能实现这些雄心勃勃的目标目标并获得其利益。供应链的大部分是仍在开发中，因为绿色氢仍然非常多处于起步阶段。效率、劣化、耐久性、弹性、密度和电力容量都是问题需要解决才能使行业取得成功。评估、维护和效率最大化,绿色氢能将需要大量的基础设施投资，包括智能工业友好型数字基础设施和先进的数字工程。技术参与者将对优化低碳具有战略重要性/绿色氢供应链，为安全和安全的环境。创新理念和最佳实践被别人发现必须综合应用于增强氢气的弹性和可靠性价值链。氢将在所有这些变化中发挥重要作用。它是一种能量密集的燃料，可以取代石油和天然气一种能源，特别是在难以电气化的运输中和工业流程。目前，大多数氢气是由天然气生产;绿色氢能是个例外并且是由以下驱动的电解水产生的可再生能源。本白皮书探讨了关键的工程挑战对于创建低碳氢价值链至关重要探索创新的概念来克服它们。在国际能源署的2050年净零排放模型中，氢氢基燃料占全球最终能源的10%2050年的需求，届时需求将成倍增加达到530吨几乎是六倍，其中一半将来自氢气发挥在所有这些至关重要的作用的变化。4释放氢的年龄 5 6释放氢的年龄 绿色的氢行业概述关键的见解只有0.1%的氢气世界是绿色的氢,创建使用•氢是更有效的比其他今天的燃料来源，并拥有广泛的工业用途，包括炼油、石化和钢铁制造业。•绿色氢能确保可持续发展目标 （SDG） 具体目标，例如廉价的可再生能源满足弹性基础设施以及支持创新。可再生能源。••脱碳电力和电解技术将降低生产成本绿色的氢。全球绿色氢市场估计到 2030 年达到 891.8 亿美元，复合年增长率为 54%。这是主要是由于对现场电解的需求增加从工业部门设置。••全球生产的氢气中只有0.1%是绿色的氢，这是使用可再生能源产生的。欧洲市场领导者在绿色氢3.7 关键工程挑战生产绿色氢的公司及其供应链 – 需要克服重大工程在大规模商业化中取得成功的挑战和部署:尽管扩大绿色氢能的规模存在困难，当代数字技术和数字工程有很多答案。数字工程，如数字双胞胎，特别是预测模型，将在寻找通往低碳经济的道路。在其余的论文，我们展示了数字工程在克服这些挑战并探索它的应用程序。1. 工厂设计和投资回报2. 储存的氢3.运输和分销氢的4. 氢能融入智能发展网格5. 开发氢内燃机6. 实现低成本、可持续的燃料电池8释放氢的年龄 9 寻址挑战通过数字工程1. 使用数字模型来提高植物设计和投资回报率为了满足市场需求，企业必须扩大规模和加强他们的绿色制氢厂设计。寻址绿色制氢厂的设计局限性，成本替代能源为他们提供动力，海水淡化的价格电解用水，以及设备需求的尺寸注意4。然而,将电能转换成通过电解制氢是一项快速发展的技术。因此，改进工厂设计和端到端由于绿色氢系统可能既昂贵又复杂缺乏市场数据和成熟5.模拟不同操作的数字模型工业氢链涉及的技术可以预测与工厂相关的性能和成本开发和提供了一个有前途的路线forward6。这些模型为探索的技术经济研究提供信息寻找有吸引力的制氢厂成本的不同场景模型7.构建更强大的模型凯捷工程在SISTER（可再生能源存储创新解决方案）项目框架内，正在开发一种数值工具，该工具遵循称为THySO（氢气系统优化工具）的系统方法模拟工业氢链，并考虑性能、安全性、成本和环境影响。一THySO 方法的优势在于其多功能性：由于拥有庞大的模型库，它可以针对各种用例进行定制。图1 使用开发的THySO工具评估电转气电场景的示例10释放氢的年龄 虽然这些经济考虑至关重要，但模型必须走得更远。基本挑战之一工业氢链建模是所有或此链中所需的部分组件，根据能源需求和能源生产能力。此外，模型必须考虑环境氢链的影响，如全球变暖，精细颗粒物排放、水酸化和富营养化，所有这些都应作为生命周期的一部分进行调查评估(LCA)的工业氢链8.固体存储提供广泛的材料和设计选项 - 碳质多孔纳米材料，金属-有机框架(mof)9、共价有机框架复杂的化学氢化物、包合物、酰胺、沸石、金属或金属间氢化物是主要材料使用。储存材料的选择可能会施加限制像低重量存储密度（通常小于 10wt%），可逆性差，能效低，这是由于储罐填充过程中可能发生的大量热交换和排空周期。将氢气作为固体储存也必须考虑有关温度和压力限制的问题。其他因素包括设计、法律问题、社会等方面问题，成本高。低存储的耐用性纤维、金属和聚合物等材料及其潜力因为化学反应会引起安全问题。探索这个复杂的设计空间是最好的数字。最后，大规模的绿色氢工厂也正在被建在现有工业区内。这对设计施加额外的限制，以确保持续运营不会干扰工业绿色环保制氢。因此，使用安装的安全性氢气必须集成到建模过程中，例如，通过模拟泄漏或爆炸的风险。2. 氢气储罐设计探索固体储氢选择数字不同的储氢技术有不同的技术就绪级别 （TRL） 及其实用性一个解决方案优于另一个解决方案取决于几个标准，例如尺寸调整，固定或移动应用程序，存储持续时间，密度与体积以及环境条件的关系。用于建造固体储氢罐既实现了生产能源效率，又实现了生产能源效率可持续存储容量，凯捷工程正在创建一个数值工具吗确定最优材料。•压缩氢气作为储存需要大量由于其低而达到高压值的能量体积能量密度。一个有限元模型被用于研究可持续的和可再生的替代纤维在高压容器代替使用传统的碳纤维增强环氧树脂复合。替代纤维，如玄武岩、电子玻璃、亚麻和再生碳已被研究更换。•液氢罐材料旨在最大限度地减少热量与周围环境交换，但不是用于承受高内部压力。然而，更大的问题是转化天然气的能量。作为液体影响有效性，从而影响价格。以及在高压下，安全性也是一个大问题。降低破裂压力结果,没有其他的复合材料可以承受1400条最低压力要求。混合动力船只将T700S碳纤维建议增加替代纤维物理、环境和财务绩效根据储存压力和机械要求。增加经济、e玻璃/T700S碳混合容器和e玻璃容器700 和 350 bar 分别是最好的容器。700条的存储,玄武岩/ T700S碳和电子玻璃是环保方面最好的纤维冲击。虽然T700S碳/亚麻纤维复合材料在 350 巴、T700S 碳纤维下看起来更有效复合材料仍然是 700 巴的最佳竞争者存储在容器体积。•对于固体储氢,轻盈,高选择容量，快速吸附动力学，强度高需要热力学稳定性和良好的循环性存储材料的特征，它们也必须价格合理。11 3.运输液体氢分布建模氢气运输目前的氢气输送管道基础设施不足以满足未来的需求。现有的自然由于脆。甚至将氢气与天然气相结合在一个6%按体积浓度相当对管道寿命的影响。随着氢气混合的增加，混合气体的平均热含量下降，因此必须消耗更多的混合气体满足相同的能源需求。例如，5% 的混合氢气量只能取代1.6%的天然气需求。并且这个百分比随着指定的规范而变化由国家10。当大容量传输通过管道不可能，氢气通常以液体形式运输。凯捷工程热能与流体团队积极进取研究这些挑战并开发了新的计算流体动力学(CFD)的方法可以对复杂的流动进行建模，作为研究的一部分，并且创新项目SIM4ENERGIES(模拟能量学，专用工具和耦合策略地址multi-physics问题)。运输液氢有两个主要挑战：“蒸发”（即低温液体的蒸发油箱中的流体，包括压力增加和气体质量恶化）和“晃动”（即油箱中的流体运动会导致损坏，有泄漏等)11这代表了数字工程的双重挑战过程，因为两种物理现象是相互联系的并且必须集成到单个动态计算中在设计优化的低温罐时建模，即既耐用又安全。此外，准确预测与液体释放相关的后果来自加压罐的氢气，复杂的物理闪蒸沸、空气冷凝或模型中需要考虑液体射流冲击。此外，一定量的氢气会因液态氢的蒸发或“蒸发”，特别是当使用具有高表面体积的小型储罐时比率。最后，分析与使用相关的风险必须制造和解决液氢，鉴于可能损坏相邻的设备和结构，以及由于泄漏而引爆的可能性，其中包括别人。当大容量传输通过管道是不可能的,氢是经常运输作为一个液体。12释放氢的年龄 4. 集成的氢智能电网的发展氢能达到和整合每个领域的能力能源系统使可再生能源能够在更广泛的程度上部署和采用。用合同义务、原产地保证、储能辅助服务管理可再生能源电力网络，以及与可再生能源的直接混合电源、氢气系统可以集成到电网。再次，了解选项的范围运营模式最好以数字化方式进行。氢可以储存和携带大量的能量。将可再生电力转化为能源时用于运输和工业的载体，氢气生态系统提供安全、适应性强和环境友好的选择。作为能源，存储介质，和清洁燃料，氢在智能电网的发展12.凯捷工程正在与MOSAHyC联盟的领导者ENIT合作开发智能电网实验创建具有多种本地化电能和存储的智能电网类型平台的模型不同技术的元素。这个MOZAHyC平台包括建立几个耦合在一起的能源，包括氢气。通过可再生能源和储存阶段的转换。图2：生产和储能网络 - MOSAHyC项目13 5. 开发氢内部内燃机氢燃烧的混合解决方案氢内燃机对于运输部门的许多人来说，减少碳排放排放意味着采用电池电动汽车 （BEV）和燃料电池电动汽车(FCEVs)13。但这并不意味着燃料的燃烧会立即委托给工程历史书，我们只需要不同的燃料。其中之一是氢。基于氢燃烧技术(例如,发动机和涡轮机）被认为是互补的燃料电池（FC）推动氢经济。氢燃烧需要纯度水平较低比大多数FC应用和可能进行通过与其他燃料（即生物甲烷、天然气等），从而提供了更大的适应性。但是，它在移动应用程序中的使用意味着几个技术、经济、社会和环境挑战。在活塞或涡轮驱动的热能中燃烧氢气发动机无法产生有限公司2,只是水和一些氮氧化物。的内燃机（ICE）技术的成熟度意味着系统可以适应氢气和其他电子燃料 – 源自电化学的合成燃料工艺 – 成本远低于开发 FCEV。在这种情况下,项目HyPROPe担忧数字化原型、测试和产业化环保型“柔性燃气”涡轮发电机(使用氢气、天然气、甲烷或氨燃料),显示在数字原型在图 3 中的此项目期间开发。目标该系统的功率是250 HP(大约200千瓦)。主应用程序,使用microturbine与发电机组合供电一个重型混合动力卡车。其他应用程序设想(即。、越野、海军和铁路)。某些方面与氢燃烧需要进一步探索才能应用它们广阔地。氢气燃烧的表征与石蜡、天然气等“传统燃料”相比，甲烷是一个至关重要的方面。例如，火焰速度可燃性极限因氢气而异浓度、反应物的温度和压力14。为数值模拟，研究仍存在空白与氢涡轮机有关。此外，由于研究表明，氮氧化物排放的潜在水平很高取决于系统配置的可变级别，几何形状和操作条件。此外，安全性必须探索一些方面，以防止不稳定和倒叙。这需要大量的数字工程工作。图 3 – HyPROPe 项目的数字原型14释放氢的年龄 在航空领域，脱碳的适当解决方案取决于使用15。例如,电池燃料电池是短期和中型的良好解决方案运输座位数量有限的飞机。对于短途通勤航班，用燃料代替原来的涡轮螺旋桨飞机电池和电动动力总成是一种潜在的解决方案，具有使用氢气作为燃料的可能性。对于长途飞机，不过，唯一可行的选择是燃烧燃料，这可能是可持续的航空燃料或氢。混合氢推进VIABLE 是凯捷工程研究项目为城市空中交通提供了新的解决方案。这项目开发一个基于氢和eVTOL电池。可行的设想一个eVTOL配置最大起飞重量为3吨,一个90分钟的自主权,最大机械功率约为 1 MW。出于安全考虑，尺寸每个电源，