开启氢时代-氢气价值链中的工程挑战（英）

打开 氢的年龄 氢价值链中的工程挑战 内容 执行概要4 绿色工业氢——概述7 重要的工程挑战8 通过数字工程解决的挑战10 结论17 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。 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。 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 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。 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。 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。 氢气 世界是绿色的氢, 创建使用 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: 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 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。 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. 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 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。 探索固体储氢选择数字 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。 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。 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350bar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。 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。 •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。 •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。 •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. 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。 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 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。 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。 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 氢内燃机 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250HP(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)。 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