Verbesserung eines Wasserstoffverdichter- und -speichersystems mit Simulation
Branche: EnergieversorungFachgebiet: StrömungsmechanikEine massive Einführung von grünem Wasserstoff gilt als ein Schlüssel für das Erreichen des Null-Emissionsziels im Energie- und Verkehrssektor. Einen Durchbruch bei der Effizienzsteigerung kommerzieller Festkörper-Wasserstoffsysteme (Metall-Hydrid-Systemen) hat GRZ Technologies geleistet. Diese Systeme werden thermisch gesteuert, die entsprechende Auslegung zu einem entscheidenden Faktor hinsichtlich Leistung und Speicherkapazität. Strömungseigenschaften und Temperaturverteilung wurden mit der Simulationssoftware Ansys Fluent optimiert.
Zusammenfassung
Aufgabe
Bei Wasserstoffverdichtern wird die Leistung vor allem anhand von Verdichtungsverhältnis, Speicherkapazität und Durchsatz quantifiziert. Die wesentliche Herausforderung ist, Konstruktionsparameter und Betriebsbedingungen so festzulegen, dass die strengen Anforderungen an eine schnelle Wasserstoffverdichtung und -förderung erfüllt werden.
Lösung
Mit der Simulationssoftware Ansys FLUENT wurden die Fluiddynamik und der Wärmeübertragungsvorgang im thermischen Wasserstoffverdichter modelliert und analysiert. Das daraus resultierende detaillierte Verständnis der zugrundeliegenden komplexen physikalischen Phänomene wurde zur Bestimmung der optimalen Konstruktions- und Prozessparameter genutzt.
Kundennutzen
Ansys Fluent ermöglichte die effiziente Optimierung des Designs und der Betriebsbedingungen und damit die Absenkung der Herstellungs- und Betriebskosten des Kompressors. Gleichzeitig wurde die Entwicklungszeit der Produkte minimiert, vor allem weil mehrere Geometrien parallel numerisch bewertet und objektiv miteinander verglichen werden konnten.
Das Absorptions-/Desorptionsverhalten von Wasserstoff hängt stark ab von der Temperaturverteilung innerhalb des pulverartigen Metallhydrids, das sich in zylindrischen Zellen befindet. Mehrere Zellen sind in einer Art "Rohrbündel-Wärmetauscher" bilden in einem zylindrischen Behälter das Kompressorsystem. Dessen Wärmemanagement erfolgt durch die Zirkulation von Wasser, Dampf oder Luft unter genau kontrollierten thermischen und Strömungsbedingungen. GRZ Technologies hat ein numerisches Verfahren entwickelt, um Systeme mit Ansys Fluent und eigenen Modellen zu simulieren. Die Verdichter- oder Speichergeometrie wird parametrisch modelliert, vernetzt und simuliert, die räumliche Verteilung der Temperatur und des Strömungsfeldes aus der Simulation gewonnen (vgl. Bild 1). Die Strömungsgeschwindigkeit und -verteilung des Wärmeträgermediums sind wichtig für die Bestimmung der Temperaturverteilung innerhalb des Metallhydrids und damit der Verdichterleistung. Am Modell können Optionen zur Senkung der Herstellungs- und Betriebskosten untersucht werden, bei denen der erforderliche Wasserstofflieferdruck, die Durchflussmenge und die Kapazität erreicht werden.
Mit Ansys Fluent war GRZ Technologies in der Lage, ein vielseitiges und robustes numerisches Verfahren zur Bewertung des Designs eines Metallhydrid-basierten Wasserstoffsystems zu etablieren. Dies verkürzt den Entwicklungszyklus neuer Produkte drastisch, indem es die gezielte Optimierung relevanter Design- und Betriebsparameter ermöglicht. Letztlich führen die durch die numerischen Simulationen gewonnenen detaillierten Einblicke zu einer erheblichen Senkung der Herstellungs- und Betriebskosten der entwickelten Systeme. Darüber hinaus bieten sie eine solide Grundlage für die Entwicklung und Verfeinerung verschiedener recheneffizienter Modelle reduzierter Ordnung.
Das skizzierte numerische Verfahren kann für viele ähnliche thermische und chemische Technologien verwendet werden. Mit Ansys Fluent werden der thermische Kompressionsprozess simuliert und die relevanten Bewertungsparameter quantifiziert. Die Ergebnisse werden anhand der definierten Bewertungsparameter, z. B. der maximalen Metallhydridtemperatur (Bild 2), interpretiert und entsprechende Maßnahmen zur Optimierung der Konstruktion festgelegt. Der Kühlmittelflussweg wird durch Variation von Designparametern (z.B. Rohranordnung) verbessert, um die Leistung zu erhöhen (z.B. Minimierung der Pumpleistung) und gleichzeitig bestimmte Anforderungen einzuhalten (z.B. minimale Temperaturungleichmäßigkeiten). Nach Erreichen der besten Auslegung werden die Betriebsgrenzen (z. B. Kühlmitteldurchflussraten) des Verdichters bestimmt, bei denen die angestrebte Leistung erreicht wird. Auch neue mathematische Modelle zur Beschreibung der thermischen Verdichtungs- und Speicherprozesse können getestet und bewertet werden.
