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Mise à l'échelle et optimisation du compresseur et du stockage d'hydrogène
GRZ Technologies est un pionnier dans la commercialisation de systèmes d'hydrogène à l'état solide (métal-hydrure).

Mise à l'échelle et optimisation des systèmes de compression et de stockage de l'hydrogène grâce à des logiciels de simulation

Secteur: Alimentation électriqueDiscipline: Mécanique des fluides

Le déploiement exponentiel à grande échelle de l'hydrogène vert est considéré comme une condition préalable à la transition vers une énergie propre et à la réalisation de l'objectif de zéro émission nette dans les secteurs de l'énergie et des transports. GRZ Technologies a été le premier à commercialiser des systèmes à hydrogène à l'état solide (métal-hydrure), qui permettent une compression et un stockage sûrs, compacts et efficaces de l'hydrogène. Ce type de systèmes est contrôlé thermiquement et, comme leur taille augmente, une conception thermique appropriée devient primordiale pour leur performance et leur capacité de stockage. Pour ce faire, GRZ Technologies a choisi Ansys Fluent pour optimiser l'écoulement tridimensionnel ainsi que les caractéristiques thermiques de tous les produits de son portefeuille.

Résumé

Tâche

Dans le cas des compresseurs d'hydrogène, la performance est principalement mesurée par le taux de compression, la capacité de stockage et le taux d’écoulement de l'hydrogène. Le défi majeur concerne la spécification des paramètres de conception et les conditions d’exploitation afin de répondre aux exigences strictes de compression et de distribution rapides de l'hydrogène.

Solution

Le logiciel Ansys Fluent a été utilisé pour réaliser une simulation couplée de la dynamique des fluides et du transfert de chaleur du compresseur thermique d'hydrogène. La compréhension du phénomène physique complexe sous-jacent permet de déterminer les paramètres optimaux de la conception et du process.

Avantages clients

L'utilisation d'Ansys Fluent a permis d'optimiser la conception et les conditions d’exploitation, ce qui a permis de réduire les coûts de fabrication et d’utilisation des compresseurs. Dans le même temps, le cycle de développement des produits est raccourci car de nombreuses géométries peuvent être évaluées numériquement.

Détails du Projet

Tâche

Le comportement d'absorption/désorption de l'hydrogène dépend fortement de la distribution de la température au sein de l'hydrure métallique. Les cellules cylindriques contiennent le matériau d'hydrure métallique, qui est sous forme de poudre. Plusieurs cellules de ce type sont placées dans une disposition de type "échangeur de chaleur à enveloppe et tube" à l'intérieur d'un conteneur cylindrique plus grand pour former le système de compresseur global. La gestion thermique d'un tel système se fait généralement par la circulation d'un support thermique, tel que l'eau, la vapeur, l'air ou tout autre support dans des conditions thermiques et de débit contrôlées avec précision pour fournir la puissance de chauffage ou de refroidissement requise. GRZ technologies a développé une procédure numérique pour simuler une gamme de systèmes en utilisant Ansys Fluent ainsi que des modèles développés en interne. La géométrie du compresseur ou du stockage est modélisée de manière paramétrique, maillée et simulée. La distribution spatiale de la température et le champ d'écoulement sont obtenus à partir de la simulation numérique, comme le montre la figure 1 pour le cas d'un compresseur d'hydrogène à l'échelle industrielle. La vitesse et la distribution de l'écoulement du fluide thermique jouent un rôle important dans la détermination de la distribution de la température dans l'hydrure métallique et, en fin de compte, dans les performances du compresseur. Le modèle paramétrique permet d'étudier différentes façons de réduire le coût de fabrication ainsi que les dépenses d'exploitation, tout en obtenant la pression, le débit et la capacité de distribution d'hydrogène requis.


Avantage Client

Avec Ansys Fluent, GRZ technologies a pu établir un processus numérique polyvalent et robuste pour l'évaluation de la conception d'un système à hydrogène basé sur des hydrures métalliques. Cela réduit considérablement le cycle de développement de nouveaux produits, en permettant une optimisation ciblée des paramètres de conception et de fonctionnement pertinents. En fin de compte, les connaissances détaillées obtenues par les simulations numériques permettent de réduire de manière significative le coût de fabrication et les dépenses d'exploitation des systèmes développés. De plus, il fournit une base solide pour le développement et le raffinement de divers modèles d'ordre réduit.


Solution

La méthode numérique décrite ci-dessus peut être utilisée pour de nombreuses technologies thermiques et chimiques ayant une physique similaire. En utilisant Ansys Fluent, le processus de compression thermique est simulé, et les paramètres d'évaluation pertinents sont mesurés. Les résultats numériques sont interprétés en fonction des paramètres d'évaluation définis, par exemple la température maximale de l'hydrure métallique (illustrée à la figure 2), puis un plan d'action adéquat est déterminé afin d’optimiser la conception. Le chemin d'écoulement du liquide de refroidissement est optimisé en faisant varier les paramètres de conception (par exemple, la disposition des tubes) afin d'améliorer les performances (par exemple, minimiser la puissance de pompage) tout en respectant certaines exigences (par exemple, les non-uniformités de température minimales). Après avoir atteint la conception optimale, les limites de fonctionnement (par exemple, les débits de réfrigérant) du compresseur sont déterminées lorsque les taux de compression cibles sont obtenus. De nouveaux modèles mathématiques décrivant les processus de compression et de stockage thermiques peuvent également être testés et évalués.

Images: © GRZ Technologies


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