借助预测建模和仿真 (MODSIM)开发可持续的绿色氢生态系统
在这篇博文中，我们解释了预测建模和仿真 （MODSIM） 如何帮助设备制造商开发下一代氢能技术，包括电解槽和储罐。
摘要
对氢气生产的需求正在显著增加，这是脱碳使命和能源转型计划的关键部分。氢气作为一种储存和运输能源的方式具有巨大的潜力，例如，作为车辆的燃料来源或作为供暖系统中天然气的替代品。绿色电力可以通过电解直接转化为氢气。为了在经济上可行，绿色氢气的成本需要降低，其储存密度需要增加。
在这篇博文中，我们解释了预测建模和仿真 （MODSIM） 如何帮助设备制造商开发下一代氢能技术，包括电解槽和储罐。使用 MODSIM，可以更快地开发氢技术，分析虚拟孪生的性能。可以测试概念并识别问题，而无需花费时间和成本来构建和测试物理原型。设计和材料可以自动优化。将 MODSIM 集成到设计流程中可降低开发成本并加快上市时间。
什么是绿色氢气？
氢气经常被称为绿色能源的一种形式，但其对环境的影响取决于它的生产方式。不同形式的制氢通常标有颜色。例如，蓝色和灰色氢气是通过蒸汽甲烷重整从天然气中生产的，而黑色或棕色氢气则由煤生产。目前大多数氢气都是用这些方法生产的，这会导致碳排放。
绿色氢气是指使用零碳和可再生能源生产的氢气。这有时扩展到包括粉红氢（用核能生产的氢）和黄氢（可以指用太阳能或混合来源的电网电力生产的氢）。所有这些形式的氢气都是通过电解产生的。
电解是一种化学反应，其中施加到某些物质上的电势会分裂分子并在电极上产生反应产物。为了生产氢气，需要对水施加电压。H2O 分子分裂，在阳极形成氢气，而在阴极形成氧气。
电解是一种非常清洁的过程，如果使用绿色电力来源，该过程基本上不会产生污染。当氢气被燃烧或转化为电能时，氢气和氧气会重整以产生水。
氢气作为燃料有几个潜在的应用。车辆可以在燃料电池中使用氢气发电，而氢气可以添加到天然气供应中，以减少燃气供暖的碳排放。氢气在工业中也有各种应用，当风能或太阳能输出高于需求时，它有可能用于储存产生的多余能量。
为了使氢经济成熟，氢气的生产、运输、储存和消费都需要变得更加高效，而绿色氢气需要取代更多污染形式。仿真正在帮助氢能工程师开发新技术并优化从生产到消费的整个氢能生态系统。
什么是 MODSIM？
传统上，建模和仿真被视为独立的学科，由不同的孤立团队执行。分析只能在设计完成后开始，此时设计决策的影响已经固化。纠正分析或测试过程中发现的问题可能既昂贵又耗时。在整个开发周期中紧密集成建模和仿真 （MODSIM） 可加快设计速度并降低风险。
通过仿真进行左移测试 – 在设计周期的早期执行分析 – 使设计人员能够看到其设计选择的影响，并在设计参数之间做出明智的权衡。即使在概念阶段，他们也可以获得仿真的见解，从而在做出特定设计选择之前优化设计并探索不同的选项。
MODSIM 打破了团队之间的孤岛，为每个人提供了单一的事实来源。在这里，需求、设计几何结构、仿真结果和测试数据都可追溯地汇集在真实系统的“虚拟孪生”上的一个位置。
MODSIM 还使仿真大众化。适用于常见氢能工程流程的预定义工作流程和模板使设计人员能够独立使用仿真并在需要时访问它。需要的专业知识更少，用户可以更快地开始仿真。我们列出了达索系统 3DEXPERIENCE 平台上可用于设计氢气系统的各种 MODSIM 工作流程。
电解槽
电解槽性能和效率
PEM 电解槽，显示质子交换膜 （PEM） 堆栈和单独的双极板。
质子交换膜 （PEM） 技术是一种很有前途的高效电解方法。与其他方法相比，PEM 在整个水中产生高电流密度，并防止形成降低效率的气泡。
不均匀的温度会降低效率，还会增加系统疲劳。PEM 工程师需要设计最佳工作温度和压力。优化双极板是一个多物理场问题，具有电化学、结构、流体和热仿真要求
在 MODSIM 工作流程中，可以从全堆栈模型中提取双极板的仿真模型。只需单击几下，即可对冷却液通道进行网格划分，并定义冷却液的属性和流量设置。然后，使用共轭传热求解器进行仿真，计算冷却系统的性能。如果发现任何问题，可以使用自动参数化设计研究来寻找更优化的设计。然后将优化的几何结构传输回整个系统模型。
整个工作流程在 3DEXPERIENCE 平台中可用。CATIA 的设计应用程序以及 SIMULIA 的仿真和参数化设计研究应用程序集成到一个连续的流程中。设计人员可以在一个通用平台中访问仿真结果和优化的几何结构，从而获得更快、更低风险开发高效电解槽系统所需的信息。
电解槽制造
双极板占 PEM 电解槽系统成本的 45%，显著降低成本对于该技术的商业化至关重要。在设计过程中实施仿真可以指导工程师对材料和制造流程等主题做出正确的决策。
3DEXPERIENCE 平台上的 MODSIM 在概念设计和最终制造设计之间提供参数化模型设计集成。仿真可以揭示制造变化的影响（例如厚度精度），而假设研究可以比较不同的制造设置。
结构仿真可以对用于制造脊状双极板的冲压过程进行建模。这通常是一个多阶段模拟，其中初始冲头阶段将坯料推入模具，在后期阶段，冲头逐渐执行板材的最终拉伸。
参数化设计空间探索可用于更改几何形状和制造公差，以获得最佳工作台半径，从而获得最佳厚度减少。
储罐
缠绕细丝储氢罐的照片。
在标准温度和压力下，氢气的能量密度较低，因此需要在非常高的压力下储存，才能与化石燃料和电池竞争。在车辆上，油箱需要在非常高的压力下储存氢气——高达 70 MPa （700 bar） 的压力——以提供足够的行驶里程——并且在移动车辆上还需要重量轻。这导致了缠绕长丝复合材料的使用。3DEXPERIENCE 平台上的 Abaqus 求解器技术可以通过非线性力学功能准确预测这些复杂材料的结构行为。
油箱强度和刚度
储罐需要在发生事故（例如跌落或碰撞）时保持其完整性。氢气罐设计必须符合 DIN EN 12245 和 ISO 11119-3 等国际标准。这些标准所需的物理测试可能非常耗时，会延迟产品开发并使最佳设计难以实现。仿真可以通过虚拟复制物理测试（例如跌落测试）来加速这一过程。
SIMULIA 和 CATIA 开发团队一直在为 Abaqus 开发一个插件，该插件可以生成缠绕细丝复合材料的详细仿真模型。储罐的结构仿真揭示了储罐材料的应力、应变和位移，揭示了潜在的故障点。仿真演示了更改材料属性（例如绕组角度）的影响，帮助工程师找到满足其要求的最佳设计。可以分析静态和动态场景（例如掉落的油箱）。
油箱填充
物理气体定律意味着，当氢气罐装满并且其压力增加时，其温度会迅速升高。极端高温或低温会影响材料的机械性能，从而可能影响安全性。
计算流体动力学 （CFD） 仿真可以对储罐填充过程进行建模并计算温度。真实气体建模可以准确捕捉储罐中的高压和温度变化。可以分析不同材料的影响，也可以分析外部天气条件的影响。与物理测试相比，仿真可以快速且经济高效地为多种设计变体提供结果。
分析整个系统
虽然这篇博文重点介绍了使用 SIMULIA 的物理仿真工具进行仿真，但可以使用其他方法对制氢的其他方面进行建模。在纳米尺度上，可以使用达索系统 BIOVIA 品牌的技术在分子水平上研究管道，以了解焊接过程和形成的微观结构，氢可以通过这些微观结构进入并可能削弱金属。另一方面，CATIA 品牌的 Dymola 系统仿真工具可用于对整个加氢厂的流程进行仿真。
所有这些工具都可以在达索系统产品组合中使用，并由 3DEXPERIENCE 平台整合在一起。这为用户之间的协作和数据共享提供了一个通用平台，并在一个通用工作流中连接不同的产品。
结论
作为社会脱碳的一部分，对绿色氢的需求正在增长。氢气的生产和储存需要更加高效，才能与其他解决方案相比具有成本效益和竞争力。仿真使工程师能够在开发过程中分析电解槽和储罐等设备的性能。达索系统的集成建模和仿真 （MODSIM） 解决方案将设计和分析工具整合在一起，使用户能够在开发的早期阶段识别风险并优化性能，并更快地将产品推向市场。
