Simcenter 1D系统仿真用于绿色氢能生产优化

原创 薛志杰

1. 引言

氢能作为清洁高效能源生产和消费体系的重要构成部分，在交通运输、储能、工业、建筑等领域被广泛使用。根据国际氢能委员会预测，到2050年氢能能将创造3000万个工作岗位，减少60亿吨C02排放，创造2.5万亿美元产值，在全球能源中所占比重有望达到18%。我国氢能供应总量预计到2030年占比将达到5.5%左右，将产生至少1.8亿吨/年的碳减排效应，极大地助力碳达峰目标的实现，推动我国能源体系的转变与高质量发展。

2. 绿色制氢工程挑战

相比化石能源制氢，绿色能源制氢（例如通过水电解制氢、使用可再生能源生产）被认为是长期零排放、可再生能源储存的一个有希望的解决方案。但要实现大规模的绿色制氢还面临着复杂的工程挑战：

• 绿色电力是瞬态的，高度依赖于气候条件。例如，如何预测太阳能电池板、风力涡轮机或波浪发电机可以产生的电量？如何调整系统尺寸以适应氢气生产需求？

• 氢气质量能量密度在环境条件下太低。例如，高压或低温罐可储存多少氢气？压缩或冷却氢气用多少功率/能量？如何调整 H2 存储系统的规模？

• 分配氢气的管道系统支路庞多而复杂。例如，如何预测和管理流量、温度和压力？在泵启动或关闭、阀门关闭等事件中，如何避免压力激增？

• 制氢系统性能、可靠性和效率的改进以降低生产氢气的成本等。

3. Simcenter 1D多领域系统建模与仿真用于评估整体性能

Simcenter 1D多领域系统建模与仿真提供了绿色制氢及储运模拟的完整解决方案。基于同一模型的静态与动态行为多物理场仿真能力，它可以捕捉绿色制氢的完整过程，预测发电系统与制氢系统之间的相互作用及整体性能。如下图所示，由风电、太阳能发电、波浪发电组合的的绿色能源水电解制氢系统。

图1: 集中式氢气制备电站模型

绿色电能给制氢电解槽提供动力，产生的氢气被压缩储存于高压罐中，以备为车辆加氢或运输使用。 3.1 风力发电模型

利用机械传动、电气、控制模型库建立风力涡轮机模型，该模型考虑了风力涡轮机数量、涡轮机几何结构的定义（风扇直径、变桨角度…）、发电机性能、子部件损失和叶片桨距控制。

图2: 风力发电模型

该模型可以根据风速变化预测风力发电功率和机械功率。

图3: 风力发电模型计算结果

3.2 光伏发电模型

利用热学、电气、控制模型库建立的太阳能电池板模型，该模型考虑了电池和电池板的数量和几何形状。而气象环境模型可考虑太阳位置的演变、云层的影响以及太阳能辐射强度的变化。

图4: 光伏发电模型

该模型可以根据电池板上接受的瞬态太阳辐照功率预测太阳能电池板所能提供的电量。图5: 光伏发电模型计算结果

3.3 波浪发电

利用机械传动、液压/气动、电气及控制模型库建立波浪发电器详细结构的多物理模型，该模型可以考虑具有波频率和振幅变化的瞬态运行条件下子系统的尺寸和行为。接着，利用ROM builder将该计算缓慢的详细模型降阶成具有94%置信度的实时模型，进一步实现与其它子系统集成综合与快速计算。

 

图6: 波浪发电模型及降阶

该降阶模型可用于快速预测波浪发电机产生的电量，发电量取决于波形频率、振幅以及绿色制氢系统模型的性能。

图7: 波浪发电模型计算结果

3.4 电解槽

电解槽使用太阳能电池板、风力涡轮机和波浪发电机产生的电能将水转化为O2和H2。利用极化曲线、电池数量和电池活性面积建立电解槽模型并预测其性能和反应速率。

图8: 电解槽模型

该模型可预测电解槽耗电量、产氢速率、日产气量及电能消耗占比。如本例中，每天可以产生大约9kg的氢气，其中波浪发电产生88%的电力，太阳能电池板4%，风力涡轮机7%。

 

图

4. 总结

总之，Simcenter 1D多领域系统建模与仿真内置的绿色制氢模拟方案可以帮助工程师解决绿色制氢面临的工程技术挑战：

• 可扩展的多物理仿真平台使完整的系统建模成为可能；

• 考虑各种运行条件，更好地设计不同子系统和了解系统全局行为；

• 更好地集成子系统，提高整体性能和投资回报率；

• 虚拟评估和改进控制策略，实现供电侧预测与制氢系统的匹配；

• 实现一次性正确设计，从而降低错误风险并加快项目进度。

    除氢能制备储运外，Simcenter 1D多领域系统建模与仿真还可以广泛应用于氢能产业各消费端：