Intro

Nu ecologische impact een belangrijkere factor is bij ontwerp dan ooit, zijn veel industrieën op zoek naar schone(re) alternatieven dan de conventionele fossiele brandstoffen. Waterstof wordt gezien als een van de potentiële schone alternatieven, maar komt natuurlijk met zijn eigen eisen voor ontwerpen.

Simulatie kan al vroeg in het ontwerpproces helpen om ontwerpen te vergelijken, de optimale dimensionering te bepalen, de prestaties te voorspellen en mogelijke problemen te onderzoeken.

Een van de industrieën die het potentieel van waterstof als brandstof onderzoeken is de luchtvaartindustrie. Deze industrie nemen we als voorbeeld van het potentieel van simulatie in dit ontwerpproces, door in Simcenter Amesim een waterstofaandrijvingssysteem voor een hypothetisch vliegtuig te ontwerpen.

Opslag van waterstof

De opslag van waterstof brengt zijn eigen moeilijkheden met zich mee. Waterstof heeft een hoge specifieke energie, maar door zijn lage dichtheid vereist het een groot volume voor opslag. In gasvorm kan waterstof onder hoge druk worden opgeslagen om de energiedichtheid ervan te verhogen. Dit vereist uiteraard tanks die deze hoge druk kunnen weerstaan. Voor een nog hogere energiedichtheid kan waterstof in vloeibare vorm onder cryogene temperaturen worden opgeslagen.

Figuur 1: Energy by weight versus by volume

Figuur 1 toont de vergelijking van enkele energiebronnen. Een liter (0,8 kg) kerosine heeft dezelfde energie als ~3,5 liter (~0,25kg) vloeibare waterstof

Doelstelling

Om inzicht te krijgen in het ontwerp en de prestaties van een waterstofvliegtuig met een cryogeen opslagsysteem zal een Amesim-model worden gemaakt.
Enkele vragen, specifiek voor het opslagsysteem, die met dit model beantwoord kunnen worden zijn:

• Wat is de warmtestroom in de tankwand door convectie?
• Hoe lang kan het systeem waterstofgas leveren?

Model

Veronderstellingen:

• Vliegtuig staat stil en op de grond.
• De tank is bij aanvang van de simulatie volledig ontlucht.
• Gas/vloeistof in tank is gelaagd
• Homogene temperatuur van de vloeistof in de tank
• Homogene temperatuur van het gas in de tank
• Homogene temperatuur van tankwand.

Het Amesim-model richt zich op de opslag van de vloeibare waterstof. Aan het begin van de simulatie wordt aangenomen dat de tank volledig ontlucht is. Het enige gas in de tank is helium. Het pompen wordt geregeld met een eenvoudig toestandsdiagram (figuur 2).

Figuur 2: Eenvoudig toestandsdiagram

Het diagram begint met het vullen van de tank met vloeibare waterstof, terwijl bovenaan de tank een ventiel open wordt gelaten om gas te laten ontsnappen en te voorkomen dat de tank onder druk komt te staan. Deze toestand gaat door totdat de waterstof in de tank een opgegeven massa heeft bereikt.

De volgende toestand sluit de toevoer van waterstof en ontluchtingsventiel af. De waterstof wordt dan verwarmd om waterstofgas te produceren. Het gas kan vanuit een drukventiel de tank verlaten, om daarna gebruikt te kunnen worden.

Figuur 3: Amesim-model van cryogene waterstofopslag

Gebruikte Amesim bibliotheken:

• Signal & Control
• Thermal
• Aircraft Fuel System / Cryogenic storage
• Two-Phase flow
• Gas Mixture

Resultaten

Hoe lang duurt het tanken en het opbouwen van druk in de tank? How long does it take to fuel and build up pressure in the tank?
Het duurt 3055 seconden (~51 minuten) vanaf het begin van het vullen aan het begin van de simulatie tot het moment dat het waterstofgas de tank kan verlaten.

Figuur 4: Vloeibare waterstof – massastroom en waterstofgas – volumestroom

Wat is de warmtestroom in de tankwand door convectie?
Zodra de tankwand is afgekoeld door de vloeibare H2, is de warmtestroom door convectie ongeveer 26W.

Figuur 5: Convectieve warmtestroom

Hoe lang kan het systeem waterstofgas leveren?
Na 19330 seconden (~5 uur) daalt de stroomsnelheid tot 0 L/min, zodat het systeem in totaal ongeveer 4,5 uur H2-gas kan leveren.

Figure 6: Waterstofgas – Volumestroom

Kom meer te weten over Simcenter Amesim

Als slimme expertpartner van Siemens DI-SW kennen wij onze software en het gebruik ervan. Wilt u contact opnemen om de mogelijkheden van Simcenter Amesim te leren kennen?
Neem contact op