Đẩy nhanh việc hướng tới Net-Zero với Hydrogen và Mô phỏng

Khí Hydrogen cho thấy hứa hẹn góp phần giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính và giúp các ngành kinh tế chủ chốt đạt được Net-Zero

Trung hòa Carbon (Net-Zero) - trạng thái lượng khí thải Carbon Dioxide bằng lượng hấp thụ Carbon Dioxide của môi trường, hoặc có thể hiểu là không bổ sung thêm vào tổng lượng khí nhà kính thải vào khí quyển.

Carbon vào năm 2050. Đó là ngày mà nhiều quốc gia đã chấp thuận trong hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu vào năm 2021, và đó là ngày mà Liên minh Châu Âu, Vương quốc Anh và các quốc gia khác đã đề ra các ràng buộc về mặt pháp lý. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, để đạt được mục tiêu đó sẽ cần phải xem xét lại việc sử dụng năng lượng cho nhiều ngành công nghiệp và sự tiến bộ của một số công nghệ mới nổi.

TỔNG HỢP CÁC NGÀNH CÔNG NGHIỆP HƯỚNG ĐẾN VIỆC ÁP DỤNG HYDROGEN

Hydrogen có thể đang là một phần quan trọng trong giải pháp trung hòa Carbon. Đây là sự phối hợp giữa các ngành công nghiệp chính như hàng không vũ trụ, năng lượng và tự hành để thiết lập mạng lưới cơ sở hạ tầng bền vững cho Hydrogen. Nó mang lại nhiều lộ trình hướng tới sự bền vững - từ lưu trữ năng lượng đến sản xuất và đẩy năng lượng sạch - đồng thời bổ sung các giải pháp khác, chẳng hạn như pin.

Nếu chúng ta xem xét chi tiết bất kỳ lĩnh vực công nghiệp nào, chúng ta có thể thấy tác động tiềm ẩn của Hydrogen trong việc giảm phát thải khí nhà kính. Lấy ngành hàng không làm ví dụ. Một lộ trình cho việc trung hòa Carbon được đề xuất cho ngành hàng không (xem Hình 1) cho thấy rằng chỉ có nhiên liệu bền vững, chẳng hạn như Hydrogen, mới mang lại con đường thực tế cho Net-Zero

Trung hòa Carbon (Net-Zero) - trạng thái lượng khí thải Carbon Dioxide bằng lượng hấp thụ Carbon Dioxide của môi trường, hoặc có thể hiểu là không bổ sung thêm vào tổng lượng khí nhà kính thải vào khí quyển.

vào năm 2050. Điều quan trọng cần lưu ý là điện khí hóa sẽ tiếp tục hỗ trợ giảm lượng khí thải, đặc biệt là với các chuyến bay chặng ngắn, nhưng hơn 90% lượng khí thải trong lĩnh vực hàng không là do các chuyến bay tầm trung đến tầm xa, theo Nhóm Air Transport Action.

Hình 1. Cam kết của ngành hàng không về không có khí thải (Nguồn IATA)

Những quan sát tương tự có thể được thực hiện đối với các lĩnh vực khác, nơi các giải pháp dựa trên Hydrogen phải đóng vai trò quan trọng cùng với các công nghệ quan trọng khác - như hiệu quả năng lượng, pin và thu hồi Carbon - để đạt được mục tiêu net-zero.

“Việc giảm hàm lượng Carbon trong năng lượng và điện khí hóa nhiều hoạt động kinh tế (ví dụ: vận tải hoặc công nghiệp), lợi ích từ việc giảm mạnh chi phí năng lượng tái tạo, là những thành phần quan trọng trong lộ trình đạt được mục tiêu 1.5°C vào năm 2050.” Claude Heller, cựu Giám đốc của Tập đoàn R&D Programs cho Air Liquide, hiện là Cố vấn Cấp cao cho Hydrogen Economy cho biết.

“Trong những lĩnh vực được gọi là khó giảm thiểu (ví dụ: sản xuất thép hoặc hàng không), điện khí hóa gián tiếp có thể thực hiện được thông qua Hydrogen được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước với năng lượng Carbon thấp (ví dụ: năng lượng tái tạo hoặc hạt nhân).”

“Việc giảm hàm lượng Carbon trong năng lượng và điện khí hóa nhiều hoạt động kinh tế (ví dụ: vận tải hoặc công nghiệp), lợi ích từ việc giảm mạnh chi phí năng lượng tái tạo, là những thành phần quan trọng trong lộ trình đạt được mục tiêu 1.5°C vào năm 2050.” - CLAUDE HELLER, Cố vấn Cấp cao cho Hydrogen Economy

BA CHÌA KHÓA THÁCH THỨC TRONG QUÁ TRÌNH DÂN CHỦ HÓA HYDROGEN TRONG CÁC NGÀNH CÔNG NGHIỆP

Ba thách thức lớn với quá trình dân chủ hóa Hydrogen là chi phí, cơ sở hạ tầng và quy mô.

1. CHI PHÍ

Chi phí sản xuất Hydrogen xanh (Hydrogen được sản xuất bằng năng lượng tái tạo) là khoảng 5 USD/kg, khiến nó kém cạnh tranh hơn so với các loại nhiên liệu nặng Carbon như khí tự nhiên hoặc dầu hỏa. Chi phí cao có liên quan đến đầu tư cơ sở hạ tầng và nhu cầu, hiện đang được thúc đẩy nhờ các quy định và hành động được các chính phủ trên thế giới thực hiện.

Hình 2. Hệ thống điện phân nước bằng màng trao đổi proton để sản xuất Hydrogen (trái)
với thiết kế cell được tối ưu hóa thông qua mô phỏng Ansys (phải)

Đầu tư vào Hydrogen xanh hiện đã vượt qua 1 tỷ USD mỗi năm. Khoản đầu tư lớn nhất trên toàn cầu đến từ Liên minh Châu Âu, nơi chiếm hơn một nửa số khoản đầu tư vào dự án dựa trên Hydrogen vào đầu thập kỷ này. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ( DOE

Design of Experiments (DOE) - (Thiết kế thử nghiệm) là một công cụ thống kê được các kỹ sư sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của một hoặc nhiều thay đổi đối với một quy trình hoặc thiết kế. Với kiến ​​thức này, họ có thể thiết kế một sản phẩm thỏa mãn nhu cầu của khách hàng và đáp ứng hoặc vượt quá tiêu chuẩn chất lượng.

) đã khởi động Sáng kiến Năng lượng Trái đất vào tháng 6 năm 2021 để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi năng lượng. Đầu tiên năng lượng Earthshot, được gọi là Hydrogen Shot, đặt mục tiêu giảm chi phí Hydrogen xanh xuống còn 1 USD/kg vào cuối thập kỷ này.

2. CƠ SỞ HẠ TẦNG

Với khoản đầu tư đáng kể vào hệ sinh thái Hydrogen, những thách thức kỹ thuật liên quan đến Hydrogen đang được chú ý trở lại. Tuy nhiên, những khó khăn thiết kế quan trọng trong từng giai đoạn vẫn tồn tại - từ sản xuất đến lưu trữ và vận chuyển, mục đích sử dụng cuối cùng. Một trong những thách thức lớn ở tất cả các giai đoạn là hiệu quả sử dụng năng lượng của các thiết bị liên quan. Hiệu suất của pin nhiên liệu nằm trong khoảng từ 40% đến 60%, trong khi hiệu suất điện phân trung bình là 60%. Những cải thiện đáng kể về hiệu quả là có thể thực hiện được nhưng tốn thời gian trong môi trường thiết kế xây dựng-thử nghiệm-cải tiến truyền thống.

Ví dụ, Hydrogen cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc khử Carbon trong hàng không và các tuabin khí sản xuất điện vì mật độ năng lượng cao và khả năng cháy hiệu quả trong môi trường nghèo oxy. Tuy nhiên, việc đốt cháy Hydrogen trong động cơ đặt ra một số thách thức kỹ thuật, bao gồm hiện tượng cháy ngược, sự không ổn định âm thanh, tự cháy và duy trì ngọn lửa bên trong đầu đốt.

Do khối lượng phân tử và mật độ thấp, việc lưu trữ Hydrogen trong không gian nhỏ cũng là một thách thức lớn. Nó cần được nén hoặc lưu trữ dưới dạng đông đặc/ lỏng. Thiết kế bình chứa, cho dù nó đang bay trên một chiếc máy bay hay đang di chuyển trên một chiếc xe chạy bằng nhiên liệu tế bào, đòi hỏi sự cân nhắc đặc biệt về sự hấp thụ, rò rỉ và rủi ro an toàn liên quan.

3. QUY MÔ

Cuối cùng, đó là thách thức sử dụng cuối liên quan đến việc mở rộng quy mô Hydrogen. Kích thước và trọng lượng của các cells pin nhiên liệu rất lớn, đặc biệt dành cho các ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và tự hành. Độ bền và độ tin cậy của chúng cần  được cải thiện cho hầu hết các ứng dụng vận tải. Quản lý nhiệt, độ ẩm, không khí cũng là thách thức lớn khi giữ kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt và toàn bộ hệ thống nhỏ.

Hình 3. Thiết kế bình hydro lỏng/ nén sử dụng Ansys Composite PrepPost (ACP) ở bên trái
và phân tích độ hấp thụ/sự nứt trong Ansys Mechanical ở bên phải

“Các công nghệ Hydrogen hiện tại (ví dụ: điện phân hoặc pin nhiên liệu) đã đủ phát triển để tham gia vào nền kinh tế Hydrogen trên quy mô lớn nhằm giảm chi phí” Heller cho biết. “Song song với đó, vẫn cần phải cải tiến các quy trình để giảm chi phí vượt ra ngoài quy mô. Vì mục đích đó, việc hiểu rõ hơn - và mô hình hóa các phản ứng điện hóa ở quy mô phân tử và các quá trình ở cấp độ hệ thống (ví dụ: cells hoặc stacks) - là điều cần thiết.”

CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG CHO PHÉP ÁP DỤNG HYDROGEN

Công nghệ của Ansys cho phép bạn vượt qua những thách thức liên quan đến Hydrogen bằng cách cải thiện hiệu suất ở mọi giai đoạn của hệ sinh thái và đẩy nhanh quá trình phát triển công nghệ mới để giải quyết vấn đề về chi phí và quy mô. Ví dụ, dự án quốc gia ENHIGMA, liên quan đến nhiều công ty cùng các trung tâm công nghệ và nghiên cứu, đã sử dụng công nghệ của Ansys để sản xuất các hệ thống điện phân và tế bào nhiên liệu dựa trên màng trao đổi proton (PEM) có chi phí thấp, tiết kiệm năng lượng và bền bỉ. Như được thể hiện trong Hình 2, các nhà nghiên cứu của Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) đã tối ưu hóa các PEM cell bằng cách sử dụng mô phỏng dòng chảy trong Ansys Fluent.

Công nghệ mô phỏng ANSYS được sử dụng để thiết kế cell riêng lẻ, lựa chọn vật liệu nhẹ và tiết kiệm chi phí, tối ưu hóa cell-stack để đạt hiệu quả năng lượng và quản lý nhiệt của toàn bộ cell nhiên liệu và hệ thống điện phân.

Lưu trữ và vận chuyển Cryogenic là trọng tâm của hệ sinh thái Hydrogen. Các giải pháp composites của Ansys có thể được sử dụng trong thiết kế các bình nén Cryogenic đồng thời mô phỏng gần đúng quy trình sản xuất chúng. Công cụ composite failure trong Ansys Mechanical cho phép nhà các thiết kế đánh giá sâu các hư hỏng tiềm ẩn và vị trí hư hỏng bằng cách sử dụng các tùy chọn composite failure nâng cao như Tsai-Wu, Puck và LaRC. Nó còn có thể sử dụng để tìm ra tác động của hiện tượng hấp thụ, bắt đầu và lan rộng vết nứt, như Hình 3. Turbine khí sử dụng năng lượng Hydrogen cung cấp con đường tiềm năng cho các nỗ lực khử Carbon trong lĩnh vực năng lượng và hàng không. Những thử thách kỹ thuật phức tạp nhất của quá trình đốt cháy Hydrogen - như là hiện tượng cháy ngược, sự không ổn định âm thanh và tự đánh lửa - có thể được mô tả và giải quyết bằng mô phỏng có độ chính xác cao. Hình 4 cho thấy việc xác thực phương pháp mô phỏng CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) - Tính toán động lực học chất lưu (chất lỏng, chất khí), là một nhánh của cơ học chất lưu sử dụng phân tích số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lưu.

Ansys Fluent và Ansys CFX là hai trong số các phần mềm mô phỏng CFD hàng đầu thế giới của hãng Ansys.

trong Fluent để đốt cháy Hydrogen dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Cuối cùng, các công nghệ kỹ thuật số hóa tiên tiến, như digital twins và reduced-order models ( ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

s), có thể sử dụng để tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống dựa trên Hydrogen. ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

s là sự đơn giản hóa của các mô hình phức tạp, có độ chính xác cao. Chúng nắm bắt hành vi của các mô hình mẫu để các kỹ sư có thể nhanh chóng nghiên cứu các tác động vượt trội của hệ thống bằng cách sử dụng tài nguyên tính toán tối thiểu.

Một hệ thống sản xuất Hydrogen điển hình hoặc nhà máy sản xuất cell nhiên liệu dựa trên Hydrogen có chứa nhiều thành phần. Hầu hết những thứ này có thể được biểu diễn bằng một mô hình đơn giản hóa, nhưng hầu hết các bộ phận quan trọng - chẳng hạn như cells nhiên liệu hoặc PEM-cell stacks - có thể được biểu diễn bằng một ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

có nguồn gốc từ bộ giải vật lý 3D của Ansys. Việc tạo ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

cho bản digital twin này được Ansys optiSLang kích hoạt, tự động hóa chuỗi công cụ mô phỏng và kết nối với các thuật toán để tối ưu hóa thiết kế mạnh mẽ (RDO). Với kết nối với dữ liệu cảm biến trực tiếp, digital twin có thể giám sát và tối ưu hóa hoạt động đồng thời cho phép bảo trì dự đoán.

Bằng cách cung cấp cho các kỹ sư khả năng khám phá nhiều lựa chọn thiết kế Hydrogen nhanh hơn và giá cả phải chăng hơn, mô phỏng sẽ giúp giải quyết những thách thức dẫn đến việc tăng cường sử dụng Hydrogen. Khả năng thiết kế và thử nghiệm các công nghệ liên quan đến Hydrogen trong môi trường mô phỏng sẽ đẩy nhanh thời gian đưa sản phẩm ra thị trường, điều này rất quan trọng khi các chính phủ và các ngành công nghiệp đang nỗ lực đáp ứng các mục tiêu không phát thải Carbon vào năm 2050.