原文：UNLOCKING THE HYDROGEN AGE Engineering challenges in the hydrogen value chain来源：凯捷管理顾问公司，Capgemini编译：智成企业研究院 崔帅
作为一种潜在的新能源，绿色或低碳氢能开始受到广泛企业的关注。
在脱碳、去中心化和数字化等压力的推动下，全球经济气候迅速变化，刺激了能源部门和能源大户(尤其是交通和工业)的创新。世界各地的组织正在采用新能源模式，包括电气化、替代能源(如绿色氢和生物燃料)、热机用氢、电解用可再生能源以及电解以外的其他技术(如生物质热解)。
其中，氢能将在所有这些变化中发挥重要作用。它是一种能量密集的燃料，可以取代石油和天然气作为能源来源，特别是在难以电气化的运输和工业过程中。目前，大多数氢气是由天然气生产的，绿色氢则是一个例外，它是由可再生能源生产的电，进行电解水而产生的。
在国际能源署的2050年净零排放模型中，氢和氢基燃料将满足2050年全球最终能源需求的10%，届时对于氢的需求将增长近6倍，达到5.3亿吨，其中一半将来自工业和交通。这需要大部分通过绿色氢的供应实现，而目前，只有49万吨是通过电解产生的。
但要实现这些目标并从中获益，需要克服种种障碍。由于绿色氢仍处于初级阶段，供应链的大部分仍在开发中，效率、劣化、耐久性、弹性、密度和电力容量都是行
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绿色氢工业概述
氢气相较于当今其他燃料资源而言，能源提供效率要高出很多，具有广泛的工业用途，其中包括炼油、石化和钢铁制造。而绿色氢能，同时也能确保可持续发展目标(SDGs)的实现，如廉价、可再生能源和弹性基础设施，并支持创新。
随着技术的应用与创新，脱碳电力和电解技术的成本下降，将进一步降低生产绿色氢气的成本，扩大市场需求；据测算，到2030年，全球绿色氢市场预计将达到891.8亿美元，CAGR为54%，这主要是由于工业部门对现场电解装置的需求增加。
但是就目前而言，全球生产的氢中只有0.1%是使用可再生能源生产的绿色氢，其市场潜在空间广阔。当前，欧洲是绿色氢的市场领导者。
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氢产业链中的关键工程挑战
生产绿色氢及其供应链的公司需要克服重大的工程挑战，才能成功实现大规模商业化和部署，其中包括:
1. 厂房设计及投资回报
2. 氢的储存
3. 氢的运输和分配
4. 氢在智能电网发展中的整合
5. 发展氢内燃机
6. 实现低成本和可持续的燃料电池
尽管绿色氢规模的扩大仍然存在困难，但当代数字技术和数字工程提供了许多方案。尤其是数字孪生、预测模型等数字工程，在寻找低碳经济的道路方面将至关重要。
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通过数字工程应对挑战
1. 利用数字模型改进工厂设计和投资回报率
为了满足市场需求，企业必须扩大和加强绿色氢气厂设计，包括解决绿色氢气厂的设计限制、替代能源的成本、电解脱盐水的价格以及设备的尺寸等。然而，由于缺乏市场数据和成熟度，改进工厂设计和端到端的绿色氢系统可能是昂贵和复杂的。
因此，通过模拟工业氢链中涉及的不同技术的运行的数字模型来预测与工厂发展相关的性能和成本，并提供有前途的前进路线是极有帮助的。这些模型为技术经济研究提供了信息，通过探索不同的场景，以找到有吸引力的氢气厂成本模型。
工业氢链建模的基本挑战之一，是根据能源需求和能源生产能力，确定这条链中所需的全部或部分组件的大小。此外，模型必须考虑氢链的环境影响，如全球变暖、细颗粒排放、水酸化和富营养化，这些都应该作为工业氢链生命周期评估(LCA)的一部分进行调查。
最后，大规模的绿色氢气工厂也正在现有的工业区范围内建设。这对设计施加了额外的限制，需要确保正在进行的操作不会干扰工业生产。因此，使用氢气的装置的安全性必须整合到建模过程中，例如，通过模拟评估泄漏或爆炸的风险。
2. 设计储氢罐
不同的氢存储技术有不同的技术准备水平(TRLs)，一种解决方案的有效性取决于几个标准，如尺寸、固定或移动应用、存储时间、密度与容量以及环境条件。
•压缩氢存储由于体积能量密度低，需要大量能量才能达到高压值。
•液氢罐的材料旨在最大限度地减少与周围环境的热交换，但不能维持较高的内部压力。然而，更大的问题是转换气体的能量。因为液体会影响有效性，进而影响价格。而且，在高压环境下，安全也是一个大问题。
•在固态储氢的情况下，轻便、高选择容量、吸附动力学快、热力学稳定性强以及良好的可循环性是存储材料的理想特征，同时也必须合理定价。
固体存储提供了广泛的材料和设计选项：碳质多孔纳米材料，金属有机框架(MOFs)，共价有机框架，复杂的化学氢化物，包合物，酰胺，沸石和金属或金属间氢化物是使用的主要材料。存储材料的选择可能会造成限制，如低重量存储密度(通常小于10 wt%)，可逆性差，以及低能源效率，这是由于在罐体填充和排空循环期间可能发生的大量热交换。以固体形式储存氢还必须考虑温度和压力限制。其他因素包括设计、法律问题、社会问题和高成本。纤维、金属和聚合物等低存储材料的耐久性以及潜在的化学反应引发了安全问题。探索这个复杂的设计空间最好以数字方式完成。
3.液氢运输配送
目前的氢运输管道基础设施不足以满足未来的需求。现有的天然气管道由于脆性，不能直接用于氢气。即使以6%的体积浓度将氢气与天然气混合，也会对管道寿命产生重大影响。随着氢气混合的增加，混合气体的平均热量含量下降，因此必须消耗更多的混合气体来满足相同的能量需求。
例如，5%的氢气体积混合只能取代1.6%的天然气需求。这个百分比随着国家规定的标准而变化。当不可能通过管道输送大量氢气时，氢气通常以液体形式运输。
运输液氢有两个主要挑战:“蒸发”(即罐内低温液体蒸发，包括压力增加和气体质量恶化)和“晃动”(即罐内流体运动导致损坏、泄漏风险等)。
这是数字工程过程中面临的双重挑战，因为这两种物理现象是相互关联的，在设计一个既耐用又安全的优化低温罐时，必须将其集成到一个单一的动态计算模型中。此外，为了准确预测液氢从增压罐中释放的后果，需要在模型中考虑诸如闪沸、空气凝结或液体射流撞击等复杂的物理现象。
此外，液氢的蒸发或“蒸发掉”会损失一定数量的氢，特别是当使用高表面体积比的小型储罐时。最后，必须分析与使用液氢有关的风险，考虑到可能损坏相邻设备和结构，以及由于泄漏引起爆炸的可能性等等。
4. 氢在智能电网发展中的整合
氢可以储存和携带大量的能量。在将可再生电力转化为用于交通和工业的能源载体时，氢生态系统提供了一种安全、适应性强、环境友好的替代方案。作为一种能源、存储介质和清洁燃料，氢在智能电网的发展中发挥着重要作用。
氢气能够到达和整合能源系统的各个领域，使可再生能源得到更广泛的部署和采用。通过合同义务、产地保证、用于管理电网中的可再生能源的储能补充服务，以及直接与可再生能源混合，氢气系统可以集成到电网中。同样，理解选择和运营模式的范围最好以数字方式进行。
5. 开发氢内燃机
对于交通运输行业的许多人来说，减少碳排放意味着采用电池电动汽车(BEVs)和燃料电池电动汽车(FCEVs)。但这并不意味着燃料的燃烧将立即成为工程学的历史书，我们需要不同的燃料，其中一个是氢。
在活塞或涡轮驱动的热机中燃烧氢气不会产生二氧化碳，只会产生水和一些氮氧化物。内燃机(ICE)技术的成熟意味着系统可以适应氢和其他电燃料——从电化学过程中获得的合成燃料——成本比开发燃料电池低得多。
与氢燃烧有关的研究在广泛应用之前还需要进一步的探索。与石蜡、天然气和甲烷等“传统燃料”相比，氢燃烧的特性的探索是一个至关重要的方面，例如，火焰速度和可燃性极限随着氢气浓度、反应物温度和压力的变化而显著变化。同时，在数值模拟方面，与氢涡轮机相关的研究仍存在空白。
此外，由于氮氧化物排放的潜在水平很高，研究表明，不同的水平取决于系统配置、几何形状和操作条件。此外，必须探讨安全方面的问题，以防止不稳定和闪回，这需要大量的数字工程工作。
氢内燃机
基于氢燃烧的氢内燃机技术(例如，发动机和涡轮机)被认为是燃料电池(FC)在推动氢经济方面的补充。与大多数燃料电池应用相比，氢燃烧需要更低的纯度水平，并且可以通过与其他燃料(即生物甲烷、天然气等)混合来进行，从而提供更强的适应性。然而，在移动应用中的使用意味着若干技术、经济、社会和环境挑战。
在此背景下，HyPROPe项目涉及环保型“Flex-Gas”汽轮发电机的数字原型、测试和工业化(使用氢气、天然气、生物甲烷或氨作为燃料)，如图3所示。该系统的目标功率为250马力(约200千瓦)。作为主要应用，微型涡轮与发电机结合使用，为重型混合动力卡车提供动力，同时也设想了其他应用(即越野、海军和铁路)。
在航空领域，适当的脱碳方案取决于使用情况，例如，电动电池和燃料电池是一种很好的解决方案，适用于座位数量有限的短中型飞机。对于短途通勤航班来说，用燃料电池和电动动力系统取代原来的涡轮螺旋桨飞机是一个潜在的解决方案，有可能使用氢作为燃料。然而，对于长途飞机来说，唯一可行的选择是燃烧燃料，这可能是可持续的航空燃料或氢。
方案采用可能是结合商用飞机上使用的混合氢技术，包括推进系统，如氢燃料燃气轮机、氢燃料电池电力推进和锂离子电池，以及目前的技术，如煤油燃料燃气轮机。
改装氢推进装置
一种名为MHyTech(建模氢飞机技术)的数学方法被用于评估混合氢动力飞机的可行性。该工具的开发是为了提供混合氢技术在商用飞机上应用的潜力，包括推进系统，如氢燃料燃气轮机，氢燃料电池电力推进，锂离子电池，以及目前的技术，如煤油燃料燃气轮机。研究最可持续的体系结构配置是一种建议的优化方法。完整的数学模型考虑了推进系统的设计规格，更具体地说，考虑了决策变量，即使用的发动机、燃料量以及质子交换膜燃料电池(PEMFC)和电池的数量(如果需要)。
另一个例子是使用氢和电池的电动垂直起降飞行器(eVTOL)推进系统的全面预设计和重量评估方法。目前，超过100个eVTOL项目正在开发中，但大多数使用电池作为电源，减少了任务范围和自主性。
混合氢推进
VIABLE是为城市空中交通提供新解决方案的一个研究项目。该项目开发了一种基于氢和电池的eVTOL。VIABLE设想了一种eVTOL配置，最大起飞重量为3吨，自主飞行时间为90分钟，最大机械功率约为1兆瓦。出于安全原因，由燃料电池和电池混合组成的每个电源的大小是基于退化的场景(例如，失去一个电源)。
该项目提出了一种方法，包括使用燃料电池和电池(FM2S)验证动力链的电气杂交概念，对几种提议的冷却解决方案(SPEAC)进行热验证，以及飞机水平电气结构的重量评估。
6. 制造低成本和可持续的燃料电池
燃料电池(FC)是最相关的氢系统之一，在陆地、海军和最近的空中机动中都是关键。
但由于燃料电池涉及的是昂贵而复杂的技术，因此燃料电池系统有一些技术限制，如高氢纯度要求、寿命和稀有金属的使用等。此外，燃料电池的能源性能是基于电池组的组成，组成电池组材料的选择和采用的制造方法确定了燃料电池对环境的影响，了解它们的生命周期和制造过程对于实现低成本和可持续的燃料电池至关重要。
最终，这需要对全局流程进行多标准优化，并通过减少流程对环境的影响和最小化操作成本来确定可能的最佳配置。决策支持将是必要的，以确定最优解决方案或仲裁妥协。这里面，主要挑战在于部署一种耦合工业过程数字模型与燃料电池生命周期数字模型的方法。
燃料电池堆生命周期评估模型和制造方案
虽然对质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统的建模已经开展了一些工作，但由于涉及多学科处理(电化学、流体力学、材料科学等)，其复杂性限制了模拟系统的一部分。除了质子交换膜，创新还在非质子交换膜技术(如碱性等)上进行，甚至在质子交换膜中，在陶瓷膜上而不是现有的Nafion膜上进行。
这项名为FC-Sim(燃料电池模拟)的工作旨在通过使用多学科方法来纠正这一问题，将建模、仿真和系统优化结合起来，并将可持续性作为主要参数。这种燃料电池系统的多物理模拟侧重于每个组件的材料的影响(例如，电解质膜、电极的组成、双极板的形状等)，以及燃料电池的性能，将质子交换膜燃料电池作为用例。操作条件特别重要，特别是在航空部门的潜在用途方面。
此外，只有少数研究包括燃料电池制造过程产生的环境影响。与之前的工作并行，FC-Manu(燃料电池制造)项目是关于化学过程模拟和生命周期评估方法的耦合，以开发过程实际操作的模型表示(即数字孪生)。
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