Einleitung

Da die Auswirkungen auf die Umwelt bei der Konstruktion wichtiger sind als je zuvor, suchen viele Branchen nach sauberen Alternativen zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen. Wasserstoff wird als eine der potenziellen sauberen Alternativen angesehen, aber natürlich stellt er eigene Anforderungen an die Konstruktion.

Die Simulation kann in einem frühen Stadium des Konstruktionsprozesses helfen, Entwürfe zu vergleichen, die optimale Dimensionierung zu bestimmen, die Leistung vorherzusagen und mögliche Probleme zu untersuchen.

Eine der Branchen, die sich mit dem Potenzial von Wasserstoff als Kraftstoffquelle befasst, ist die Luftfahrtindustrie. Diese Branche wird als Beispiel für das Potenzial der Simulation in diesem Entwurfsprozess gezeigt, indem ein Wasserstoffantriebssystem für ein hypothetisches Flugzeug in Simcenter Amesim entworfen wird.

Wasserstoffspeicherung

Die Speicherung von Wasserstoff birgt ihre eigenen Schwierigkeiten. Wasserstoff hat eine hohe spezifische Energie, benötigt aber aufgrund seiner geringen Dichte ein großes Volumen für die Speicherung. In gasförmigem Zustand kann Wasserstoff unter hohem Druck gespeichert werden, um seine Energiedichte zu erhöhen. Dies erfordert natürlich Tanks, die diesen hohen Drücken standhalten können. Um eine noch höhere Energiedichte zu erreichen, kann Wasserstoff in flüssiger Form bei kryogenen Temperaturen gespeichert werden.

Abbildung 1: Energie nach Gewicht und nach Volumen

Die Abbildung zeigt den Vergleich einiger Energiequellen. Ein Liter (0,8 kg) Kerosin hat die gleiche Energie wie ~3,5 Liter (~0,25 kg) flüssiger Wasserstoff.

Ziel

Um Einblicke in den Entwurf und die Leistung eines wasserstoffbetriebenen Flugzeugs mit einem kryogenen Speichersystem zu erhalten, wird ein Amesim-Modell erstellt.
Einige für das Speichersystem spezifische Fragen, die mit diesem Modell beantwortet werden können, sind:

• Wie lange dauert es, den Tank zu füllen und den Druck aufzubauen?
• Wie hoch ist der Wärmestrom in den Tankmantel durch Konvektion?
• Wie lange wird das System in der Lage sein, Wasserstoffgas zu liefern?

Modell

Annahmen:

• Das Flugzeug ist stationär und befindet sich am Boden.
• Der Tank ist zu Beginn der Simulation vollständig entlüftet.
• Gas/Flüssigkeit im Tank ist geschichtet
• Homogene Temperatur der Flüssigkeit im Tank
• Homogene Temperatur des Gases im Tank
• Homogene Temperatur der Tankhülle

Das Amesim-Modell konzentriert sich auf die Speicherung des flüssigen Wasserstoffs.
Es wird davon ausgegangen, dass der Tank zu Beginn der Simulation vollständig von Luft gereinigt ist. Das einzige Gas im Tank ist Helium. Das Pumpen wird mit einem einfachen Zustandsdiagramm gesteuert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Einfaches Zustandsdiagramm

Im ersten Schritt wird flüssiges H2 in den Tank gepumpt, wobei Gas entweichen kann, damit der Tank nicht unter Druck gerät. Dieser Prozeß wird so lange fortgesetzt, bis sich die gewünschte Menge Wasserstoff im Tank befindet.

Im nächsten Schritt werden die Füll- und Entlüftungsöffnungen geschlossen. Der Wasserstoff wird dann erhitzt, um Wasserstoffgas zu erzeugen, das durch ein Rückschlagventil aus dem Tank entweichen kann. Hier kann es verwendet oder in die Atmosphäre entlassen werden.

Abbildung 3: Amesim-Modell der kryogenen Wasserstoffspeicherung

Verwendete Bibliotheken:

• Signal & Steuerung
• Thermisch
• Flugzeug-Treibstoffsystem / Kryogenische Lagerung
• Zwei-Phasen-Durchfluss
• Gasgemisch

Ergebnisse

Wie lange dauert das Betanken und der Druckaufbau im Tank?
Die Simulation zeigt, dass der Tank vom Beginn der Befüllung zu bis zum Austritt des Wasserstoffgases aus dem Tank 3055 Sekunden (~51 Minuten) benötigt.

Figure 4: Liquid hydrogen – Mass flow rate and hydrogen gas – volumetric flow rate

Woch ist der Wärmestrom in den Tankmantel durch Konvektion?
Sobald der Tankmantel durch die Flüssigkeit H2 abgekühlt ist, beträgt der Wärmestrom durch Konvektion etwa 26 W.

Figure 5: Convective heat flow rate

Wie lange wird das System in der Lage sein, Wasserstoffgas zu liefern?
Bei 19330 Sekunden (~5 Stunden) sinkt die Durchflussrate auf 0 l/min, so dass das System insgesamt etwa 4,5 Stunden lang H2-Gas liefern konnte.

Figure 6: Hydrogen gas – Volumetric flow rate

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