NanoSUN

Hintergrund

Angesichts der wachsenden Besorgnis über den Klimawandel, den Ausstoß von Kohlendioxid (CO₂) und anderen umweltschädlichen Stoffen wenden sich Industrien weltweit dem Wasserstoff als Lösung zu. Wasserstoff ist eine sauberere und sicherere Alternative zu fossilen Brennstoffen und bietet nahezu null CO₂ Emissionen, wenn sie mit erneuerbaren Energiequellen wie der Elektrolyse von Wasser zur Freisetzung von Wasserstoff oder mit Hilfe von Sonnenenergie hergestellt werden. Auch wenn die Herstellung unterschiedlich sein mag, so sind die Anwendbarkeit und der Nutzen von „grünem“ Wasserstoff in allen Branchen und privaten Sektoren gleich. Von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zu Bauunternehmen und darüber hinaus.

Angesichts dieses Wertes für die Umwelt und der Verwendung in verschiedenen Bereichen ist es von entscheidender Bedeutung, dass sauberer Wasserstoff leicht zugänglich ist und ordnungsgemäß gelagert, verteilt und abgegeben wird. Zumindest ist das die oberste Priorität bei NanoSUN. Dies ist ein preisgekröntes technisches Unternehmen mit Sitz im Vereinigten Königreich, das sich der Entwicklung, Herstellung und Vermarktung von umweltfreundlichen Wasserstoffbetankungslösungen widmet.

Als Mitglied des Ansys Startup-Programms wendet NanoSUN die numerische Strömungssimulationssoftware (CFD) Ansys Fluent an, um dies sicherer, effizienter und in größerem Maßstab zu realisieren.

Mit Simulationen zum Erfolg

Im Jahr 2017 haben sich Industrieexperten aus den Bereichen Industriegase und Wasserstoff-Brennstoffzellen zusammengeschlossen und NanoSUN gegründet. Mit dem Ziel, die Lücke zwischen Wasserstoffanbietern und Brennstoffzellenanwendern zu schließen Das Ziel des Start-ups ist die Entwicklung von mobilen und kosteneffizienten Hochdruck-Wasserstoffspeicher-, -verteilungs- und -abgabesystemen für die Transport- und Mobilitätsindustrie.

Die Speicherung von Wasserstoff und seine Bereitstellung stellen jedoch eine große Herausforderung in Bezug auf Gewicht, Volumen, Effizienz, Sicherheit und Kosten dar. Darüber hinaus gelten für den Umgang mit Wasserstoff aufgrund seiner hohen Entflammbarkeit in Verbindung mit seiner geringeren Zündenergie Sicherheitsnormen von Regierungsbehörden und Verbänden. Im Wesentlichen kann es sich schneller entzünden als Benzin oder Erdgas.

Als neues Unternehmen waren die Ressourcen bei NanoSUN begrenzt. Um die Herausforderungen zu meistern, die Sicherheitsvorschriften einzuhalten und in der Branche erfolgreich zu sein, benötigte das Team Zugang zu hochentwickelter technischer Simulationssoftware und -tools. NanoSUN erfuhr vom Ansys Startup-Programm durch den britischen Ansys Channel Partner Wilde Analysis Ltd. und wurde Anfang 2021 Mitglied. Das Programm bietet Startups in der Frühphase einen erschwinglichen Zugang zum umfangreichen Portfolio von Ansys an Simulationslösungen und Unterstützung, um ihr Unternehmen voranzubringen.

„Es ist sehr wichtig für uns, dass wir Zugang zur Ansys-Simulationssoftware haben. Sie gibt uns die Möglichkeit, Modelle zu erstellen, die uns ein besseres Verständnis dafür vermitteln, was wir von unseren Systemen erwarten können. Zudem ermöglicht es uns sicherzustellen, dass wir eine sichere Umgebung für den Kunden schaffen“, sagt Bethany Ladd, Diplomingenieurin bei NanoSUN. „Als kleines Unternehmen hatten wir bis vor anderthalb Jahren nicht die finanziellen Mittel für eine richtige kommerzielle Lizenz. Die Möglichkeit, am Ansys Startup-Programm teilzunehmen, hat uns den Zugang zu Werkzeugen ermöglicht, die wir uns vorher nicht hätten leisten können.“

Sicherheit ist der Schlüssel – Bei Zylindern, die rund 419 Kilogramm Wasserstoff bei einem Nenndruck von 425 bar fassen, stellt ein Brand eine aktive Gefahr dar, wenn keine angemessene Belüftung vorhanden ist oder ordnungsgemäß funktioniert.

Hier setzen Ladd und ihr Team Fluent am meisten ein, indem sie potenzielle Lecks im Entlüftungssystem der Tankstelle aufspüren und überwachen, um Brände zu verhindern. Routinemäßige Systemprüfungen sind bei NanoSUN besonders wichtig, da beim Betankungsvorgang mehrere Zylinder gleichzeitig in Betrieb sind.

Die meisten Betankungsunternehmen verwenden die Dekantiertechnik. Dabei fließt hoher Druck zu niedrigem Druck, von einem Zylinder zum anderen. Beide stoppen, wenn sie ausgeglichen sind. Dieser Zustand wird als Entzerrung bezeichnet. Jedoch wird der Aufnahmezylinder bei dieser Technik nur teilweise gefüllt.

Die Pioneer Hydrogen Refuelling Station (HRS) von NanoSUN ist eine vollständig mobile, automatisierte Betankungslösung, die Wasserstoff direkt an den Ort des Verbrauchs liefert und so eine effizientere und zeitnahe Verteilung ermöglicht. Mit dem kaskadierenden System von NanoSUN, das im Formfaktor eines Standard 20-Fuß-Schiffscontainers gebaut wurde, ist der Pioneer HRS ein One-Stop-Shop. Dieser erfüllt die Bedürfnisse eines Kunden nach Wasserstoffbetankung. Für den Betrieb vor Ort sind lediglich ein Erdungsanschluss und eine 230V-Stromversorgung erforderlich. Außerdem ist jedes Gerät mit einem Batterie-Backup ausgestattet.

Sein innovativer und bequemer Transport macht ihn für eine Vielzahl von Anwendungen verfügbar und geeignet, darunter Wasserstoffbusse, Transporter und Lastwagen, Materialtransport und Baumaschinen. Es kann auch als Backup-Lösung für herkömmliche feste Wasserstofftankstellen, für Flottendemos oder als Netzwerkerweiterung eingesetzt werden.

Vor allem für Fahrzeugflotten bietet NanoSUNs Pioneer HRS erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen. Die Notwendigkeit entfällt, zusätzliche Kompressoren oder Elektrolyseure an anderen Haltestellen zu betreiben (siehe Abbildung 2).

Immer einen Schritt voraus: Sicherheit geht vor mit Ansys Fluent

Ladd, die erst vor sechs Monaten zu NanoSUN kam, hat dank ihrer Erfahrungen mit der CFD-Software von Ansys bereits einiges bewirkt. Sie hat diese im Rahmen des Ansys Academic Program als Studentin an der Universität Cambridge in England gesammelt. Im Rahmen dieses Programms stellt Ansys den Universitäten vergünstigte Software zur Verfügung und bietet den Studenten gleichzeitig kostenlose Ressourcen für das Selbststudium an – eine Kombination, die angehenden Ingenieuren nach ihrem Abschluss einen Vorteil verschafft.

„Als ich bei NanoSUN anfing, war mir nicht bewusst, dass man dort CFD-Simulationen einsetzen wollte. Es war also wirklich interessant, das einzubringen, was ich an der Universität im Rahmen des Ansys Academic Program gemacht hatte“, sagt Ladd. „Da die CFD-Modellierung für NanoSUN relativ neu ist und nur drei Personen Erfahrung damit haben, wurde mir die Verantwortung für diesen Bereich der Berechnungen übertragen. Dies liegt daran, dass ich eine der wenigen bin, die Erfahrung mit Ansys Fluent hat.“

Ladd und andere CFD-Anwender geben ihr Wissen an den Rest des Teams weiter. Dieses besteht aus etwa 50 Mitarbeitern , wobei immer wieder neue Mitarbeiter eingestellt werden.

Ladds Aufgabe besteht hauptsächlich darin, die technischen und sicherheitstechnischen Berechnungen für die NanoSUN-Tankstellen zu prüfen. Hierbei verwendet sieAnsys Fluent, um Szenarien wie Wasserstofffreisetzungen oder -lecks und potenzielle Verbrennungspunkte in allen Entwicklungsstadien zu modellieren. Da Wasserstoff das leichteste Element ist und sich so schnell ausbreitet, brauchen Ladd und ihr Team die richtigen Werkzeuge, um sein Verhalten genau zu beobachten.

„Wir haben Ansys Fluent für komplexe Versionen verwendet“, sagt Ladd. „Da Wasserstoff ein recht schwimmfähiges Gas ist, verwenden wir Fluent, um zu untersuchen, wie sich die Strömung in den anderen Zylindern bewegen würde, wenn wir ein Leck in unserem Behälter hätten. Ich glaube nicht, dass man diese Dinge ohne CFD modellieren könnte.

Darüber hinaus analysiert Ladd potenzielle Verbrennungspunkte, um die Richtung und das Ausmaß potenzieller Freisetzungen oder Flammen zu verstehen und einzuschätzen. Dies wird getan, um angemessene Gefahrenabstände zu berechnen und die entsprechenden Wasserstoffsicherheitsstandards einzuhalten.

Einige Sicherheitsabstände für Wasserstoff, wie sie von der British Compressed Gas Association angegeben werden, sind 5 Meter von brennbaren Gaslagern, Zündquellen und Entlüftungsrohren für Brenngas sowie 8 Meter von Büros von Angestellten oder Menschenansammlungen, brennbaren Flüssigkeiten und Lufteinlässen von Ventilatoren.

Solche Vorkehrungen sind für Ladds Arbeit von entscheidender Bedeutung und berücksichtigen Variablen wie Temperatur und Strahlung.

Ein Beispiel dafür ist, dass Ladd und ihr Team Ansys Fluent verwenden, um thermische Druckentlastungsvorrichtungen (TPRDs) zu modellieren, um die Temperatur zu antizipieren, bei der ein Feuer aufgrund einer Gasfreisetzung ausbrechen könnte.

Anhand der Wärmestrahlungsrichtlinien des Europäischen Industriegaseverbandes (EIGA) berechnet Ladd mit Ansys Fluent die horizontalen Abstände zwischen dem Punkt der Wasserstofffreisetzung und den in der Nähe arbeitenden Personen. Diese Wärmemessungen beinhalten die Dosierung für verschiedene Verletzungswahrscheinlichkeiten, Expositionsdauern und Wärmestrahlungsintensitäten. Mit den in Ansys Fluent integrierten Strahlungsmodellen berechnen Ladd und ihr Team anhand der EIGA-Daten die einfallende Strahlung in verschiedenen Entfernungen von der Freisetzung und wenden einen Sicherheitsfaktor von 50 % an, um den minimalen Sicherheitsabstand von der Freisetzung zu bestimmen.

Durch diese Analysen können die Ingenieure Katastrophen vorhersagen, überwachen und verhindern.

So erfuhr das Team zum Beispiel, dass bei der gleichzeitigen Freisetzung von neun Zylindern und der Zündung der Freisetzung die Strahlungsdistanz 19 Meter beträgt. Wenn nur ein Zylinder durch ein TPRD ausgelöst wird, beträgt die Entfernung nur 1,5 m. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die Ergebnisse für ein Modell mit neun Zylindern, die unter der Annahme einer Zündung durch das TPRD-System ausgelöst werden.

Die NanoSUN-Ingenieure modellieren auch die Konvektionswärme von TPRD-Freisetzungen. Dies geschieht, indem sie den Wind bei verschiedenen Geschwindigkeiten (siehe Abbildung 5) mit 2D-Modellen integrieren und die Turbulenzen um den Behälter mit 3D-Modellen (siehe Abbildung 6) berücksichtigen.

Darüber hinaus beobachtet das Team Temperaturverläufe über horizontalen Ebenen in einer konstanten Höhe von 1,8 Metern (siehe Abbildung 7), wie von der EIGA als Punkt der brennbaren Auswirkungen in der durchschnittlichen „Kopfhöhe“ empfohlen.

Darüber hinaus bietet Ansys Fluent Mehrphasen-Strömungsanalysen und Verbrennungsmodelle. Diese geben einen Einblick in die Systemleistung und Strömungsphänomene, welche Ladd als nächstes erforschen möchte, um die Vorteile der Ansys-Software und -Programme voll auszuschöpfen.

„Ich denke, ich würde mir gerne mehr Details ansehen und Ansys Fluent verwenden, um die Strömung innerhalb des Systems zu modellieren und nicht nur außerhalb des Systems, falls es eine Freigabe gibt“, so Ladd. „Es wäre sehr interessant, die Strömung in den Zylindern und durch die Öffnungen zu modellieren, z. B. wie sie sich bei Pfropfenströmung verhält.“

NanoSun ist ein Kunde von Wilde Analysis Ltd – Ein PDSVISION Unternehmen mit Sitz im Vereinigten Königreich.