Simulando um sistema de armazenamento de hidrogênio com o Simcenter Amesim

O setor de transportes é hoje responsável por mais de 20% das emissões globais de CO₂. Para atingir a neutralidade climática, precisamos reduzir as emissões de transportes em 90% até 2050.

Embora possamos ver uma tendência clara de adoção de baterias para veículos leves, células de combustível alimentadas por hidrogênio parecem ser uma alternativa promissora para aplicações pesadas.

O armazenamento de hidrogênio para mobilidade, no entanto, continua desafiador quando se considera o alto volume tomado por esse gás ultraleve. Para reduzir esse volume para aplicações de transporte, o hidrogênio é geralmente comprimido a um nível de pressão de 350 ou mesmo 700 bar. O armazenamento em forma líquida também pode ser considerado, mas requer resfriamento a um nível de temperatura muito baixo e essa tecnologia é atualmente usada para foguetes e aplicações aeroespaciais.

Considerando os sistemas de armazenamento gasoso, o alto nível de pressão requer tanques específicos com estruturas sólidas, mas também materiais à prova de vazamento de H₂ que suportem altas variações de temperatura, especialmente durante as operações de desabastecimento.

Esse post apresenta um modelo de um sistema multitanque de hidrogênio de alta pressão montado em um caminhão trator usando simulação de sistema Simcenter.

A fase de desabastecimento é simulada e as temperaturas dos tanques são especialmente monitoradas.

Descrição do sistema

O sistema considerado consiste em 5 tanques de hidrogênio de alta pressão do tipo IV, sendo 3 posicionados atrás da cabine do caminhão trator e 2 em ambos os lados entre os eixos dianteiro e traseiro, conforme ilustrado na figura 1 abaixo.

Figura 1: Posição dos 5 tanques de H2 considerados

Os tanques de hidrogênio do tipo IV têm um revestimento interno não metálico (polímero) e um envoltório externo de compósito reforçado completo. Ambas as características permitem garantir a estanqueidade do hidrogênio e sustentar altas pressões. Tal tanque pode ser ilustrado com a figura 2:

Figura 2: Ilustração de um tanque de hidrogênio tipo 4

As características dos tanques são as seguintes:

Pressão		700	barA
Material do forro	PEAD = Polietileno de Alta Densidade – espessura	5	milímetros
Segunda camada	CFRP = Plástico Reforçado com Fibra de Carbono – espessura	35	milímetros
Camada externa	GFRP = Plástico Reforçado com Fibra de Vidro – espessura	20	milímetros
Comprimento do tanque		2000	milímetros
Diâmetro interno do tanque – lateral		505	milímetros
Volume interno do tanque – lateral	Tanque único	400,6	L
Massa total de hidrogênio – lado	@15°C – 2 tanques	29,9	kg
Diâmetro interno do tanque – traseiro		357	milímetros
Volume interno do tanque – traseiro	Tanque único	200,3	L
Massa total de hidrogênio – traseira	@15°C – 3 tanques	31,9	kg

Tabela 1: Principais características dos tanques de H₂

Modelo correspondente

O sistema descrito acima é modelado no Simcenter Amesim conforme ilustrado pela figura a seguir:

Figura 3: Modelo de sistema de tanque H₂ no Simcenter Amesim

Os 2 tanques laterais são representados na parte inferior do modelo, enquanto os 3 traseiros estão na parte superior. Eles são todos ligados entre si a um volume comum seguido por um regulador de pressão ajustado para 2,5 barA.

A fonte de fluxo de massa no lado direito permite definir cenários de reabastecimento ou desabastecimento (respectivamente fluxos de massa de hidrogênio positivos e negativos como condição de contorno do tanque).

Nesse post, serão apresentados cenários de desabastecimento com diferentes fluxos de massa constantes e diferentes temperaturas iniciais do gás. Esses cenários permitem ver em quais casos a temperatura mínima do gás (geralmente -40 graus C), que pode potencialmente danificar os materiais do tanque (ou seja, revestimento), é atingida.

O componente SOC, ou seja, Estado de Carga, calcula durante a simulação a massa de hidrogênio restante da inicial em porcentagem.

Principais suposições e considerações térmicas

• Equação de Estado do Gás (EOS):

  
  

  A 700 barA e temperatura padrão, o Hidrogênio é supercrítico e o fator de compressibilidade é maior que 1,4, exigindo, portanto, o uso de uma Equação de Estado do Gás Real para descrever corretamente seu comportamento. Diferentes EOS estão disponíveis no Simcenter Amesim para esse propósito: Van Der Waals, Redlich-Kwong, Redlich-Kong-Soave, Peng Robinson, MBWR e Helmholtz.

  
  

  O Redlich-Kong-Soave EOS (RKS) é usado neste exemplo.

• Considerações térmicas: Além de uma boa EOS, a modelagem do comportamento térmico do sistema é crucial neste exemplo.

  
  

  • Para a parte interna do tanque, trocas convectivas livres e forçadas entre hidrogênio e o revestimento interno são consideradas. Correlações de Nusselt são usadas para definir o coeficiente de transferência de calor. A correlação de Nusselt para a convecção livre é uma função dos números de Grashof e Prandtl, a da convecção forçada, uma função do número de Reynolds.

  • Em relação às 3 camadas do material do tanque, a condução radial é considerada usando a espessura e a condutividade de cada uma delas

  • Em relação à convecção da superfície externa do tanque para o ambiente, uma correlação clássica de Nusselt para convecção forçada ao redor de um cilindro é usada com uma velocidade do ar ambiente de 5 m/s.

  • Observe que a temperatura inicial do tanque de gás é igual à temperatura ambiente

    
    

Cenários simulados

3 cenários de desabastecimento são simulados e comparados. A tabela a seguir resume as condições desses cenários:

#	Temperaturas ambiente e inicial de H₂ [degC]	Fluxo de massa de H₂ [g/s]
1	15	-3
2	-10	-3
3	-10	-1,5

Tabela 2: cenários simulados

Observe que, para esses cenários, o tempo de simulação para quando o SOC atinge 5% ou um tempo máximo de 10 horas.

Os resultados dos 3 cenários simulados estão reunidos na figura abaixo (veja a cor do cenário associado) – a temperatura do gás é a da câmara de mistura que liga todos os tanques:

Figura 4: Resultados dos cenários de desabastecimento – Temperatura do gás [degC]

Figura 5: Resultados dos cenários de desabastecimento – Pressão do gás [barA]

Figura 6: Resultados dos cenários de desabastecimento – Estado de carga [%]

A simulação para em:

• 4h 54min para o cenário #1

• 5h 13min para o cenário #2

• 10h 00min para o cenário #3

  
  

Como pode ser visto nos resultados, a temperatura crítica de -40 °C é atingida pouco antes de 4 horas para o segundo cenário, começando com uma temperatura inicial de -10 °C com um fluxo constante de hidrogênio de 3 g/s.

Note que 3 g/s de hidrogênio representam (usando o Baixo Valor Calorífico de H₂) cerca de 360kW de potência constante. Considerando uma eficiência de Célula de Combustível de cerca de 50%, isso significaria que não poderíamos sustentar uma demanda de potência constante de 180kW por mais de 4 horas nas condições do cenário #2. Nesse estágio, o SOC é de cerca de 31%.

Os outros dois cenários são melhores, termicamente falando, já que a temperatura mínima do gás atingida é, respectivamente, -21,5 °C e -29 °C para os cenários 1 e 3.

Também podemos dar uma olhada nas temperaturas dos materiais, conforme apresentado na imagem a seguir:

Figura 7: Evolução dos materiais do tanque e das temperaturas do H₂ para o cenário nº 1

Figura 8: Evolução dos materiais do tanque e das temperaturas do H₂ para o cenário #2

Figura 9: Evolução dos materiais do tanque e das temperaturas do H₂ para o cenário #3

Observe que essa simulação é muito rápida, pois o tempo total de CPU para cada cenário é muito menor que 1 segundo.

Conclusão e perspectivas

Neste post foi apresentado a simulação do sistema de cenários de desabastecimento para um sistema de 5 tanques de hidrogênio de alta pressão representativos de uma configuração de caminhão pesado.

Tal simulação pode rapidamente dar uma boa avaliação das evoluções de temperatura e pressão dentro dos tanques, bem como para as diferentes camadas de material. Isso pode ajudar no dimensionamento dos tanques e na determinação dos cenários críticos que levam a temperaturas que podem ser prejudiciais para a estrutura do tanque.

Esse modelo depende de correlações de trocas térmicas padrão e de uma Equação de Estado Real de Gás reconhecida. Cenários de desabastecimento foram apresentados, mas o modelo também pode ser usado para reabastecimento. Cenários de reabastecimento podem exigir complexidade adicional, como substituir os volumes 0D que representam cada tanque por uma câmara estratificada, também disponível no Simcenter Amesim.

Como um complemento valioso, poderia ser aproveitada a execução de análises CFD 3D mais detalhadas com o Simcenter STAR-CCM+ em cenários curtos dedicados para refinar as correlações de troca térmica, bem como o padrão de fluxo de H₂.

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