水素エネルギー貯蔵の課題に対する解決策のモデリング

水素エネルギーは、多くの場面で天然ガスや化石燃料に取って代わり、脱炭素化した未来において重要な役割を果たすでしょう。エネルギー源として、水素燃料は「クリーン」です。燃焼によって、水蒸気、浮遊酸素分子、および若干のNOx（酸素が大気中の窒素と結合して生成される）のみが発生します。一方、水素燃料電池は「クリーンなエネルギー」を生産し、温室効果ガスを排出しません。水素燃料の燃焼と燃料電池に移行することで、排出ガスを大幅に削減できる可能性があり、特に環境に最も有害なメタンと二酸化炭素を削減できます。

水素製造の課題は広く議論されており、特に化石燃料による電気分解（つまり「グレー水素」）から再生可能エネルギーによる製造（「グリーン水素」）へと移行する課題についての議論が注目されています。

安全な貯蔵は、さらに差し迫った問題かもしれません。燃料電池や水素燃焼エンジンが実用化されるためには、大量の極低温水素を安全に貯蔵し、予測不可能な条件下で働くさまざまな車両で輸送できる必要があります。

これまでのところ、航空宇宙分野での水素燃料の利用を何十年も模索してきたにもかかわらず、我々はほとんど表面しか見ていないのが現状です。

普及に向けた水素貯蔵の最適化

技術的には難しいが、水素貯蔵はよく理解されています。Airbus Defense and Space社の推進製品・タンク部門責任者であるRenato Bellarosa氏は、次のように述べています。

 「宇宙産業は、何十年もの間、宇宙開発の燃料となる液体推進剤（水素と酸素）の貯蔵に圧力容器を使用してきました。ですから私たちは、損傷耐性、高度な製造技術、容器の圧力試験において多くの専門知識を持っています。」

とはいえ、毎年数回打ち上げられる一握りのスペースシャトルに水素を安全に貯蔵できることと、毎日空を飛ぶ8,000機の民間航空機に水素を安全に貯蔵できることとは、まったく別の話です。

水素貯蔵の最適化は、シミュレーションベースのモデリングが不可欠な分野であり、迅速かつ低コストで設計の検討やプロトタイピングを行うことができるため、水素を燃料とする旅客機が直面する可能性のある新たな問題を迅速に明らかにすることができます。Modelon Impactのプラットフォームとライブラリは、まさにエンジニアのそのような作業を支援しています。

水素貯蔵におけるシミュレーションの役割

モデロンのシミュレーションエンジニアである Anh Nguyen は、旅客機用の断熱水素貯蔵タンクのシミュレーションを行った際に直面した最近の事例をご紹介します。これらのタンクは、他の用途で使用される水素燃料タンクよりもはるかに多くの制約（形状、重量、断熱性など）を考慮して設計する必要があります。

「液体水素の抽出速度は、タンク内の圧力と温度を低下させる可能性があることがわかりました。 タンク内に熱が侵入するとLH2が蒸発し、圧力限界に達するとタンクからGH2が排出されます。LH2がタンクから抜き出されると、LH2が占める体積が減少し、エネルギーがあればLH2が蒸発するスペースができ、GH2が膨張して圧力と温度の上昇率が低下します。実験でLH2の抽出速度を2倍にすると、圧力と液温が低くなっているのがわかりやすくなります」とAnhは説明しています。

「タンクが十分断熱されている理想的な状態では、LH2の抽出は、膨張するGH2がジュール・トムソン効果によって冷却されるため、圧力と温度が低下します。タンク周辺のキャビンの周囲圧力が0.8バール近くになる可能性があることを念頭に置くと、タンクの圧力が周囲圧力より低下するのを避けるためには、ある程度の熱の侵入が望ましいです。」

タンクからの水素漏れはそれだけでも危険です。しかし、外気が侵入するのも良くありません。空気がタンク内に入ると瞬時に凍結し、燃料パイプを塞いでしまう可能性があるからです。

モデルベースの設計およびシステムシミュレーショ ンプラットフォームである Modelon Impact で モデロンの蒸気サイクルライブラリ を使用することで、エンジニアはいくつかの可能な解決策を迅速に反復することができました。最終的に、システム設計と結果のバランスを取るための最良のアプローチは、飛行中のタンク圧力をより適切に管理するためのヒーターを追加することであると判断しました。動的モデルベースの設計は、コラボレーションと反復を経済的に行い、新しい問題に対する非生産的なアプローチを素早く排除します。

迅速に反復し、プロジェクトのマイルストーンを達成しようとするエンジニアのために、モデロンはシステムシミュレーション技術と専門知識を提供します。モデロンの主力製品であるModelon Impactは、産業用システムを仮想的に設計、シミュレーション、解析するためのクラウドプラットフォームです。数十年にわたる技術的専門知識と堅牢なコンポーネントライブラリを組み合わせることで、私たちは、エンジニアが航空宇宙産業における水素貯蔵の作業を短縮できるよう支援します。