Imagina un futuro impulsado por hidrógeno gracias a la simulación

Nuestros líderes mundiales han fijado objetivos ambiciosos para la descarbonización global para 2050, y con razón. Mientras el planeta continúa calentándose, el consumo mundial de energía sigue aumentando, y la mayor parte de este consumo de energía actualmente se deriva de combustibles fósiles. Esta amarga verdad ha inspirado una ola de tendencias de descarbonización en respuesta, incluido el hidrógeno verde, que se genera utilizando energía renovable.

¿Por qué hidrógeno? Es el elemento químico más ligero (y el más abundante en el universo) que tiene el potencial de convertirse en el combustible económico del futuro. Además, el hidrógeno verde no emite CO2 cuando se quema; produce agua, por lo que no contribuye al cambio climático. Y su versatilidad convierte al hidrógeno en un excelente sustituto de los combustibles fósiles para muchas aplicaciones, incluido el transporte industrial, la producción de acero o de hormigón, el procesamiento de alimentos y los vehículos propulsados ​​por pilas de combustible de hidrógeno.

Schaeffler está buscando tecnología para usar en ambos extremos de la cadena energética del hidrógeno verde: la producción de hidrógeno mediante electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones (PEMWE), que tiene ventajas cuando se utilizan fuentes de energía renovables, y pilas de combustible que producen electricidad mediante el consumo de hidrógeno. Aprovechando continuamente su experiencia en este ámbito, Schaeffler desarrolla tecnologías en diversas disciplinas y divisiones, incluidas pilas PEMWE y pilas de combustible para las industrias automovilística y energética, con la ayuda del software de simulación Ansys.

En última instancia, al combinar la competencia en formación de Schaeffler con la optimización del flujo de Ansys, se puede desarrollar un hardware de apilamiento superior que contenga estructuras de placas bipolares optimizadas para facilitar la producción eficiente de hidrógeno.

«Estamos especialmente centrados en desarrollar y mejorar el rendimiento de nuestros electrolizadores utilizando la simulación Ansys en la predicción del comportamiento de nuestros productos en relación con los sistemas industriales», afirma Pavlo Lyubarsky, especialista en métodos de simulación de hidrógeno en Schaeffler Technologies. «La simulación es una ‘lupa digital’ para nosotros, ya que permite una mayor eficiencia y ofrece conocimientos que no se pueden obtener a partir de evaluaciones y experimentos empíricos».

Portfolio de pilas de electrolizadores PEM de Schaeffler

Los conocimientos electrolíticos conducen a soluciones sostenibles

El hidrógeno se extrae durante la electrólisis, un proceso que divide el agua líquida en hidrógeno y oxígeno gaseoso mediante corriente eléctrica. Se utiliza en electrolizadores de agua PEM, donde el hidrógeno producido llega a diversas aplicaciones de movilidad como camiones o trenes, así como en aplicaciones industriales. El gas hidrógeno también se puede quemar para el tratamiento térmico tradicional de metales, pero también encuentra una nueva aplicación como agente reductor en el proceso de producción de acero ecológico, reemplazando así al carbón y los combustibles fósiles.

Schaeffler analiza PEMWE durante el desarrollo de la pila para comprender mejor el rendimiento del electrolizador durante la producción de hidrógeno dentro de las limitaciones del modelo numérico. La simplificación de estos modelos debe realizarse con mucho cuidado para evitar conocimientos deficientes y resultados de diseño no deseables. Los modelos de simulación correctamente definidos y las condiciones límite establecidas con precisión permiten a Schaeffler evaluar el diseño propuesto, evaluar la caída de presión en la celda PEM y en toda la pila, estimar la distribución de temperatura e identificar puntos calientes. Esta actividad reduce los tiempos de investigación y desarrollo y los costos operativos, lo que en última instancia contribuye a mejores productos.

Principio de producción de hidrógeno mediante electrólisis PEM.

Comprendiendo la electroquímica de la celda de electrólisis PEM

Un aspecto importante para Schaeffler durante el análisis de sus productos es comprender la actividad en todo el PEM. Durante la electrólisis de PEM, el PEM es conductor de iones de hidrógeno en el intercambio que ocurre entre hidrógeno y oxígeno a medida que se dividen las moléculas de agua. Pero, debido a la alta presión a ambos lados de la membrana, se produce algún cruce, donde parte del agua utilizada durante la electrólisis y los protones de hidrógeno se recombinan, dificultando el proceso de separación. Es una parte inevitable de la electrólisis que conduce a un desequilibrio de hidrógeno/oxígeno en el producto final. Utilizando el software de simulación de dinámica de fluidos computacional Ansys Fluent, el equipo midió la proporción de hidrógeno a oxígeno como subproducto de la electrólisis y, si superaba un margen particular, detenía las pruebas. Este análisis es solo uno de los parámetros de seguridad importantes que Schaeffler mide cuando se realiza actividad repetida en el otro lado de la membrana celular para determinar si se ha excedido el umbral de seguridad.

Campo de flujo de agua en una subsección de una placa bipolar formada realizada en Fluent. La imagen muestra la distribución de la velocidad del agua.

Las características térmicas detalladas a escala celular completa se modelan con Fluent mediante un análisis de transferencia de calor conjugado (CFD-CHT). La figura muestra la distribución de temperatura en una sección transversal a través de la celda y resalta el CCM caliente en el medio.

La simulación genera una investigación más exhaustiva

Después de un análisis inicial del diseño de un electrolizador, a veces quedan preguntas abiertas sobre su rango de aplicación. Por ejemplo, el acoplamiento de especies electroquímicas, así como los aspectos multifásicos, pueden requerir una investigación más profunda mediante simulación para ampliar el rango de potencia del electrolizador. El equipo utilizó varios flujos de trabajo de simulación con el software Ansys para responder muchas preguntas críticas, incluido cómo identificar los parámetros más influyentes para la producción de hidrógeno. Esta evaluación podría conducir a una mayor optimización en torno a otras cuestiones, como cuál es el grosor de la pared celular, la temperatura del agua de alimentación o el agua de salida. Y, si hay un circuito de enfriamiento, ¿cuál debería ser la correlación lógica entre la entrada y salida de temperatura? En otras palabras, la eficiencia energética no sólo se logra mediante un diseño diligente, sino también mediante una evaluación correcta de las estrategias operativas, particularmente en aplicaciones dinámicas. «Simulamos factores como la temperatura de entrada y salida del agua que no son visibles desde el interior del sistema, incluidos los puntos críticos localizados», afirma Kay Juckelandt, especialista senior de Schaeffler Technologies. “También medimos todas las presiones y medimos continuamente la pureza del agua porque si hay iones en el agua, puede haber corrosión dentro de la pila, lo que provoca fallas en el producto. Estos y otros efectos locales normalmente no podemos medirlos, pero pueden observarse mediante simulación. Ése es un beneficio que antes no podíamos lograr, o que sólo podíamos lograr con grandes esfuerzos”.

La imagen muestra el campo de flujo de agua de alimentación de una placa bipolar formada. Los estudios de optimización de las estructuras de flujo se llevan a cabo con el solucionador adjunto de Fluent para mejorar el diseño hidráulico.

«Lo que realmente me gusta del software de simulación Ansys es que la gama de físicas que se pueden cubrir con los productos Ansys es enorme», dice Lyubarsky. “Aquí podemos construir una cadena de herramientas integrada que nos ayuda a ser eficientes al proporcionar pautas a nuestros diseñadores y ofrecer resultados para mejorar el producto. La gama de productos Ansys básicamente cubre todo lo que necesitamos con suficiente precisión y eficiencia que conduce a un análisis optimizado del que se benefician los clientes”.