[Amesim] Amesim을 통한 트럭용 700 bar 수소 저장시스템

Motivation

 운송 부문은 오늘날 전 세계 CO2 배출량의 20% 이상을 담당하고 있습니다. 기후 중립을 달성하려면 2050년까지 운송 배출량을 90% 줄여야 합니다. 경량 차량에서는 배터리 채택 추세가 뚜렷한 반면, 중장비 분야에서는 수소 연료 전지가 유망한 대안으로 보입니다.

 그러나 이동성을 위한 수소 저장은 이 초경량 가스가 차지하는 부피가 크다는 점을 고려할 때 여전히 어려운 문제입니다. 운송 용도로 이 부피를 줄이기 위해 수소는 일반적으로 350bar 또는 700bar의 압력 수준으로 압축됩니다. 액체 형태로 저장하는 것도 고려할 수 있지만 매우 낮은 온도 수준으로 냉각해야 하며 이 기술은 현재 로켓 및 항공우주 분야에 주로 사용됩니다.

 기체 저장 시스템을 고려할 때, 고압 수준은 견고한 구조를 갖춘 특정 탱크가 필요하지만, 특히 연료 제거 작업 중에 높은 온도 변화를 견딜 수 있는 H2 누출 방지 재료도 필요합니다.

 본 게시물에서는 Simcenter 시스템 시뮬레이션을 사용하여 트럭 트랙터에 장착된 고압 수소 멀티탱크 시스템 모델을 제시하고자 합니다.

시스템 설명

 고려된 시스템은 5개의 고압 IV형 수소 탱크로 구성되어 있으며, 3개는 트럭 트랙터 캐빈 뒤쪽에 위치하고 2개는 전면 및 후면 차축 사이의 양쪽에 위치합니다(아래 그림 1 참조).

그림 1: 고려된 5개 H2 탱크의 위치

 IV형 수소 탱크는 비금속(폴리머) 내부 라이너와 외부 완전 강화 복합 포장을 갖추고 있습니다. 두 가지 특성 모두 수소 기밀성을 보장하고 높은 압력을 유지할 수 있습니다. 이러한 탱크는 그림 2로 설명할 수 있습니다.

그림 2: 4형 수소 탱크의 그림

 탱크의 특징은 다음과 같습니다.

표 1: H2 탱크 주요 특성

압력		700	Bar (A)
라이너 소재	HDPE = 고밀도 폴리에틸렌 - 두께	5	mm
두 번째 레이어	CFRP = 탄소섬유강화플라스틱 – 두께	35	mm
외층	GFRP = 유리섬유강화플라스틱 – 두께	20	mm
탱크 길이		2000	mm
탱크 내경 – 측면		505	mm
탱크 내부 용적 – 측면	싱글 탱크	400.6	L
총 수소 질량 – 측면	@15°C – 2개 탱크	29.9	Kg
탱크 내경 - 후면		357	Mm
탱크 내부 용량 – 후면	싱글 탱크	200.3	L
총 수소 질량 – 후면	@15°C – 3개 탱크	31.9	kg

해당 모델

 위에 설명된 시스템은 다음 그림에서 볼 수 있듯이 Simcenter Amesim에서 모델링되었습니다.

그림 3: Simcenter Amesim의 H2 탱크 시스템 모델

 2개의 사이드 탱크는 모델 하단에 표시되고, 3개의 리어 탱크는 상단에 표시됩니다. 이들은 모두 공통 볼륨에 연결되어 있으며, 그 뒤에 2.5barA로 설정된 압력 조절기가 있습니다.

 오른쪽의 질량 유량 소스를 사용하면 연료 공급 또는 연료 제거(각각 탱크 경계 조건으로 양의 수소 질량 유량 및 음의 수소 질량 유량) 시나리오를 정의할 수 있습니다.

 본 논문에서는 다양한 일정 질량 흐름과 다양한 초기 가스 온도를 가진 연료 제거 시나리오를 제시합니다. 이러한 시나리오를 통해 탱크 재료(예: 라이너)를 잠재적으로 손상시킬 수 있는 최소 가스 온도(일반적으로 -40도C)에 도달하는 경우를 확인할 수 있습니다.

 SOC 구성 요소, 즉 충전 상태는 시뮬레이션 중에 초기 수소의 남아 있는 수소 질량을 백분율로 계산합니다.

주요 가정 및 열 고려 사항

• 기체 상태 방정식(EOS):

 700 barA 및 표준 온도에서 수소는 초임계 상태이고 압축성 인자는 1.4보다 높으므로 실제 기체 상태 방정식을 사용하여 동작을 올바르게 설명해야 합니다. Simcenter Amesim에서 이러한 목적을 위해 다양한 EOS를 사용할 수 있습니다: Van Der Waals, Redlich-Kwong, Redlich-Kong-Soave, Peng Robinson, MBWR 및 Helmholtz. 이 예에서는 Redlich-Kong-Soave EOS(RKS)를 사용합니다.

• 열적 고려 사항: 이 예에서는 우수한 EOS 외에도 시스템 열 동작 모델링이 중요합니다.

 o 탱크 내부의 경우, 수소와 내부 라이너 사이의 자유 및 강제 대류 교환이 고려됩니다. Nusselt 상관관계는 열전달 계수를 정의하는 데 사용됩니다. 자유 대류에 대한 Nusselt 상관관계는 Grashof 및 Prandtl 수의 함수이고, 강제 대류에 대한 Nusselt 상관관계는 Reynolds 수의 함수입니다.

 o 탱크 재료의 3개 층에 대하여 각각의 두께와 전도도를 이용하여 방사 전도도를 고려한다.

 o 탱크 외피에서 주변으로의 대류와 관련하여, 주변 공기 속도가 5m/s인 원통 주위의 강제 대류에 대한 고전적인 누셀트 상관관계가 사용되었습니다.

 o 초기 가스 탱크 온도는 주변 온도와 동일하다는 점에 유의하세요.

시뮬레이션 시나리오

 3가지 연료 제거 시나리오를 시뮬레이션하고 비교합니다. 다음 표는 이러한 시나리오의 조건을 요약한 것입니다.

표 2: 시뮬레이션 시나리오

#	주변 온도 및 H2 초기 온도[도C]	H2 질량 유량 [g/s]
1	15	-3
2	-10	-3
3	-10	-1.5

 이러한 시나리오에서는 SOC가 5%에 도달하거나 최대 10시간이 되
면 시뮬레이션 시간이 중지됩니다.

 3개의 시뮬레이션 시나리오 결과는 아래 그림에 수집되어 있습니다(관련 시나리오 색상 참조) - 가스 온도는 모든 탱크를 연결하는 혼합 챔버의 온도입니다.

그림 4: 연료 제거 시나리오 결과 – 가스 온도[degC]

그림 5: 연료 제거 시나리오 결과 – 가스 압력 [barA]

그림 6: 연료 제거 시나리오 결과 – 충전 상태[%]

 시뮬레이션은 다음에서 중지됩니다.

• 시나리오 #1의 경우 4시간 54분

• 시나리오 #2의 경우 5시간 13분

• 시나리오 #3의 경우 10시간 00분

 결과에서 볼 수 있듯이, 두 번째 시나리오의 경우 -10도의 초기 온도와 3g/s의 수소 흐름으로 시작하여 4시간 직전에 -40도의 임계 온도에 도달합니다.

 수소 3g/s는 (H2의 저발열량을 사용하여) 약 360kW의 일정한 전력을 나타냅니다. 연료 전지 효율이 약 50%라고 가정하면, 이는 시나리오 #2의 조건에서 4시간 이상 180kW의 일정한 전력 수요를 유지할 수 없다는 것을 의미합니다. 그 단계에서 SOC는 약 31%입니다.

 나머지 두 시나리오는 열적으로 볼 때 더 나은데, 시나리오 1과 3의 경우 각각 -21.5도 와 -29도에 도달하는 최소 가스 온도가 나오기 때문입니다.

 다음 그림에 표시된 대로 재료 온도도 살펴볼 수 있습니다.

그림 7: 시나리오 #1에 대한 탱크 재료 및 H2 온도의 진화

그림 8: 시나리오 #2에 대한 탱크 재료 및 H2 온도의 진화

그림 9: 시나리오 #3에 대한 탱크 재료 및 H2 온도의 진화

 각 시나리오의 총 CPU 시간이 1초보다 훨씬 짧기 때문에 이러한 시뮬레이션은 매우 빠릅니다.

결론 및 관점

 이 글에서는 대형 트럭에 적합한 5개의 고압 수소 탱크 시스템에 대한 연료 제거 시나리오에 대한 시스템 시뮬레이션을 제시했습니다.

 이러한 시뮬레이션은 탱크 내부와 다양한 재료 층에 대한 온도 및 압력 변화를 빠르게 잘 평가할 수 있습니다. 이는 탱크 크기를 정하고 탱크 구조에 해로울 수 있는 온도로 이어지는 중요한 시나리오를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 이러한 모델은 표준 열 교환 상관 관계와 인정된 실제 가스 상태 방정식에 의존합니다. 연료 보급 시나리오가 제시되었지만 이 모델은 연료 보급 시나리오에도 사용할 수 있습니다. 연료 보급 시나리오에는 각 탱크를 나타내는 0D 볼륨을 계층화된 챔버로 대체하는 것과 같은 추가적인 복잡성이 필요할 수 있으며, 이는 Simcenter Amesim에서도 사용할 수 있습니다.

 귀중한 보완책으로, Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 전용 단기 시나리오에서 더욱 자세한 3D CFD 분석을 실행하여 열 교환 상관관계와 H2 흐름 패턴을 세부화하는 것을 활용할 수 있습니다.

이상 더 궁금한 사항있으시면 캐디언스시스템으로 연락주세요