氫氣作為能源轉型的主要驅動力，在清潔技術中扮演著重要角色，對於實現全球多個國家的脫碳目標扮演著重要的角色。氫氣具有雙重的功用，既是整合能源系統的儲能介質，也是更乾淨的燃料，可用於機動性、重工業（如鋼鐵、化學品、水泥等）、航空、海運等行業。

根據國際能源機構（IEA）的《全球氫氣回顧》，2021年對氫的需求量約為9,400萬噸。氫氣可以直接用於燃料電池、燃氣渦輪發動機、內燃引擎、作為碳中和燃料或原料，用於生產易於儲存的衍生物。這些衍生物包括氨、甲醇或可在特定工業和運輸應用中使用的可持續航空燃料（SAF）。

氫的特性與關鍵挑戰

氫具備高效率和穩定的燃燒的特性，但同樣也面臨一些挑戰。

特性

• 火焰速度：比典型碳氫化合物高8倍。

• 在空氣中的可燃範圍為體積的4%至70%，比碳氫化合物更寬。

• 其所需的點火能量比碳氫化合物低15倍。

最佳化的燃燒過程需考量三個關鍵指標的平衡：效率、排放和穩定性。

1. 氫有更快的火焰速度和更寬的可燃極限，帶來了閃燃和其他安全相關的問題與重要挑戰。

2. 氫的高溫火焰對於NOx和金屬保護構成挑戰。

因此，將氫若往大規模燃料發展的速度，將取決於多快能夠解決與閃燃、NOx排放和燃燒不穩定性相關的問題。

計算流體動力學（CFD）模擬是對純氫或氫混合燃料的燃燒研究，以加速氫被採用作為更清潔的燃料。模擬可以幫助瞭解在不同操作條件下（操作壓力、流速、穩定機制、燃燒器幾何變化等）、不同混合比和其他因素下的火焰特性和動態。這些見解將有助於克服與氫燃燒相關的閃燃、NOx和燃燒不穩定性的挑戰。

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雖然模擬可以幫助研究人員減輕與氫燃燒相關的挑戰，而對模擬結果進行驗證是確保準確性的關鍵。模擬預測的準確性取決於多個因素，包含燃燒模型、反應機制、火焰區域的網格分辨率、解決方案方法和途徑等。需要對這些因素進行研究和驗證，以應對具有不同組成、穩定機制和火焰特性的火焰範圍。

通過模擬加速氫研發

考慮到當前氫燃燒已成為歷史上最受關注的焦點之一，虎門科技致力於支援客戶透過模擬技術加速氫能研發，解決相關挑戰，如火焰穩定性、閃燃、NOx排放等，從而成功實現全球減碳努力中的淨零目標。

資料來源 Ansys Blog