能源的未来看起来很蓝

如今，绿色能源受到极大关注，但加利福尼亚州的一家初创公司正在利用Ansys解决方案开发一种独特的“绿”燃料来源。C-Zero依靠工程模拟来优化其创新工艺，通过将天然气的主要成分甲烷分解为氢气和固体碳来生产氢气。

C-Zero的工艺是甲烷热解的一种形式，由加州大学圣巴巴拉分校化学工程教授、现任C-Zero首席技术官埃里克·麦克法兰 (Eric McFarland) 开发和演示。在美国能源部以及比尔·盖茨的Breakthrough Energy Ventures等投资者的资助下，C-Zero正在致力于将其大规模清洁氢生产工艺商业化。每天能够生产400公斤氢气的试点设施将于2024年初投入运营。

C-Zero的研发技术总监Sam Shaner是该公司2019年聘用的第一位技术人员。如今，他负责兑现低成本、零排放氢气生产的承诺。

“天然气是一种丰富、低成本的能源，已经提供了全球约四分之一的能源，因此机遇是巨大的，”沙纳指出。“如果我们能够使天然气脱碳，它就可以转化为纯氢，这是一种更可持续的燃料来源。天然气分销商和消费者可以利用其现成的可用性来进行发电等应用，而无需担心CO₂的产生。”

C-Zero的工艺产生“绿”氢气，它结合了其他现有氢气生产形式的优点。颜色不是基于其物理外观，而是基于其在传统氢气输送过程（灰色）、具有碳捕获的传统氢气输送过程（蓝色）和基于可再生能源的氢气生产（绿色）之间的位置。

C-Zero表示，与传统替代品相比，其专利工艺生产的“绿”氢气具有显着的成本和能源效率优势。

“绿”氢气是通过可再生电力驱动的水基电解生产的，是碳中和的，但制造成本昂贵。“蓝”氢气是利用天然气的蒸汽甲烷重整生产的，这是一种能源密集型过程，需要额外的碳捕获步骤。此外，它还会产生气态碳，这是一种污染物。

相比之下，C-Zero的甲烷热解过程有两种结果：纯氢气和高密度固体碳，可以隔离或用于各种工业应用。Shaner表示，甲烷热解消耗的能量比电解少七倍，这使得绿氢成为蓝色和绿色替代品的明显赢家。

C-Zero的甲烷热解方法将天然气分解成两种成分：纯氢气和固体碳。

好处很明显——但过程很复杂

虽然C-Zero的工艺从环境和商业角度来看非常有意义，但甲烷热解是一个复杂、激烈的过程，它利用热催化将天然气分成两部分。甲烷气体被送入充满熔融介质的反应室，并在其中被加热到超过1000°C 的温度。氢以气泡的形式出现，而碳以固体形式提取。

该过程的特点是存在多种物理力，包括热效应、流体效应、结构效应和气液交换。在C-Zero能够大规模商业化绿氢之前，必须完善该工艺，以实现最大的能源效率和最佳的传热。反应堆的材料和几何形状必须承受极端的结构力和热力，同时还进行优化以实现最小的尺寸和重量。此外，在热解过程中，碳分子很容易沉积在反应器壁上，因此工艺和容器的设计都必须尽量减少这些影响。

“不可能亲眼看到反应堆容器的内部并观察加热、混合、分离和沉积等过程，”沙纳指出。“所以我们需要在虚拟环境中模拟这个复杂的过程，使其可见。自C-Zero成立以来，Ansys在帮助我们了解和了解甲烷热解反应器的流动、热和机械特性方面发挥了关键作用，这是我们公司价值主张的核心。”

左：速度矢量显示气泡柱内不同高度处横截面积上的气泡体积分数和速度分布。右图：气泡通过熔融介质上升，在墙壁上产生晃动和动态压力。Ansys仿真可估算热熔融介质柱壁上产生的动态压力，并帮助设计内部结构以减轻该压力。

通过模拟揭示无形的多物理力

当Amit Mahulkar于2021年加入C-Zero担任高级机械热系统科学家时，他的任务是使用Ansys Fluent和Ansys Mechanical来优化公司的进料注入、混合和分离过程，这并不奇怪。多年来，他在本科、研究生和博士学习以及之前的能源研究职位中一直使用Ansys解决方案。

“Ansys是流体和结构仿真以及结构与流体之间复杂相互作用建模的行业标准，”Mahulkar说道。“它帮助我们完善甲烷热解工艺，并为大规模生产做好准备。借助Ansys，我们能够突破可能的极限，没有人类安全风险，几乎不需要物理原型设计，产品开发成本相对较低，并且设计迭代速度很快。”

Mahulkar正在使用Fluent来模拟和优化将天然气注入密度比水八倍的熔融粘性材料的过程。瞬态模拟使他能够优化气泡形成过程、完美流体流动以最大限度地减少晃动、识别和消除高温区域，并最大限度地减少热损失以确保过程的一致性。

Mechanical帮助Mahulkar设计了正确的热解反应器结构，以支持热催化的高温，同时还解决了碳沉积等问题。

“如果碳有沉积在反应器壁上的自然倾向，那么我们就必须考虑到这一点，”他解释道。“我们必须在那些可能聚集固体碳的地方使用更昂贵的材料。”

Mahulkar表示，如果不应用Ansys的仿真工具，几乎不可能优化甲烷热解过程。

“我们讨论的是在密闭容器内使用1000°C 的不透明熔融介质发生的反应，”他指出。“Ansys仿真使我们能够进行时间和空间测量。它使我们能够可视化注射、混合、分离和沉积过程。它使我们能够研究复杂的多物理问题，例如热损失和气泡形成以及化学反应。我无法想象没有Ansys的情况下我的工作会怎样。”

Shaner和Mahulkar都非常感谢有机会通过Ansys启动计划访问Ansys的全套功能以及Ansys Cloud。

带塔盘的泡罩塔中气泡的形成、破裂和聚结。气泡显示为绿色。等值线显示了塔盘表面被气体覆盖的部分。Ansys仿真确定了分散气泡的托盘设计的有效性。

“作为一家仍在证明其概念的小公司，我们根本没有资源来创建内部计算集群或投资传统许可，”Shaner说。“Ansys启动计划为我们提供了优化流程和启动并运行第一个试点设施所需的能力。这对于这项技术的商业化以及为世界各地的能源消费者带来绿松石氢来说具有无价的价值。”

“Ansys的一大优点是其仿真功能的深度和广度，”Mahulkar补充道。“随着我们需求的发展，我们将研究不同的、日益复杂的问题，Ansys将随时为我们提供所需的解决方案。C-Zero正在不断发展，灵活的Ansys工具包将继续支持这种发展。我们的Ansys足迹将与我们公司一起扩大。”