Μοντελοποίηση διασποράς υδρογόνου και άλλων ανωστικών αερίων σε κλειστούς χώρους με τη μεθοδολογία της υπολογιστικής ρευστομηχανικής

Abstract

Ως αποτέλεσμα των ενεργειακών και περιβαλλοντικών προβλημάτων που έχουν ανακύψει τις τελευταίες δεκαετίες κρίνεται απαραίτητη η μείωση του ρυθμού κατανάλωσης των ορυκτών καυσίμων, η αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των σταθμών παραγωγής ενέργειας και η χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στον τομέα μεταφοράς και την παραγωγή ηλεκτρισμού εν γένει. Οι συστοιχίες κυψελών καυσίμου (fuel cells) σε συνδυασμό με το Η2 παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα και νερό. Θεωρούνται αποδοτικοί τροφοδότες ενέργειας ενώ πολλοί υποστηρίζουν ότι δεν σχετίζονται με περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ωστόσο, με τις τρέχουσες τεχνολογίες παραγωγής Η2 ούτε μειώνεται η εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα ούτε οι εκπομπές CO2 γεγονός που αποδεικνύει ότι η χρήση του Η2 ως φορέα ενέργειας, εάν αξιολογηθεί στο σύνολό της, προς το παρόν δεν είναι «καθαρή» τεχνολογία. Το Η2 χρησιμοποιείται εδώ και τουλάχιστον 100 χρόνια σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Ωστόσο, οι τεχνολογίες παραγωγής, αποθήκευσης και διάθεσής του είναι πολύ δαπανηρές για την εφαρμογή τους στις τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας. Επίσης για τον χαρακτηρισμό των κινδύνων που εγκυμονούν κατά τη χρήση του Η2 ως φορέα ενέργειας είναι απαραίτητη η μελέτη ρεαλιστικών συστημάτων σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας οι οποίες εκ των πραγμάτων είναι διαφορετικές από αυτές που επικρατούν στις χημικές και πετροχημικές βιομηχανίες. Για την αποδοχή του Η2 ως φορέα εναλλακτικής πηγής ενέργειας, τα επίπεδα ασφάλειας πρέπει να είναι τουλάχιστον συγκρίσιμα με αυτά των συμβατικών καυσίμων. Στην περίπτωση ατυχημάτων των εγκαταστάσεων υποδομής Η2 η αλληλουχία των φαινομένων είναι η έκλυση, η διασπορά, η έναυση και τέλος η φωτιά ή έκρηξη. Προκειμένου να εκτιμηθεί ο κίνδυνος ανάφλεξης και καύσης, είναι απαραίτητο να μελετηθεί πρώτα η χωρική και χρονική κατανομή του H2 στον περιβάλλοντα χώρο. Σε πολλές περιπτώσεις των εφαρμογών τεχνολογιών Η2 ως φορέα ενέργειας, οι εγκαταστάσεις θα βρίσκονται σε κλειστούς χώρους για λόγους ασφάλειας και απομόνωσής τους από το ευρύτερο περιβάλλον και τον τελικό αποδέκτη ή το κοινό. Από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση πειραματικών και υπολογιστικών μελετών, σχετικών με τις τεχνολογίες Η2, αναγνωρίστηκαν τα παρακάτω ζητήματα ως εκκρεμή ή ελλιπώς μελετηθέντα: πειραματικές μελέτες της έκλυσης και διασποράς Η2/He προκειμένου να εξεταστούν ευρύτερες συνθήκες όπως η θέση, ο προσανατολισμός και η ένταση της έκλυσης, ο προσανατολισμός και το πλήθος και εύρος των ανοιγμάτων αερισμού, η παρουσία εμποδίων στο χώρο και κεκλιμένες οροφές αυτού, εκλύσεις υπό διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες (άνεμος και θερμοκρασία) οι οποίες θα πρέπει να καταγεγραφούν, πειραματικά δεδομένα για την αξιολόγηση των μεθοδολογιών CFD ισχυρών τυρβωδών δεσμών, προσκρουόμενων δεσμών σε τοίχους, εκλύσεις σε πολύπλοκες γεωμετρίες και σήραγγες, έλεγχος αξιοπιστίας της μεθόδου αντικατάστασης της πηγής έκλυσης υπο-εκτονωμένων δεσμών από τις λεγόμενες «φαινόμενες» πηγές, έλεγχος προβλέψεων του φαινομένου διαστρωμάτωσης από ασθενείς εκλύσεις ή εκλύσεις λόγω διαπερατότητας αλλά και των μεθόδων περιγραφής της διαπερατότητας εν γένει, αριθμητικές προβλέψεις φυσικού και μηχανικού αερισμού και πειραματικές και υπολογιστικές μελέτες σεναρίων έκλυσης Η2 σε σταθμούς ανεφοδιασμού. Τα φαινόμενα λοιπόν που συνδέονται με την ασφάλεια των τεχνολογιών Η2 ως φορέα ενέργειας δεν έχουν διευκρινιστεί ακόμα τόσο από πλευράς πληρότητας πειραματικών δεδομένων σε όλο το εύρος των αναμενόμενων συνθηκών λειτουργίας όσο από πλευράς ανάπτυξης και ελέγχου της αξιοπιστίας των υπολογιστικών μέσων όπως οι μεθοδολογίες CFD. Σ’ αυτήν τη διατριβή επιχειρείται η συλλογή πληροφοριών και συστηματική μελέτη προς αυτήν την κατεύθυνση. Καταρχήν παρουσιάζεται ο έλεγχος της αξιοπιστίας και καταλληλότητας του κώδικα ADREA-HF για τη μελέτη σεναρίων έκλυσης και διασποράς Η2 σε κλειστούς χώρους. Σ’ αυτήν την ενότητα της διατριβής παρουσιάζονται υπολογιστικές μελέτες πειραμάτων έκλυσης και διασποράς Η2 (ή He ως υποκατάστατο για λόγους ασφάλειας) σε κλειστούς χώρους με φυσικό αερισμό παρουσία εμποδίων με στόχο τόσο την εκτίμηση των προβλέψεων των υπολογιστικών μοντέλων τύρβης όσο σε γενικότερο πλαίσιο, την μελέτη της επίδρασης άλλων παραμέτρων των υπολογιστικών πρακτικών όπως τα χαρακτηριστικά του πλέγματος και οι οριακές συνθήκες προκειμένου να προταθούν οδηγίες καλής πρακτικής. Επιπλέον, στην περίπτωση των πειραμάτων διαρροής Η2 από το σύστημα συστοιχίας κυψελών καυσίμου παρουσιάζεται μια γενική εκτίμηση του φυσικού αερισμού και συγκρίνονται οι μέθοδοι υπολογισμού του αερισμού με τη χρήση απλοποιημένων μοντέλων (παρόμοια χρησιμοποιούνται για την εφαρμογή της Ευρωπαϊκής Οδηγίας ΑΤΕΧ) και υπολογιστικών μεθόδων. Στην δεύτερη ενότητα της διατριβής παρουσιάζονται εφαρμογές του κώδικα ADREA-HF σε ρεαλιστικά σενάρια με πολύπλοκες γεωμετρίες. Μελετάται η επίδραση του προσανατολισμού της έκλυσης σε σχέση με τη διάταξη των εμποδίων στο χώρο και η επίδραση του ανέμου στη χωρική και χρονική κατανομή του Η2 σεναρίων που αφορούν σταθμούς ανεφοδιασμού. Παρουσιάζεται επίσης μια μελέτη εκτίμησης κινδύνου ενός υποθετικού σταθμού ανεφοδιασμού Η2 με έμφαση στην παρουσίαση της ποσοτικής ανάλυσης των επιπτώσεων των σεναρίων ατυχήματος με τη χρήση CFD. Τα σενάρια αφορούσαν ατυχήματα διαρροής Η2 από διάφορες μονάδες του σταθμού όπως τη μονάδα συμπίεσης, τη μονάδα καθαρισμού και ξήρανσης, το θάλαμο διανομής, τις συστοιχίες αποθήκευσης Η2 και τη μονάδα διάθεσης. Βρέθηκε ότι η παράμετρος που επηρεάζει περισσότερο το μέγεθος του κινδύνου είναι τα χαρακτηριστικά της διαρροής ενώ για τα σενάρια ανοιχτού χώρου, η αύξηση της έντασης του ανέμου δεν επηρεάζει κατ’ αναλογία τα χαρακτηριστικά του αναφλέξιμου νέφους. Ακόμη, αναδεικνύονται σημαντικές διαφορές στην εκτίμηση του κινδύνου (υπό τη μορφή αποστάσεων υπερπιέσεων) όταν τα δεδομένα προέρχονται από το υπολογιστικό εργαλείο CFD ADREA-HF σε σχέση με αυτά από το απλοποιημένο μοντέλο Effects 7.6 το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές. Συγκρίσεις μεταξύ κωδίκων CFD και απλοποιημένων μοντέλων πρέπει να γίνουν στο μέλλον συστηματικά ώστε να αναδειχτούν τα όρια εφαρμογής και ακρίβειας των διαφόρων μεθοδολογιών. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι από τη σύγκριση των διαφόρων μεθοδολογιών εκτίμησης κινδύνου του ίδιου υποθετικού σταθμού ανεφοδιασμού Η2 αναδείχθηκαν σημαντικές διαφορές σε διάφορα στάδια της μελέτης πέραν του σταδίου της ποσοτικής εκτίμησης του κινδύνου (λόγω της χρήσης CFD ή απλοποιημένων μοντέλων) όπως διαφορές στην μέθοδο ποσοτικοποίησης του κινδύνου, διαφορές στα κριτήρια αποδοχής του κινδύνου, διαφορές στην εκτίμηση συχνότητας αστοχίας των συστημάτων, διαφορές στην εκτίμηση της πιθανότητας και του είδους της έναυσης Η2 και τέλος ακόμη και απουσία κοινών σεναρίων για τον ίδιο σταθμό ανεφοδιασμού διότι αυτό τελικά έγκειται στην κρίση του μελετητή. Θα πρέπει λοιπόν στο μέλλον να γίνουν προσπάθειες από τα ενδιαφερόμενα μέρη ώστε να προταθεί μια εναρμονισμένη μεθοδολογία και πρακτική των σχετικών μελετών εκτίμησης κινδύνου προκειμένου το Η2 να εισαχθεί στην αγορά ως φορέας ενέργειας με ασφάλεια.

This thesis presents the assessment and validation of the Computational Fluid Dynamics code ADREA-HF to H2 release and dispersion in enclosures. Numerical studies of experiments of H2 (or He for safety reasons) release and dispersion in enclosures with natural ventilation are presented with the aim to assess the predictions of the turbulence models and the effects of numerical practises in general such as the characteristics of the grid and the boundary conditions applied, to propose best practise guidelines. Additionally, the thesis proposes an overall assessment of the ventilation efficiency based on the simulations and experiments and compares the predictions of the ventilation rates by means of simplified relationships and CFD results. Applications of the code into realistic scenarios in complex geometries are given next. In this part, the effect of the H2 release direction with respect to the obstacles and the wind to the temporal and spatial H2 distribution in refueling stations is being investigated. Furthermore, a Risk Assessment methodology on a predefined hypothetical gaseous H2 refuelling station is described giving emphasis to the quantitative analysis performed using the ADREA-HF code. The most influential, to the risk, parameter was the characteristics of the H2 release. Moreover, large differences were found in the evaluation of the risk in terms of distances of damage by using the results of the widely applied to the industry simplified tool Effects 7.6 and the CFD code ADREA-HF. Comparisons of CFD codes and simpified models is necessary in order to identify and quantify the application limits and the accuracy of each methodology. Finally, it is strongly suggested to propose a harmonized methodology for risk assessment analysis in order to safely introduce H2 as an energy carrier to the market.