CFD-Based Design and Tank Operation of Efficient Hydrogen Storage Systems

Γιαννακούλης,Κωνσταντίνος; Giannakoulis, Konstantinos

dc.contributor.author	Γιαννακούλης,Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Giannakoulis, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2025-11-19T06:15:51Z
dc.date.available	2025-11-19T06:15:51Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62899
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30595
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Υδρογόνο	el
dc.subject	Αποθήκευση	el
dc.subject	Ρευστομηχανική	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Θερμοδυναμική	el
dc.subject	CFD	en
dc.subject	Hydrogen	en
dc.subject	Thermal storage system	en
dc.title	CFD-Based Design and Tank Operation of Efficient Hydrogen Storage Systems	en
dc.contributor.department	Division of marine engineering	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	CFD Optimization	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-06-06
heal.abstract	Hydrogen is widely regarded as the future of energy largely due to the clean combustion properties and also in general to the clean propulsion systems such as fuel cell technology. The high energy density per unit mass of liquid hydrogen makes the option of this fluid more explorable for applications in aerospace, maritime and in general renewable energy storage. The low density of hydrogen challenges the new design of the ships responsible for large-scale transportation of hydrogen. However, the low density of hydrogen presents significant challenges in the design of ships and infrastructure for its transportation. The storage of liquid hydrogen requires low temperatures such as -253 Celsius at 1.5 bar pressure making the design of the tank more challenging avoiding large heat leaks. Addressing these challenges requires innovative engineering solutions to optimize storage efficiency, safety, and economic viability for large-scale hydrogen transport. Due to the critical conditions of temperature and pressure inside the tank, this research focuses firstly on the design of the thermal insulation preventing large heat fluxes. The liquefication of the gas hydrogen requires big amounts of energy, making the reliquefication of boil off gas not a valuable option contrary to the LNG. The scope of the present work is to study the behavior of the liquid hydrogen in cryogenic temperatures, regarding the optimization of the insulation in order to minimize the boil off rate of LH2. This is achieved by studying the LNG tanks in shipping, as they provide the closest comparison in terms of cryogenic storage conditions. In aerospace industry the study of LH2 “Zero Boil-Off” LH2 tanks is quite extensive, offering valuable insights for improving hydrogen storage efficiency. This thesis will examine two case studies. The first one focuses on the optimal design of a spherical tank, which the total insulation thickness is determined by the operational conditions of the ship’s voyage along with the design demands. Depending on these two criteria, the total thickness is determined. In this study, a tank is designed to minimize the loss of 10% of the starting LH2 tank volume in 15 days of sea transportation. In the case of reliquefied hydrogen injection in the cryogenic tank, an optimization simulation is simulated. The goal is to minimize the boil-off of the tank while maintaining high energy efficiency of the injection. This model optimizes the inlet position inside the cryogenic tank and the injection velocity. Finally, the results of the CFD model are presented for 1 minute of simulated time in open-inlet conditions. To accurately analyze the upper cases various models were implemented in this study such as algorithms that solve the Laplace heat equation, CFD tools such to study the behavior of the fluids and the genetic algorithms for optimization of the problem. The algorithms are written in Python and C programming language and the behavior of fluids are studied more analytically in ANSYS environment.	en
heal.abstract	3 Περίληψη Το υδρογόνο θεωρείται το μέλλον της ενέργειας, κυρίως λόγω των καθαρών ιδιοτήτων καύσης και των καθαρών συστημάτων κίνησης, όπως η τεχνολογία κυψελών καυσίμου. Η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα μάζας του υγρού υδρογόνου καθιστά την επιλογή αυτού του ρευστού ιδανική για ανάπτυξη εφαρμογών στην αεροδιαστημική, τη ναυτιλία και την αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας. Η χαμηλή πυκνότητα του υδρογόνου αποτελεί πρόκληση για το νέο σχεδιασμό των πλοίων που είναι υπεύθυνα για τη μεταφορά υδρογόνου σε μεγάλη κλίμακα. Η αποθήκευση του υγρού υδρογόνου απαιτεί χαμηλές θερμοκρασίες, -253 ̊ C σε πίεση 1,5 bar, γεγονός που καθιστά τον σχεδιασμό της δεξαμενής πιο δύσκολο, εφόσον πρέπει να αποφευχθούν μεγάλες θερμικές διαρροές. Λόγω των κρίσιμων συνθηκών θερμοκρασίας και πίεσης στο εσωτερικό της δεξαμενής, η έρευνα επικεντρώνεται καταρχάς στο σχεδιασμό της θερμομόνωσης για να αποτραπούν μεγάλες ροές θερμότητας. Η υγροποίηση του αερίου υδρογόνου απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας, καθιστώντας την επανυγροποίηση του αερίου μη βιώσιμη επιλογή, σε αντίθεση με αυτή του φυσικού αερίου. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς του υγρού υδρογόνου σε κρυογενικές θερμοκρασίες, όσον αφορά τη βελτιστοποίηση της μόνωσης για την ελαχιστοποίηση του ρυθμού βρασμού του LH2. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μελέτη των δεξαμενών LNG στη ναυτιλία, καθώς παρέχουν την πλησιέστερη σύγκριση όσον αφορά τις συνθήκες κρυογονικής αποθήκευσης. Στην αεροδιαστημική βιομηχανία η μελέτη των δεξαμενών LH2 “ Zero Boil-Off” είναι αρκετά εκτεταμένη, προσφέροντας πολύτιμες γνώσεις για τη βελτίωση της αποδοτικότητας της αποθήκευσης υδρογόνου. Η παρούσα εργασία εξετάζει δύο μελέτες της κρυογονικής δεξαμενής . Η πρώτη επικεντρώνεται στον βέλτιστο σχεδιασμό μιας σφαιρικής δεξαμενής, της οποίας το συνολικό πάχος μόνωσης καθορίζεται με βάση τις λειτουργικές συνθήκες του ταξιδιού και τις απαιτήσεις σχεδίασης του πλοιοκτήτη. Σύμφωνα με τα δύο αυτά κριτήρια προσδιορίζεται το απαιτούμενο πάχος μόνωσης. Στην παρούσα μελέτη, σχεδιάζεται μια δεξαμενή με σκοπό να περιοριστεί η απώλεια LH₂ στο 10% του αρχικού όγκου της δεξαμενής κατά τη διάρκεια 15 ημερών θαλάσσιας μεταφοράς. Στη δεύτερη περίπτωση, εξετάζεται η έγχυση επαναυγροποιημένου υδρογόνου σε κρυογονική δεξαμενή μέσω αριθμητικής βελτιστοποίησης. Στόχος είναι η ελαχιστοποίηση των απωλειών λόγω εξάτμισης, διατηρώντας ταυτόχρονα υψηλή ενεργειακή απόδοση κατά την έγχυση. Το αριθμητικό μοντέλο βελτιστοποιεί τόσο τη θέση της εισόδου στο εσωτερικό της δεξαμενής όσο και την ταχύτητα έγχυσης. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του υπολογιστικού μοντέλου CFD για χρονική διάρκεια ενός λεπτού υπό συνθήκες ανοιχτής εισόδου. Για την ακριβή ανάλυση των παραπάνω περιπτώσεων εφαρμόστηκαν διάφορα μοντέλα στην παρούσα μελέτη, όπως αλγόριθμοι που επιλύουν την εξίσωση θερμότητας Laplace, εργαλεία CFD, που αφορούν τη μελέτη της συμπεριφοράς των ρευστών, καθώς και γενετικοί αλγόριθμοι για τη βελτιστοποίηση του προβλήματος. Οι αλγόριθμοι είναι γραμμένοι σε γλώσσα προγραμματισμού Python και C	el
heal.advisorName	Papadopoulos, Christos	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Papadakis, George	en
heal.committeeMemberName	Dimopoulos, George	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θαλάσσιων Κατασκευών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	87
heal.fullTextAvailability	false