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 構造解析・流体解析などのシミュレーションを手掛ける米Ansysの日本法人アンシス・ジャパン(東京・新宿)は、水素をエネルギー源として活用する際の製造、貯蔵・輸送、利用にわたるシミュレーション技術の概要を明らかにした(図1)。水素関連の技術開発に取り組む顧客から個別に問い合わせを受けて対応し、さまざまな局面での解析技術を蓄積できたと説明する。シミュレーション製品やサービスとしてメニュー化しているわけではなく「もっと体系的に説明できるようにするのが課題だが、問い合わせに応じて説明している状況」(アンシス・ジャパン)という()。

図1 水素エネルギー利用の工程ごとのシミュレーション
図1 水素エネルギー利用の工程ごとのシミュレーション
大きく分けて製造、貯蔵・輸送、利用の各段階で、それぞれシミュレーション計算のニーズがある。(出所:アンシス・ジャパンへの取材を基に日経クロステック作成)
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 水素は爆発の危険もあり、高温環境下での反応実験などは簡単ではない。さらに、実験設備と実プラントでは規模が異なり、実験設備の稼働条件などをそのまま実プラントには適用できない。そのため、コンピューターでの事前シミュレーションの実施が必須になる。アンシス・ジャパンによれば、近年水素サプライチェーンに関わる案件に対してシミュレーションの支援を提供する機会が増えたという。

 水素エネルギーの活用は、水素発生源(原料)の取得、水素の製造、輸送・貯蔵、利用といった要素から成る一連のサプライチェーンの実現で可能になるものであり、技術的な課題は各工程で1つひとつ解決する必要がある。シミュレーション技術もさまざまな工程でニーズが生じている。

表 Ansysによる水素エネルギー関連のシミュレーション技術
(出所:Ansysの資料を基に日経クロステックが作成)
区分シミュレーションの対象シミュレーションの目的/テーマ特徴的なシミュレーションの方法/モデル
製造バイオマス熱分解乾留ガスの生成量増加乱流・混相流モデル、化学反応モデル、DEM(Distinct Element Method)粉体モデル
乾留ガスからの固体除去効率化
バイオマス・メタン熱分解熱分解反応の高速化
溶融金属によるメタン分解液膜(溶融金属膜)モデリング(メッシュより薄い液膜を扱う)、乱流・混相流モデル、化学反応モデル、DEM粉体モデル
石炭・褐炭熱分解乾留ガスの生成量増加乱流・混相流モデル、化学反応モデル、DEM粉体モデル
固体高分子(PEM)形水電解スタックの出力密度向上PEM電解槽モデリング、多孔質電極モデリング
固体酸化物形水電解高効率な固体酸化物電解セル(SOEC)の設計SOECモデリング、多孔質電極モデリング
水蒸気改質(SMR)水蒸気改質の効率向上1D-3D連成シミュレーション
熱マネジメントの精度向上縮退モデルによるデジタルツイン
貯蔵・輸送高圧水素タンク耐久性を確保した軽量化炭素繊維・金属ライナー複合モデル、マルチスケール亀裂伝播解析
脆化を考慮した材料選択材料データベース
水素漏出時の着火性(危険性)確認LES(Large Eddy Simulation)乱流モデルと化学反応モデルの併用、ワークフロー自動化による漏出穴サイズのパラメータースタディ―
液体水素昇圧ポンプキャビテーション予測回転翼モデリング、構造解析、流体解析、材料選択などのワークフロー自動化
低温での水素脆化の考慮
水素圧縮ポンプ水素圧縮ポンプの設計
利用水素の燃焼現象窒素酸化物の予測、燃焼温度の予測有限速度(Finite Rate)反応モデル、SBES(Stress-Blended Eddy Simulation)乱流モデル、FGM(Flamelet Generated Manifolds)燃焼(火炎面)モデル
リーン燃焼リーンブローアウト(燃焼限界)の予測FR反応モデル、FGM燃焼モデル、各種乱流モデル
一酸化炭素、窒素酸化物、火炎速度の予測
ガスタービンフラッシュバック現象の確認Poly-Hexcoreメッシュ(六面体ベースで大きさ可変)、SBES乱流モデル、FGM燃焼モデル
既存燃料との併用可能性確認・混焼時の確認
燃料電池高効率な燃料電池の設計不連続メッシュによる複雑な流路のモデリング、1Dシミュレーションによるデジタルツイン