水素・燃料アンモニア
水素・アンモニア燃料は燃焼時にCO2を排出しないため、カーボンニュートラル実現の重要なエネルギーリソースとして期待されています。燃料電池自動車（FCV）における水素の利用や、大型船舶の燃料としてのアンモニアの利用といったモビリティ用燃料に加え、発電分野でも水素・アンモニア燃料の利用は進められています。
日本政府は令和5年「GXに向けた基本方針」を閣議決定し、水素・アンモニアの導入を促進する方針を明確にしました。この中で、制度構築やインフラ整備、燃焼技術開発とモビリティ分野での商用利用拡大、生産・供給体制構築支援などが示されています。
水素関連の市場規模は今後拡大が見込まれ、2040年には90兆円程度に達すると試算されています。しかし、従来の炭化水素燃料とは異なる特性を持つため、実用化に向けては課題もあります。そこで、水素・アンモニア燃料を利用する機器の設計には、実験だけでなくCAEによる事前検討が有効です。
水素・アンモニア発電
既存のガス火力発電所において、水素を天然ガスと混焼することでCO2排出量の削減が可能です。アンモニアに関しては既存の石炭火力発電所にて石炭と混焼することで石炭の使用量を削減し、CO2排出量を大幅に削減する試みが始まっています。
さらに、水素単体での燃焼技術に対する開発も盛んに進められており、将来的には発電時CO2フリーな水素専焼火力発電所が計画されています。また、これらの発電に用いられる水素・アンモニアを再生可能エネルギーや原子力を利用して製造することで、カーボンフリーな発電の実現が期待されています。
既存の知見が及ばない新たなコンセプトの機器・設備の研究開発にCAEの利用は欠かせません。
1Dシステムシミュレーション編：水素・アンモニア燃料に関するCAEシミュレーション事例
水素とアンモニア燃料は従来の炭化水素燃料とは異なった性質を持ち、燃焼時に発生する物質も異なります。したがって、実物の試作品や試験設備等を製造する前に、それらの設備や製品のシステム全体におけるエネルギー効率やエミッション、過渡応答などに対して十全の事前検討が必要となります。この資料では1次元のCAEを用いたシステム全体を対象とした事前検討例を紹介いたします。
3Dシミュレーション編：水素・アンモニア燃料に関するCAEシミュレーション事例
水素とアンモニア燃料は従来の炭化水素燃料とは異なった特性を持ちます。特に水素は気体のままでは輸送性が悪いため極低温液体にして扱わねばならず、配管やポンプ等に特殊な設計が必要となります。また、燃焼速度も従来燃料と比べ非常に速く、新しい設計の燃焼器が必要です。この資料では3次元のCAEが燃焼器やポンプの設計にどのように役立つかを紹介しています。
水素とシミュレーションのパワー：排出量を削減し、ネットゼロ実現を促進
水素はカーボンニュートラルソリューションの重要な部分を占めていますが、燃焼させると逆火、音響不安定性、自己発火などの問題が生じます。こうした問題はシミュレーションを活用することで克服が期待されます。本資料では、水素のエネルギー利用にあたってのシミュレーションの有用性を解説しています。
アンモニア燃焼解析
-ラボスケール旋回燃焼器におけるアンモニア燃焼実験の解析-
アンモニアはカーボンフリー燃料として直接利用する試みが進められていますが、既存の炭化水素燃料とは異なった扱いが必要となります。本資料では、ラボスケールの旋回燃焼器におけるアンモニア燃焼実験に対する数値流体解析を行い、どのような解析結果が得られるのかをご紹介します。
水素貯蔵
水素は常温下では液化せず、従来の化石燃料と比較して単位体積当たりのエネルギー密度が非常に小さいといった特性があります。そのため、貯蔵や輸送を行うには液化する-253℃まで温度を下げるか、大気圧の800倍以上の高圧にする必要があり、冷却器や圧縮機の使用が必須となります。加えて、減圧時に温度が上昇するという物理特性から、高圧水素をFCV等のタンクへ充填する際にはあらかじめ冷却しておく必要があります。このように水素のインフラは状態変化時のコストが大きく、効率化が求められています。超高圧、超低温、相変化等、実在気体効果が如実に影響を及ぼす機器・設備の研究開発にCAEの利用は欠かせません。
水素を製造してエネルギーとして貯蓄
再生可能エネルギーの生産が増加したことで、水素を製造して電力として貯蔵する実用的な解決策として、プロトン交換膜水電解への関心が高まっています。
本資料では、流体シミュレーションソフトウェアAnsys Fluentを用いたスペインの国家プロジェクトENHIGMAの事例をご紹介しています。
インタビュー：国立研究開発法人 物質・材料研究機構（NIMS） 様 次世代のエネルギーとして期待高い水素液化システムの開発に Ansysシミュレーションを活用
NIMSの液体水素材料研究センターでは、高効率での液体水素の製造を可能とする磁気冷凍技術に関わる材料、システムの開発が行われています。センターのミッションや技術の実用化、社会実装を目指した取り組みや展望、また活用されているAnsysにおける成果や課題などについてお話を伺いました。
NanoSUM社が水素燃料を安全かつ大量に供給
水素燃料の普及には製造だけでなく、貯蔵、輸送、供給を適切に行うことも重要となってきます。本資料では、グリーンな水素充填ソリューションの開発、製造、商業化に特化した受賞歴のあるエンジニアリング企業であるNanoSUN社での流体力学シミュレーションソフトウェアAnsys Fluentの活用をご紹介します。
高圧水素漏洩と自着火の数値解析 -狭小部より漏洩した高圧水素の数値流体解析による着火予測-
水素(H2)は燃料電池自動車をはじめとした移動手段の燃料としての利用が開始されており、航空機や船などにもその用途は拡大しています。しかし、高圧水素タンクは、水素の低い着火エネルギと広い燃焼範囲を考慮すると空気中に漏洩した際に自発的に着火する可能性があり、人員的被害や、機器や環境の破壊が危惧されます。そのため、安全な水素の貯蔵・輸送方法の確立はこれを利用するすべての業界にとって重要な課題となっています。本事例では、LESと有限速度化学反応モデルを用いた乱流と反応の相互作用を詳細に考慮した解析を行い、現象のさらなる理解を目指します。
水素システムのモデリングとシミュレーション ~水素（メタン、アンモニアを含む）エネルギーシステムのシミュレーション~
水素は二酸化炭素などの有害な排出物を出さないため、近年エネルギー源として注目されていますが、液体水素は可燃性が高く、取扱いが難しいため、高度な技術が要求されます。本資料では、水素のエネルギーシステムについて事例をご紹介いたします。
回転機械
水素タービンをはじめとした回転機械を高効率化することで、発電時のエネルギー効率を向上させることができます。回転機械の高効率化を目指すためには、最適な形状設計や材料選択、最適な冷却システムといった取り組みが必要です。これら多くの要素を考慮して設計を行うためにはCAEの活用は不可欠です。
熱流体システムシミュレーションによる環境規制対応、省エネの検討
ポンプやタービン等の回転機械やボイラーなどの機器を組み合わせた大規模システムの発電プラント、パイプシステム、空調設備などについて、システムレベルの熱流体シミュレーションをFlownexで行いました。
ポンプやタービンをはじめとした流体機械の省エネ・高効率化を実現するために ～Ansys回転機器流体ソリューション～
ポンプ、タービン、コンプレッサ、ファンといった回転機械の、省エネ・高効率化・低騒音を実現するために、Ansys Blade Modeler、Ansys Vista、Ansys CFDを活用して計算しました。
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私たちは35年以上の歴史で培った経験と、豊富なシミュレーション技術で課題を解決します
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よくある質問
Q.自社でのシミュレーションが難しいのですが、委託できますか？
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Q.課題がありますが、何から手をつけたらよいか分かりません。
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Q.自社と似た事例を詳しく知りたいです。
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Q.費用はどのくらいかかりますか？
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