Globe fabrica megavatios de hidrógeno con simulación
La empresa de tecnología de sistemas de pilas de combustible utiliza el software Ansys para optimizar sus diseños neutros en carbono.
Recientemente, la Asamblea General de las Naciones Unidas (ONU) anunció que recurriría a la Corte Internacional de Justicia para definir las obligaciones de otros países frente al cambio climático. Antes de la votación, el Secretario General de la ONU, Antonio Guterres, se refirió a un reciente informe publicado por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, que sugiere que aún es posible limitar el calentamiento global a 1,5 ̊C por encima de los niveles preindustriales, pero que nos estamos quedando sin tiempo.1
El hidrógeno es una de las muchas soluciones viables para reducir las emisiones de carbono y frenar el calentamiento global. Es un gas versátil y abundante que, sometido a determinados procesos químicos, genera electricidad. Sin embargo, no se produce de forma natural y debe extraerse y convertirse a partir del agua u otras sustancias.2 El hidrógeno resultante puede utilizarse después para generar energía limpia sin emisiones de gases de efecto invernadero mediante pilas de combustible.
El Dr. Bernhard Wienk-Borgert, cofundador y Director Técnico de Globe Fuel Cell Systems, es un apasionado de su trabajo con pilas de combustible de hidrógeno y del impacto positivo que esta tecnología puede tener en el medio ambiente. Wienk-Borgert ve tanto responsabilidad como oportunidad en el desarrollo de pilas de combustible y sistemas de pilas de combustible.
«Actualmente tenemos los conocimientos y la tecnología para hacer más por el medio ambiente», afirma Wienk-Borgert. «Globe está poniendo en marcha esta idea a través de nuestra visión de sistemas energéticos inteligentes y modulares conectados a la nube basados únicamente en la tecnología de pilas de combustible. Para nosotros, la simulación de Ansys ayuda a encontrar oportunidades de escalado a lo largo de toda la cadena de diseño que pueden reducir el coste de desarrollo del sistema de pila de combustible hasta en 150.000 dólares y ayudarnos a llevar nuestra tecnología de hidrógeno al mercado mucho más rápido.»
La empresa de tecnología de pilas de combustible trabaja a partir de un lienzo en blanco utilizando la simulación para definir sus aplicaciones y sistemas de pilas de combustible con visión de futuro, así como los específicos para las necesidades de sus clientes con el apoyo de Ansys, y el socio de canal de Ansys CADFEM.
Cuando el hidrógeno es una cuestión de intralogística
El producto estrella de Globe es el XLP-80, un sistema híbrido de pila de combustible de hidrógeno que, combinado con una batería de iones de litio, ofrece una solución energética de alta potencia para alcanzar objetivos de neutralidad de carbono. Está diseñado específicamente para la intralogística, que implica la optimización y automatización de cada dato dentro de espacios industriales como centros de distribución, almacenes y aeropuertos.
A diferencia de otras aplicaciones de pilas de combustible, la combinación híbrida de pila de combustible y batería de iones de litio del XLP-80 puede recargarse en menos de cinco minutos, lo que reduce el tiempo de inactividad debido a la carga y elimina los costosos cambios de batería para aumentar la productividad.
El sistema híbrido cerrado de pila de combustible de hidrógeno de tres bucles de Globe consta de un bucle catódico, que mueve el aire desde la entrada del sistema hasta la pila; un bucle anódico, también conocido como bucle de hidrógeno; y un bucle de refrigeración. La integridad global del sistema depende de la gestión térmica. Para el equipo de Globe, la simulación es el puente hacia la comprensión de la dinámica de fluidos que interviene en el entorno del sistema de pilas de combustible, lo que permite realizar cálculos precisos del flujo de aire y refrigerante, la temperatura y las caídas de presión que conducen a diseños de sistemas más seguros y estables.
Una simulación hecha a medida
Ejecutar el diseño del sistema de pilas de combustible de Globe requiere primero una cuidadosa selección de componentes de varios proveedores. A partir de una hoja de requisitos específica, el equipo analiza numerosos componentes del mercado para determinar su viabilidad en una aplicación concreta. Tras sopesar cuidadosamente esta información con los comentarios de los proveedores, se procede a la selección final.
«Gran parte del trabajo preliminar durante el desarrollo de un sistema de pilas de combustible consiste en identificar un componente e intentar compararlo con la simulación», explica Wienk-Borgert. «Este proceso nos ayuda a identificar si realmente nos sirve o si no va a satisfacer los requisitos de nuestro sistema». Sea cual sea el resultado, lo más importante es que, gracias a la simulación, podemos tomar esta decisión en una fase muy temprana del proceso de desarrollo, lo que nos beneficia a nosotros y a nuestros proveedores».
Que un componente pase el corte final no significa que se ajuste perfectamente a los requisitos del sistema de pila de combustible de Globe. Por ejemplo, un componente con un flujo másico del 95% puede seguir funcionando. Aquí es donde el uso de herramientas Ansys es inestimable. La simulación ayuda a Globe a resolver la ambigüedad con un análisis preciso del potencial de un componente, que en última instancia determina la elección del proveedor.
La ciencia tras los fenómenos
Una vez colocados todos los componentes, el equipo de Globe simula el bucle individual del sistema, cada componente único y, por último, todo el sistema de bucle cerrado. A continuación, se utiliza Ansys SpaceClaim para preparar la geometría para el mallado y hacerla apta para el modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) en Ansys Fluent, la clave para calcular y validar diversos fenómenos de fluidos en el sistema de bucle cerrado de Globe. Ansys Mechanical también se utiliza para el análisis estructural del diseño general del sistema de pilas de combustible.
Como la refrigeración es una de las características clave del sistema de pilas de combustible de Globe, el equipo probó primero el bucle de refrigeración. Los resultados de la simulación se utilizaron para alcanzar una temperatura delta específica, algo muy importante para la gestión térmica de la pila de combustible. Establecer este requisito ayuda a determinar cuánto caudal de aire se necesita en todo el sistema para alcanzarlo. Por último, se simula el empaquetado de todo el sistema para lograr un diseño optimizado del mismo.
«El software Ansys nos ayuda a encontrar respuestas definitivas a muchas preguntas que conducen a una optimización más rápida del sistema de pilas de combustible», dice Wienk-Borgert. «Por ejemplo, cuando hemos hecho el bucle completo, no sólo comprendemos el rendimiento de cada bucle, sino cómo funcionará como parte de todo el sistema de bucle cerrado».
Globe cierra el círculo de las pruebas físicas
Quizá la mayor ventaja de las pruebas digitales para Globe durante la validación de sistemas de pilas de combustible de hidrógeno sea la posibilidad de minimizar tanto la complejidad como el coste de trabajar con un bucle de pruebas físico, que requiere un prototipo de todo el sistema atornillado. Con la simulación, el equipo puede llegar a la misma conclusión después de una sola ronda de pruebas, en lugar de tres, información que puede compartirse fácilmente de forma digital entre los equipos.
«La simulación nos da la oportunidad de reducir el número de pruebas físicas, así como la complejidad y el número de prototipos físicos que tenemos que construir para entender las diferentes condiciones y los diferentes valores físicos que queremos alcanzar», dice Wienk-Borgert. «No necesitamos un subsistema ni un banco de pruebas en bucle, lo que al final nos ahorra dinero».
El ahorro de tiempo conseguido durante la simulación también se extiende al nivel de comunicación que se produce entre los equipos durante el desarrollo. Antes, la implementación de un módulo de pila o una bomba de agua, por ejemplo, requería tres rondas de pruebas físicas y muchas idas y venidas del equipo de embalaje para determinar si un componente satisfacía realmente los requisitos iniciales.
Al final, la simulación favorece mucho más el enfoque ágil de Globe en el desarrollo de sistemas de pilas de combustible. Ofrece datos definitivos en tiempo real durante todo el proceso de desarrollo que pueden compartirse sin esfuerzo entre todas las partes interesadas del proyecto. Este intercambio de datos sin fisuras reúne a varios equipos, lo que permite una mayor colaboración a través de la digitalización.
No hay confusión. La información fiable procedente de la simulación llega antes a los equipos, lo que les permite ser más adaptables y abordar con confianza los problemas antes.
