Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorPaltrinieri, Nicola
dc.contributor.advisorNiemi, Ranveig
dc.contributor.authorÅsholt, Helene Øygård
dc.date.accessioned2021-09-24T18:10:14Z
dc.date.available2021-09-24T18:10:14Z
dc.date.issued2020
dc.identifierno.ntnu:inspera:57228253:20899230
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2781648
dc.descriptionFull text not available
dc.description.abstractInteressen for å ta i bruk fornybare energikilder er voksende. Norge jobber mot å bli et lavutslippssamfunn, og hydrogen er forventet å være en del av løsningen for å redusere de totale utslippene av drivhusgasser. En av de begrensende faktorene for å implementere hydrogen som drivstoff er eksisterende infrastruktur. Antallet fyllestasjoner er fortsatt lavt, noe som gjør hydrogen til et mindre attraktivt drivstoffvalg, både for vann- og landbaserte transportmidler. På lang sikt er transport av komprimert hydrogengass i rør den beste løsningen, men i den innledende fasen er transport av flytende hydrogen med tankbiler det mest lønnsomme. En annen begrensende faktor er sikkerheten knyttet til bruk av hydrogen. Slik som andre tradisjonelle drivstoff er også hydrogen lettantennelig. Gasskyer av hydrogen og luft krever kun 0.02 mJ for å antenne. I tillegg er hydrogen-luft blandinger brennbare for konsentrasjoner mellom 4 og 75 volumprosent. Hydrogengass ved atmosfærisk trykk og temperatur har lav tetthet, hvilket er en fordel i åpne og ventilerte områder. Flytende hydrogen har høyere tetthet enn luft og kan danne dammer med flytende hydrogen som gjør at det tar lengre tid før hydrogenet fordamper og blandes med luft. I avgrensede områder som for eksempel en tunnel, kan hydrogenutslipp føre til akkumulering av brennbare gasskyer. Gjennom bedre forståelse av hydrogens utslippsdynamikk og eventuelle konsekvenser av utslipp, vil man kunne utvikle bedre preventive og mitigerende tiltak for å redusere forekomsten av ulykker og begrense konsekvenser. Dette arbeidet presenterer en simuleringsstudie med numerisk fluiddynamikk (CFD) der effekten av ulike parametre på spredningen av flytende hydrogen studeres. Simuleringene er utført for utslipp i tunnel, ved fyllestasjon og i helt åpent område for å studere effekten av avgrensning. De ulike variable parametrene for utslipp i tunnel er ventilasjon, utslippsrate og retning på utslippene. Resultatene viser at ventilasjon har stor innflytelse på totalt brennbart volum. Både det totale brennbare volumet og eksponeringstiden reduseres med ventilasjon i tunnel. Det maksimale brennbare volumet var tilnærmet likt for utslippsrate lik 1 kg/s og 0.1 kg/s, men hydrogenkonsentrasjonen var høyere for utslippsrate lik 1 kg/s. For vertikale utslipp var det maksimale brennbare volumet betydelig større enn for horisontale utslipp. I tillegg forblir brennbare hydrogen-luft blandinger i tunnelen lengre ved vertikale utslipp. Det brennbare volumet var større for utslipp ved fyllestasjon enn i åpent område når vindhastigheten er høy. Dette betyr at avgrensningen fyllestasjonen skaper, forverrer konsekvensene ved utslipp av hydrogen. Med høy vindhastighet blir det maksimale brennbare volumet betydelig redusert for utslipp ved fyllestasjon og i åpent område. I tillegg fortynnes gasskyen raskt etter utslippet er stoppet.
dc.description.abstractIn order to lower the total greenhouse gas emissions it is necessary to implement new low- and zero-emission energy sources. Hydrogen and fuel cells are expected to be a part of the solution. However, one of the limiting factors for large-scale implementation of hydrogen is the infrastructure in place. In the long run, transport of compressed hydrogen gas using pipes is the most viable solution. In the initial stages of implementation, bulk transportation of liquid hydrogen by road tankers can be expected. Another limiting factor for implementation of hydrogen as a fuel is safety. Similar to conventional fuels, hydrogen is a highly reactive substance. The energy required to ignite hydrogen gas is only 0.02 mJ and it is flammable over a large range of concentrations (4–75 percent by volume). Thus, accidental releases of hydrogen may cause hazardous events. In light of this, it is important to have knowledge about the possible consequences of a hydrogen release. Hydrogen gas at atmospheric conditions has a low density, which is beneficial in open and well-ventilated areas. On the other hand, liquid hydrogen is denser than air and may cause pool formation upon a release, posing a higher risk of ignition. In confined spaces, such as tunnels, hydrogen releases may result in accumulation of flammable hydrogen-air mixtures. Through better understanding of the possible consequences of accidental hydrogen releases, preventive and mitigating measures can be developed in order to minimize the probabilities of an accident and limit the consequences. This work presents a simulation study of liquid hydrogen releases using computational fluid dynamics (CFD). The study was carried out to investigate the effect of various parameters on the dispersion of released liquid hydrogen. Simulations were carried out for releases in a tunnel, at a fuel station and in an open environment to study the influence of confinement on hydrogen dispersion. For releases in a tunnel, the effect of ventilation, mass flow rate and release direction were studied. The results showed that ventilation has a significant effect on the flammable volume resulting from a release. The flammable volume was kept at a constant value during the release, and the hydrogen cloud was diluted below the flammability limit quickly after the end of the release. Hydrogen releases with mass flow rate 1 kg/s and 0.1 kg/s gave approximately the same maximum flammable volume. However, the hydrogen concentrations were higher when the mass flow rate was larger. Vertical hydrogen releases gave significantly higher flammable volumes than horizontal releases. In addition, the released hydrogen persisted in the tunnel for a longer period for vertical releases. For releases in a fuel station and an open area the effect of wind speed was studied. With higher wind speeds, the maximum flammable volume was significantly reduced compared to lower wind speeds. Additionally, the flammable cloud was diluted below the flammability limit a few seconds after the end of the release. With high wind speeds, the maximum flammable volume was larger for releases at a fuel station compared to releases in an open environment. This means that the semi-confined space in the fuel station slightly worsens the consequences of a release.
dc.language
dc.publisherNTNU
dc.titleComputational Fluid Dynamics Modeling of Liquid Hydrogen Release and Dispersion
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

FilerStørrelseFormatVis

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel