D3T4H2S
Un model digital bazat pe date pentru recipiciente de stocare a hidrogenului răspunzând provocărilor de tranziție energetică
COFUND-LEAP-RE-D3T4H2S
Programul Europe Horizon - LEAP-RE: COFUND-LEAP-RE-D3T4H2S
Contract de finantare pentru executie de proiecte nr. 11/2024.
Buget total: 425 000 Euro. Perioada de implementare: 1 Septembrie 2023 - 31 August 2025 (24 luni).
Buget UDJG: 55 000 Euro.
Descrierea proiectului
Manifestarea energiei regenerabile, cum ar fi hidrogenul, necesită depozitare și transport în condiții de siguranță de la locul de producție la utilizatori. Prin urmare, este necesar să se efectueze cercetări și să se valorifice noile tehnologii în acest domeniu. Stocarea criogenică a hidrogenului este în prezent în centrul atenției industriilor auto, aeronautică și aerospațială. Principalele avantaje ale utilizării hidrogenului lichid criogenic sunt densitatea sa relativ mare, chiar și la presiuni scăzute și atmosferice, ceea ce oferă siguranță, compactitate și o rază de acțiune mare pentru călătoriile pe distanțe lungi. Cu toate acestea, pierderile prin fierbere datorate antrenării căldurii prin pereții vasului de stocare reprezintă cea mai importantă provocare pentru stocarea hidrogenului lichid la bordul navei. Pentru a minimiza această pierdere prin fierbere, depozitarea hidrogenului lichid trebuie să utilizeze rezervoare criogenice izolate care prezintă performanțe, durabilitate și siguranță excelente. Proiectarea rezervoarelor criogenice pentru aplicații în domeniul automobilelor sau al aeronavelor necesită un efort sinergic între dezvoltarea materialelor, proiectarea materialelor compozite, planul de laminare, asamblarea diferitelor componente și analiza defecțiunilor materialelor. Alegerea unei matrici armate adecvate, rezistente la microfisuri și compatibile din punct de vedere chimic pentru astfel de recipiente poate fi o provocare. Temperaturile extreme de pe pereți ar putea deteriora compozitul, reducând astfel siguranța și fiabilitatea rezervorului. Prin urmare, înțelegerea microfisurilor, a propagării daunelor și a permeabilității rezultate a hidrogenului lichid în condițiile de funcționare a rezervorului ar trebui să fie un criteriu principal pentru optimizarea acestor structuri de rezervoare. Proiectul D3T4H2S propus are ca scop eliminarea acestui decalaj prin construirea unui geamăn digital al recipientelor de hidrogen termoplastic biodegradabil ranforsat cu nanofiller, cu o mai bună reciclabilitate. Metodologia noastră se bazează pe o abordare hibridă care implică modelarea la scară multiplă și caracterizarea experimentală avansată, reflectând expertiza echipei noastre interdisciplinare și reunind experiența în proiectarea materialelor compozite, studiul experimental al comportamentului lor termomecanic și modelarea numerică a acestora, precum și utilizarea învățării automate pentru procesul de optimizare. În acest context, un instrument de proiectare axat pe datele experimentale va permite dezvoltarea unor modele robuste axate pe răspunsurile termomecanice cuplate ale rezervoarelor de hidrogen, luând în considerare efectele microstructurale și localizarea deteriorării, precum și sensibilitatea căptușelii ranforsate la umiditate și temperatură. O atenție deosebită va fi acordată problemei permeabilității atunci când hidrogenul se află în stare criogenică. În cele din urmă, acest proiect va avea ca scop dezvoltarea unui geamăn digital hibrid care îmbunătățește procesul decizional strategic prin furnizarea unui sistem expert bazat pe modelarea bazată pe fizică; acest lucru va permite evaluarea și optimizarea în timp real a fiabilității și sustenabilității rezervoarelor de stocare a hidrogenului, menținând în același timp costurile în conformitate cu cerințele pieței de mobilitate și cu provocările inerente tranziției energetice.
LEAP-RE Site
Obiectivele proiectului
Piața hidrogenului verde va crește probabil semnificativ în următorii ani, deoarece există o cerere mai mare de surse de energie curată, iar guvernul face mai multe eforturi pentru a construi un mediu durabil. Hidrogenul ar putea fi o parte vitală a unui sistem energetic durabil în viitor, deoarece poate contribui la eliminarea carbonului din sectorul transporturilor. Descoperirile din domeniul științei materialelor și al inteligenței artificiale (AI) conduc la multe științe și tehnologii noi, cum ar fi tehnologiile ecologice ale hidrogenului. Aceste tehnologii încearcă să răspundă provocării de a reduce emisiile de dioxid de carbon pentru a contribui la combaterea schimbărilor climatice și a crizei energetice. Așadar, este clar că AI este o modalitate de a face mediul mai sustenabil. Proiectul abordează o provocare globală în atingerea obiectivelor de energie curată și la prețuri accesibile prin proiectarea unui recipient de stocare la scară mică, în colaborare cu SVERTICAL (un partener industrial). Complexitatea subiectului este strâns legată de numeroase aspecte care implică știința materialelor, termomecanica structurală și proiectarea structurii. Tratarea holistică a acestor aspecte depășește posibilitățile unui singur proiect de cercetare. Astfel, atenția se va concentra în principal asupra elaborării unei poliamide 12 hibride armată cu fibre de carbon și dopată cu nanotuburi de carbon pentru proiectarea de vase compozite criogenice ultraușoare (ULCCV) și asupra studiului la scară și multifizicitate al comportamentului său pe termen lung la temperaturi criogenice, al performanțelor sale de permeabilitate și al problemei inițierii și propagării daunelor. Ambiția candidaților pentru acest domeniu principal este de a dezvolta materiale de bază pentru ULCCV care să asigure integritatea structurală și o rezistență adecvată la microfisuri în fața unor substanțe chimice, termice și mecanice dure, precum și dezvoltarea unui instrument expert pentru o mai bună gestionare a ciclului de viață și o întreținere predictivă precisă, permițând reducerea costurilor și menținerea unui avantaj competitiv pentru aplicațiile pe bază de hidrogen. Aceasta din urmă are sens în digitalizare prin dezvoltarea de gemeni digitali și/sau hibrizi dedicați predicției și corecției în timp real.
Rezultate estimate
Proiectul nostru are ca scop dezvoltarea tehnologiei de stocare a hidrogenului, care este esențială pentru atingerea obiectivelor net zero (a se vedea Agenda 2030 pentru dezvoltare durabilă). Această finanțare inițială va face legătura între expertiza noastră multidisciplinară în domeniul modelării și experimentele practice și procesul de fabricație cu partenerul nostru industrial. Vizita planificată pe teren va oferi modelatorilor informații complete despre procesele industriale și va construi un parteneriat industrial, plasându-ne în mod unic în poziția de a produce, testa și dezvolta un geamăn digital pentru vasele de stocare a hidrogenului, de la concepție până la implementarea completă. Ca parte a planului său de decarbonizare a regiunii, Uniunea Europeană (UE) investighează modul în care hidrogenul regenerabil poate fi utilizat pentru a reduce emisiile. Mai puțin de două procente din consumul actual de energie al Europei provine din hidrogen. Gazul natural este utilizat în proporție de 96% în generarea hidrogenului, ceea ce duce la emisii substanțiale de CO2. Capacitățile de stocare a hidrogenului sunt benefice pentru rețelele de energie, deoarece asigură stocarea masivă și pe termen lung a energiei regenerabile. Capacitatea hidrogenului de a echilibra cererea și oferta în perioadele de producție excedentară sau deficitară de energie este de bun augur pentru utilizarea sa în creșterea productivității energetice a statelor membre ale UE. Planul REpowerEU vizează creșterea producției și a importurilor de hidrogen din surse regenerabile în UE la un total de 20 de milioane de tone până în 2030, față de 5,6 milioane de tone în 2020. Între timp, capacitatea de 54 GW de energie regenerabilă a Africii în 2020 reprezintă doar 2% din totalul mondial. Dacă UE dorește să aibă un impact real asupra importurilor de hidrogen pe care le așteaptă și să promoveze eforturile interne de decarbonizare, trebuie să ajute națiunile africane să își extindă rapid utilizarea energiei regenerabile și să își îmbunătățească eficiența energetică. Avantajele economice ale comerțului cu hidrogen între UE și UE și Africa sunt enorme. UE ar trebui să încurajeze dezvoltarea unor industrii neutre din punct de vedere climatic pentru a reduce dependența continentului de exporturile de mărfuri, care sunt supuse instabilității prețurilor. Astfel, țările africane ar putea exporta bunuri cu emisii reduse de dioxid de carbon cu o valoare mai mare decât hidrogenul regenerabil. Acest proiect își propune să propună o nouă metodologie care să ofere proiectanților și producătorilor din domeniul auto și aeronautic instrumente solide pentru a prevedea comportamentul și proprietățile rezervoarelor de stocare a hidrogenului în stare criogenică. Într-adevăr, progresele științifice ale proiectului D3T4H2S vor conduce la salturi tehnologice majore. Acestea vor crește în mod inevitabil competitivitatea IMM-urilor sau a centrelor tehnice de pe continentele african și european pentru a le ajuta să facă față provocărilor de mâine. Punerea în aplicare a proiectului consolidează astfel vizibilitatea celor două continente și le întărește interacțiunea cu mediul socio-economic internațional.
Lucrari publicate
2024
- Mînzu, V.; Arama, I.; Rusu, E., 2024, Machine Learning Algorithms that Emulate Controllers based on Particle Swarm Optimization - An Application to a Photobioreactor for Algae Growth Processes 2024, 12, 991. https://https://doi.org/10.3390/pr12050991; (Q2, IF=3.5);
-
A. Lucrari publicate in reviste internationale