能源產業正在尋找更具永續性的新型燃料來源，而氫作為化石燃料的潔淨替代方案，具有巨大的潛力。要實現這樣的潛力，追求氫能應用的組織必須開發能安全有效地擴大氫生產、配送和使用率的製程和基礎設施。

儘管面臨種種挑戰，這些組織仍繼續支援將氫作為替代能源的發展。整個產業對研究與開發（R&D）努力投入了大量資金，這通常是由政府資助，以發掘這種前途看好之永續能源的價值。在研究與開發支出中，最大的一部分著重於氫生產。因此，氫生命週期的生產階段在讓氫符合成本效益方面迎來了重大的進展。但研究人員也必須找到安全且創新的方式來配送和儲存氫，同時利用現有的能源基礎設施。此外，他們必須探索許多氫的使用案例，而氫可用於驅動內燃機（ICE）、汽車燃料電池或是固定式工業應用，例如石油和天然氣生產。

能源產業必須加速其開發迅速發展之氫經濟的進度，但單靠研究與開發是不夠的。能源公司也必須採用各種解決方案，讓他們能夠開發加速氫普及化的技術。這類解決方案也可以提高整個氫價值鏈的安全性、效率和成本效益，其中的概念強調氫生命週期中每個階段的經濟附加價值。在這個價值鏈中，生產、儲存、配送和使用率彼此息息相關。若能使這些步驟更結合和更符合成本效益，便可提高將氫作為潔淨能源解決方案的整體價值。

氫生產面臨複雜的挑戰

圖一 : 能源公司可使用質子交換膜（PEM）電解來生產氫，而不會產生碳排放。然而，能源來源和設備問題會降低此程序的整體效率。

若要廣泛採用氫能，所面對的最大障礙之一是現有的生產、配送和使用程序效率低下。目前來說，氫價值鏈中的每個階段都會受到能源損耗的影響，這經常逐漸削弱公司一開始生產潔淨能源的根本理由。在某些情況下，公司甚至在氫生命週期中所消耗的能源會比所節省的更多。因此，能源公司正在開發新的生產方法，以增強現有技術，並減少能源損耗。然而，他們也有許多機會能利用目前的技術實現收益，前提是工程團隊擁有作出必要改變以最佳化程序、維護設備，並且支持永續性目標的資料和深入見解。

例如，一些組織正在設法大規模實行蒸氣甲烷重整（SMR），這是一種利用甲烷氣體產生氫的方法。但他們所使用的方法必須能安全處理揮發性元素，並捕捉所產生的碳排放，同時將過程中的能源損耗降至最低。如果無法捕捉 SMR 反應所產生的二氧化碳，這種方法幾乎沒有任何能勝過目前溫室氣體技術的優勢。

其他能源公司則尋求運用電力，透過電解從水中製造氫，而電解是需要使用電極在水溶液中傳遞電流的程序。電解不會產生碳排放，使其具備比 SMR 更高的優勢。然而，該過程需要大量的電力，因此其效率部分取決於電力來源的永續性。此外，進行水解的電解槽也會頻繁暴露於高溫、電流和腐蝕性材料之下，導致其面臨耐用性問題。隨著時間的推移，這樣的暴露會使零件劣化並導致災難性故障，導致發生長時間的停機時間，進而轉變成成本高昂、長時間的生產延遲。無論能源公司仰賴何種方法，都必須找到方法安全地擴展其成果，並將能源損失降至最低，以提高氫生產的價值。

模擬可提高氫生產成果

圖二 : 模擬可讓能源公司減少透過 SMR 產生的碳排放，進而更有效率地產生環保氫。

使用包括SMR和電解等傳統氫生產方法時，很容易受到中斷和效率低下的影響。透過模擬，可取得緩解這些問題的深入見解，讓能源公司能使這兩個程序更加環保，並減少典型的能源損耗狀況，進而改善其商業可行性。

利益關係人可透過模擬改善 SMR 程序，限制程序中的溫室氣體排放，讓程序能更有效率地產生環保氫。模擬可針對將甲烷轉化為氫和二氧化碳混合物的複雜反應，為使用者提供深入見解。這些深入見解包括特定反應的類型、速率和產量。這樣的資訊可讓工程師微調反應參數及改變設備設計，以減少 SMR 產生的二氧化碳量，並增加公司的氫生產潛力。這些改進已經在進行，模擬能力對於進一步推動這些改變至關重要。

能源公司也可以利用模擬結果來改善電解程序。模擬可讓工程師快速探索如電流密度、電解液濃度、溫度和電極材料等參數組態，而不必花費時間和金錢來實際測試各種設定。它還能讓您瞭解電極行為、離子傳輸、流體動力學和電化學反應。這些情報對於擴展規模期間及未來的微調設備和製程至關重要。此外，模擬可提供設備磨耗損與撕裂的關鍵深入見解。公司可透過此資訊減少停機時間並延長設備壽命，從而降低成本。

燃料電池的使用率挑戰

氫燃料的使用是另一個需要改進的領域，才能實現主流採用和使用。在某些情況下，能源公司會在生產的同時建立固定式系統和其他基礎設施資產。在其他情況下，氫燃料的使用需要行動性。在每種情況下，應用方式都很明確：燃料電池和燃燒發電就是答案。然而，這兩者都具有獨特的技術挑戰。

為了實現燃料電池的高效率和安全操作，需要謹慎地平衡其內部電化學反應。燃料電池容易發生多種問題，包括燃料的缺料（starvation）、浸水（drowning）和乾燥（drying）。當燃料電池缺乏足夠的反應劑時，就會發生缺料；當過量液體阻礙燃料電池內的氫和氧氣擴散時， 便會發生浸水。乾燥是指燃料電池中缺少濕度，這會干擾電解質的導電性。燃料電池也可能存在水和熱管理方面的問題，這可能會導致材料疲勞、效率低落和過早老化。為了確保燃料電池反應正確平衡，並更好地瞭解其在各種作業條件下的成效，工程師必須能夠準確預測其極化曲線。極化曲線能表示電池電壓電流與工作電流密度，是燃料電池系統的成效標準測量。

熱液應力是開發和運用燃料電池的另一個挑戰。熱液應力是因溫度快速變化和暴露在液體中所產生的熱能和機械疲勞，最終會導致燃料電池元件損壞。這種應力會導致材料劣化、破裂並降低電池成效。工程師必須解決這些問題，以提供必要的耐用性和可靠度，避免在價值鏈中進一步損失能源。

氫燃料不只會使用在燃料電池中。它也會透過在燃氣渦輪機和內燃機中燃燒來產生電力。在這些使用案例中，氫必須進行稀薄燃燒，以避免排放氮氧化物。然而，稀薄燃燒會產生過大的火焰噪音和不穩定性。這種火焰噪音表示反應氣體的體積膨脹不穩定，並會發生不可預測的熱釋放波動。為了避免這樣的不穩定性，工程師必須謹慎控制燃燒過程，以在燃燒室內的溫度、壓力和密度等熱聲學現象之間保持安全平衡，並防止發生逆燃等火災危險。

模擬能夠盡可能提高燃料電池使用效率

圖三 : 能源公司可使用 3D 建模和模擬，測試燃料電池在不同參數下和整個生命週期的成效。

組織必須以最有效率的方式利用能源，以實現他們的氫能和淨零排放目標。工程師可以透過將模擬整合到燃料電池的設計、開發和使用之中，以提高效率並減少浪費。例如，工程師可以將參數研究結合3D建模工具，以模擬不同的燃料電池參數，並判斷其隨時間推移的有效性。他們也可以收集發生在燃料電池內部的反應和熱應力深入見解，並判斷極化曲線。如此一來，使用者便可透過模擬瞭解燃料電池在所有作業條件下的成效。由此產生的資料可協助工程團隊最佳化燃料電池設計，避免發生過早老化狀況。

當工程師運用模擬功能，便可以更妥善地解決燃料電池中的所有不平衡問題，並在整個燃料電池開發生命週期中最佳化程序。因此，他們可以更長久地以更高效率提供能源。

這樣的最佳化對環境也有好處。眾所周知，模擬有助於避免釋放破壞性副產品，以及燃料電池中的潛在安全性問題。但模擬的環境優勢同時也能延伸至其他使用案例。例如，工程師可以利用模擬資料，打造經過最佳化的燃氣渦輪機和內燃機，用於燃燒氫和混合的組合燃料，同時減少有害氣體排放。

結論

圖四 : 若要發揮潔淨能源替代方案的完整價值，能源製造商應採取多項措施。

在整個氫能價值鏈中，有著大量的成長和改善機會。透過利用模擬主導的R&D工作，工程師可以提高生產效率、解決配送和儲存問題，並降低整個應用中的燃料消耗量。如此一來， 他們就可以將氫打造為主流的永續能源。

模擬能力為能源公司提供一條明確的途徑，讓他們能實現必要的改進，使氫成為廣泛、永續的能源選項。當組織成功將模擬整合到其氫價值鏈、能源程序和研究中時，他們發現效率、產量、成本和上市時間方面都獲得了改善。

若要發揮這前途看好之潔淨能源替代方案的完整價值，能源製造商應採取以下措施：

1.分析氫價值鏈，找出在氫生產、儲存和配送、使用率和安全性等方面的關鍵挑戰，並徹底瞭解這些挑戰對成本和永續性的影響。

2.探索模擬解決方案，最佳化整個氫價值鏈的設計、安全性和運作。

3.在氫的生產、儲存和配送及使用率程序中導入模擬工具，以節省時間和成本，同時推廣環境和永續性目標，並保護工廠和員工的安全。

4.評估現有程序和人員，確保整個組織都能針對新解決方案的任何需求，進行對應的程序調整和角色和職責變更。