能源产业正在寻找更具永续性的新型燃料来源，而氢作为化石燃料的洁净替代方案，具有巨大的潜力。要实现这样的潜力，追求氢能应用的组织必须开发能安全有效地扩大氢生产、配送和使用率的制程和基础设施。

尽管面临种种挑战，这些组织仍继续支援将氢作为替代能源的发展。整个产业对研究与开发（R&D）努力投入了大量资金，这通常是由政府资助，以发掘这种前途看好之永续能源的价值。在研究与开发支出中，最大的一部分着重於氢生产。因此，氢生命周期的生产阶段在让氢符合成本效益方面迎来了重大的进展。但研究人员也必须找到安全且创新的方式来配送和储存氢，同时利用现有的能源基础设施。此外，他们必须探索许多氢的使用案例，而氢可用於驱动内燃机（ICE）、汽车燃料电池或是固定式工业应用，例如石油和天然气生产。

能源产业必须加速其开发迅速发展之氢经济的进度，但单靠研究与开发是不够的。能源公司也必须采用各种解决方案，让他们能够开发加速氢普及化的技术。这类解决方案也可以提高整个氢价值链的安全性、效率和成本效益，其中的概念强调氢生命周期中每个阶段的经济附加价值。在这个价值链中，生产、储存、配送和使用率彼此息息相关。若能使这些步骤更结合和更符合成本效益，便可提高将氢作为洁净能源解决方案的整体价值。

氢生产面临复杂的挑战

图一 : 能源公司可使用质子交换膜（PEM）电解来生产氢，而不会产生碳排放。然而，能源来源和设备问题会降低此程序的整体效率。

若要广泛采用氢能，所面对的最大障碍之一是现有的生产、配送和使用程序效率低下。目前来说，氢价值链中的每个阶段都会受到能源损耗的影响，这经常逐渐削弱公司一开始生产洁净能源的根本理由。在某些情况下，公司甚至在氢生命周期中所消耗的能源会比所节省的更多。因此，能源公司正在开发新的生产方法，以增强现有技术，并减少能源损耗。然而，他们也有许多机会能利用目前的技术实现收益，前提是工程团队拥有作出必要改变以最隹化程序、维护设备，并且支持永续性目标的资料和深入见解。

例如，一些组织正在设法大规模实行蒸气甲??重整（SMR），这是一种利用甲??气体产生氢的方法。但他们所使用的方法必须能安全处理挥发性元素，并捕捉所产生的碳排放，同时将过程中的能源损耗降至最低。如果无法捕捉 SMR 反应所产生的二氧化碳，这种方法几??没有任何能胜过目前温室气体技术的优势。

其他能源公司则寻求运用电力，透过电解从水中制造氢，而电解是需要使用电极在水溶液中传递电流的程序。电解不会产生碳排放，使其具备比 SMR 更高的优势。然而，该过程需要大量的电力，因此其效率部分取决於电力来源的永续性。此外，进行水解的电解槽也会频繁暴露於高温、电流和腐蚀性材料之下，导致其面临耐用性问题。随着时间的推移，这样的暴露会使零件劣化并导致灾难性故障，导致发生长时间的停机时间，进而转变成成本高昂、长时间的生产延迟。无论能源公司仰赖何种方法，都必须找到方法安全地扩展其成果，并将能源损失降至最低，以提高氢生产的价值。

模拟可提高氢生产成果

图二 : 模拟可让能源公司减少透过 SMR 产生的碳排放，进而更有效率地产生环保氢。

使用包括SMR和电解等传统氢生产方法时，很容易受到中断和效率低下的影响。透过模拟，可取得缓解这些问题的深入见解，让能源公司能使这两个程序更加环保，并减少典型的能源损耗状况，进而改善其商业可行性。

利益关系人可透过模拟改善 SMR 程序，限制程序中的温室气体排放，让程序能更有效率地产生环保氢。模拟可针对将甲??转化为氢和二氧化碳混合物的复杂反应，为使用者提供深入见解。这些深入见解包括特定反应的类型、速率和产量。这样的资讯可让工程师微调反应叁数及改变设备设计，以减少 SMR 产生的二氧化碳量，并增加公司的氢生产潜力。这些改进已经在进行，模拟能力对於进一步推动这些改变至关重要。

能源公司也可以利用模拟结果来改善电解程序。模拟可让工程师快速探索如电流密度、电解液浓度、温度和电极材料等叁数组态，而不必花费时间和金钱来实际测试各种设定。它还能让您了解电极行为、离子传输、流体动力学和电化学反应。这些情报对於扩展规模期间及未来的微调设备和制程至关重要。此外，模拟可提供设备磨耗损与撕裂的关键深入见解。公司可透过此资讯减少停机时间并延长设备寿命，从而降低成本。

燃料电池的使用率挑战

氢燃料的使用是另一个需要改进的领域，才能实现主流采用和使用。在某些情况下，能源公司会在生产的同时建立固定式系统和其他基础设施资产。在其他情况下，氢燃料的使用需要行动性。在每种情况下，应用方式都很明确：燃料电池和燃烧发电就是答案。然而，这两者都具有独特的技术挑战。

为了实现燃料电池的高效率和安全操作，需要谨慎地平衡其内部电化学反应。燃料电池容易发生多种问题，包括燃料的缺料（starvation）、浸水（drowning）和乾燥（drying）。当燃料电池缺乏足够的反应剂时，就会发生缺料；当过量液体阻碍燃料电池内的氢和氧气扩散时， 便会发生浸水。乾燥是指燃料电池中缺少湿度，这会干扰电解质的导电性。燃料电池也可能存在水和热管理方面的问题，这可能会导致材料疲劳、效率低落和过早老化。为了确保燃料电池反应正确平衡，并更好地了解其在各种作业条件下的成效，工程师必须能够准确预测其极化曲线。极化曲线能表示电池电压电流与工作电流密度，是燃料电池系统的成效标准测量。

热液应力是开发和运用燃料电池的另一个挑战。热液应力是因温度快速变化和暴露在液体中所产生的热能和机械疲劳，最终会导致燃料电池元件损坏。这种应力会导致材料劣化、破裂并降低电池成效。工程师必须解决这些问题，以提供必要的耐用性和可靠度，避免在价值链中进一步损失能源。

氢燃料不只会使用在燃料电池中。它也会透过在燃气涡轮机和内燃机中燃烧来产生电力。在这些使用案例中，氢必须进行稀薄燃烧，以避免排放氮氧化物。然而，稀薄燃烧会产生过大的火焰噪音和不稳定性。这种火焰噪音表示反应气体的体积膨胀不稳定，并会发生不可预测的热释放波动。为了避免这样的不稳定性，工程师必须谨慎控制燃烧过程，以在燃烧室内的温度、压力和密度等热声学现象之间保持安全平衡，并防止发生逆燃等火灾危险。

模拟能够尽可能提高燃料电池使用效率

图三 : 能源公司可使用 3D 建模和模拟，测试燃料电池在不同叁数下和整个生命周期的成效。

组织必须以最有效率的方式利用能源，以实现他们的氢能和净零排放目标。工程师可以透过将模拟整合到燃料电池的设计、开发和使用之中，以提高效率并减少浪费。例如，工程师可以将叁数研究结合3D建模工具，以模拟不同的燃料电池叁数，并判断其随时间推移的有效性。他们也可以收集发生在燃料电池内部的反应和热应力深入见解，并判断极化曲线。如此一来，使用者便可透过模拟了解燃料电池在所有作业条件下的成效。由此产生的资料可协助工程团队最隹化燃料电池设计，避免发生过早老化状况。

当工程师运用模拟功能，便可以更妥善地解决燃料电池中的所有不平衡问题，并在整个燃料电池开发生命周期中最隹化程序。因此，他们可以更长久地以更高效率提供能源。

这样的最隹化对环境也有好处。众所周知，模拟有助於避免释放破坏性??产品，以及燃料电池中的潜在安全性问题。但模拟的环境优势同时也能延伸至其他使用案例。例如，工程师可以利用模拟资料，打造经过最隹化的燃气涡轮机和内燃机，用於燃烧氢和混合的组合燃料，同时减少有害气体排放。

结论

图四 : 若要发挥洁净能源替代方案的完整价值，能源制造商应采取多项措施。

在整个氢能价值链中，有着大量的成长和改善机会。透过利用模拟主导的R&D工作，工程师可以提高生产效率、解决配送和储存问题，并降低整个应用中的燃料消耗量。如此一来， 他们就可以将氢打造为主流的永续能源。

模拟能力为能源公司提供一条明确的途径，让他们能实现必要的改进，使氢成为广泛、永续的能源选项。当组织成功将模拟整合到其氢价值链、能源程序和研究中时，他们发现效率、产量、成本和上市时间方面都获得了改善。

若要发挥这前途看好之洁净能源替代方案的完整价值，能源制造商应采取以下措施：

1.分析氢价值链，找出在氢生产、储存和配送、使用率和安全性等方面的关键挑战，并彻底了解这些挑战对成本和永续性的影响。

2.探索模拟解决方案，最隹化整个氢价值链的设计、安全性和运作。

3.在氢的生产、储存和配送及使用率程序中导入模拟工具，以节省时间和成本，同时推广环境和永续性目标，并保护工厂和员工的安全。

4.评估现有程序和人员，确保整个组织都能针对新解决方案的任何需求，进行对应的程序调整和角色和职责变更。