Prioritisation of Research and Development for modelling the safe production, storage, delivery and use of hydrogen.

Hydrogen is expected to play an important role in the energy mix of a future low carbon society, (the European Strategic Energy Technology Plan of the European Commission (COM 2007 - 723) and in the Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program-Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan of the USA Department of Energy (DoE 2007). Hydrogen safety issues must be addressed in order to ensure that the wide spread deployment and use of hydrogen and fuel cell technologies can occur with the same or lower level of hazards and associated risk compared to the conventional fossil fuel technologies. Hydrogen safety is a EU Policy relevant issue as it is stated in the priority 3 Action 2 (Continuous improvement in safety and security) of the EU “Energy 2020 A strategy for competitive, sustainable and secure energy”: “The same security and safety considerations will also be upheld in the development and deployment of new energy technologies (hydrogen safety, safety of CO2 transportation network, CO2 storage, etc…)” Computational Fluid Dynamics (CFD) is one of the tools to investigate safety issues related to the production, storage, delivery and use of hydrogen. CFD techniques can provide a wealthy amount of information on the dynamics of hypothetical hydrogen accident and its consequences. The CFD-based consequence analysis is then used in risk assessments. This report describes the output of a workshop organised at the Institute for Energy and Transport (JRC) in Petten, Netherlands to identify the gaps and issues in CFD modelling of hydrogen release and combustion. A hydrogen accident usually follows a typical sequence of events: an unintended release, the mixing of hydrogen with air to form a flammable mixture, the ignition of the flammable cloud and depending on the conditions, and a fire or an explosion (deflagration or/and detonation). For each stage of the accident, the critical CFD issues have been identified and prioritised. Beyond the specific issues of CFD modelling that are described for each accident stage in the report, some general modelling issues can be found in all stages: • lack of an extensive validation of CFD codes/models that covers all the relevant range of conditions that can be found in hypothetical accident scenarios e.g. in terms of geometrical lay-out, leak flow rates. • lack of a CFD validation protocol for hydrogen like it exists for Liquefied Natural Gas (LNG): the Model Evaluation Protocols (MEP) for assessment of models for accident consequences, with guidance on evaluating models in terms of scientific assessment, verification and validation. • lack of a database of experiments for validation of hydrogen models. • in some cases, lack of complete and accurate experimental data for the CFD validation. The goals of this work were to perform a state of the art review in CFD modelling of hypothetical accidents scenarios related to hydrogen technologies and identify and prioritise the gaps in the field. The report is based on a dedicated workshop organised in Petten with the participation of external experts an extensive literature review performed by experts in the field and the direct expertise and experience of the experts. The experts were carefully selected according to their experience/expertise, number of scientific publications and participations to International Conferences, seminars, workshops and to international and/or European co-funded projects such as HySafe (Hydrogen Safety), HyApproval (Approval of Hydrogen Re-fuelling Stations), European Integrated Hydrogen Projects. By performing a state of the art review of CFD modelling for hydrogen safety issues, a consensus was reached among the scientific experts as to the main gaps in the field and on the priority of the research needs.JRC.F.2-Cleaner energ

Gap Analysis of CFD Modelling of Accidental Hydrogen Release and Combustion

The report describes the findings of a workshop that was held at the Institute for Energy (JRC) in Petten Netherlands, on the topic "Gap analysis of CFD modelling of hydrogen release and combustion". The main topic was divided in 6 sub-topics: release and dispersion, auto-ignition, fires, deflagrations, detonations and DDT, and accident consequences. For each sub-topic, the main gaps in CFD modelling were identified and prioritised.JRC.DDG.F.2-Cleaner energ

CFD modelling of hydrogen and other buoyant gases dispersion in enclosures

This thesis presents the assessment and validation of the Computational Fluid Dynamics code ADREA-HF to H2 release and dispersion in enclosures. Numerical studies of experiments of H2 (or He for safety reasons) release and dispersion in enclosures with natural ventilation are presented with the aim to assess the predictions of the turbulence models and the effects of numerical practises in general such as the characteristics of the grid and the boundary conditions applied, to propose best practise guidelines. Additionally, the thesis proposes an overall assessment of the ventilation efficiency based on the simulations and experiments and compares the predictions of the ventilation rates by means of simplified relationships and CFD results. Applications of the code into realistic scenarios in complex geometries are given next. In this part, the effect of the H2 release direction with respect to the obstacles and the wind to the temporal and spatial H2 distribution in refueling stations is being investigated. Furthermore, a Risk Assessment methodology on a predefined hypothetical gaseous H2 refuelling station is described giving emphasis to the quantitative analysis performed using the ADREA-HF code. The most influential, to the risk, parameter was the characteristics of the H2 release. Moreover, large differences were found in the evaluation of the risk in terms of distances of damage by using the results of the widely applied to the industry simplified tool Effects 7.6 and the CFD code ADREA-HF. Comparisons of CFD codes and simpified models is necessary in order to identify and quantify the application limits and the accuracy of each methodology. Finally, it is strongly suggested to propose a harmonized methodology for risk assessment analysis in order to safely introduce H2 as an energy carrier to the marketΣ’ αυτήν τη διατριβή παρουσιάζεται ο έλεγχος της αξιοπιστίας και καταλληλότητας του υπολογιστικού κώδικα CFD ADREA-HF για τη μελέτη σεναρίων έκλυσης και διασποράς Η2 σε κλειστούς χώρους. Παρουσιάζονται υπολογιστικές μελέτες πειραμάτων έκλυσης και διασποράς Η2 (ή He ως υποκατάστατο για λόγους ασφάλειας) σε κλειστούς χώρους με φυσικό αερισμό παρουσία εμποδίων με στόχο τόσο την εκτίμηση των προβλέψεων των μοντέλων τύρβης όσο σε γενικότερο πλαίσιο, τη μελέτη της επίδρασης των υπολογιστικών πρακτικών όπως τα χαρακτηριστικά του πλέγματος και οι οριακές συνθήκες προκειμένου να προταθούν οδηγίες καλής πρακτικής. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια γενική εκτίμηση του φυσικού αερισμού και συγκρίνονται οι μέθοδοι υπολογισμού του με τη χρήση απλοποιημένων μοντέλων και υπολογιστικών μεθόδων. Στην δεύτερη ενότητα παρουσιάζονται εφαρμογές του κώδικα ADREA-HF σε ρεαλιστικά σενάρια με πολύπλοκες γεωμετρίες. Μελετάται η επίδραση του προσανατολισμού της έκλυσης σε σχέση με τα εμπόδια στο χώρο και αυτή του ανέμου στη χωρική και χρονική κατανομή του Η2, σεναρίων σε σταθμούς ανεφοδιασμού. Παρουσιάζεται επίσης μια μελέτη εκτίμησης του κινδύνου ενός σταθμού ανεφοδιασμού Η2 με έμφαση στην ποσοτική ανάλυση των επιπτώσεων των ατυχημάτων με τη χρήση του κώδικα ADREA-HF. Βρέθηκε ότι η παράμετρος που επηρεάζει περισσότερο το μέγεθος του κινδύνου είναι τα χαρακτηριστικά της διαρροής. Ακόμη, αναδεικνύονται σημαντικές διαφορές στην εκτίμηση του κινδύνου όταν τα δεδομένα προέρχονται από τον κώδικα ADREA-HF σε σχέση με αυτά από το απλοποιημένο μοντέλο Effects 7.6 το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία. Συγκρίσεις μεταξύ κωδίκων CFD και απλοποιημένων μοντέλων πρέπει να γίνουν στο μέλλον συστηματικά ώστε να αναδειχτούν τα όρια εφαρμογής και ακρίβειάς τους. Τέλος, κρίνεται αναγκαία η πρόταση μιας εναρμονισμένης μεθοδολογίας των μελετών εκτίμησης κινδύνου ώστε το Η2 να εισαχθεί στην αγορά ως φορέας ενέργειας με ασφάλεια

Comparison of Modelling Approaches for CFD Simulations of High Pressure Hydrogen Releases

Several approaches have been used in the past to model the source of a high pressure under-expanded jet such as the computationally expensive resolution of the jet shock structure and the simpler pseudosource or notional nozzle approaches. In each approach assumptions are made introducing inaccuracies in the CFD calculations. This work assesses the effect of different source modeling approaches on the accuracy of CFD calculations by comparing simulation results to experimental data of the axial distribution of the flow velocity and H2 concentration.JRC.F.2-Cleaner energ

Validation of a Numerical Code for the Simulation of a Short-Term CO2 Release in an Open Environment - Effect of Wind Conditions and Obstacles

Carbon Capture and Storage (CCS) is one of the possible mitigation measures to reduce the CO2 emissions produced from anthropogenic sources and thus help address the issue of global warming. Accidental CO2 releases may occur at any of the CCS stages, having potentially harmful consequences on the people who work in the CCS facilities, the general public in their vicinity and the environment. CFD is an increasingly used tool to investigate the behavior of released substances and predict the consequences of hazardous scenarios. This information aids the development of mitigation methods to minimize the consequences of an accident. The validation of numerical codes and models is a necessary preliminary step before their application to safety and risk assessment analysis. In this context, numerical simulations of CO2 release and dispersion field experiments were performed with a CFD code. The experimental data were taken from the Kit Fox CO2 gas field experiments which were designed to investigate the effect of ground roughness of industrial process plants and of meteorological conditions on the formation and extent of the CO2 gas cloud. This study presents a comparison between the simulation results and the experimental measurements in order to assess the accuracy of the code with different modeling approaches.JRC.DDG.F.2-Cleaner energ

Numerical Studies on CO2 Release and Dispersion Field Experiments

Carbon Capture and Storage (CCS) is one of the possible mitigation measures to reduce the CO2 emissions into the atmosphere and thus help addressing the issue of global warming. Accidental CO2 releases can occur at the capture site, during transportation through pipelines and during geological storage having harmful consequences on the people who work in CCS facilities, the general public in their vicinity and the environment. Numerical codes and models are increasingly used tools to investigate the behaviour of released substances and predict the consequences of hazardous scenarios. This information allows the development of measures to minimize the probability of an accident and also of the methods to mitigate the consequences in case of an accident. Validation of numerical codes and models is a crucial preliminary stage before the application of the models/codes to safety and risk assessment analysis. In this context, numerical simulations of CO2 release and dispersion field experiments are performed with a CFD code. The experimental data were taken from the Kit Fox CO2 gas field experiments which covered ground level short-duration transient and continuous releases. The Kit Fox experiments were designed to investigate the effect of ground roughness of industrial process plants and meteorological conditions on the formation and extent of the CO2 gas cloud. This study presents a systematic comparison between the simulation results and the experimental measurements in order to assess the accuracy of the numerical code and validate its performance for CO2 safety studies.JRC.DDG.F.2-Cleaner energ

CFD modelling of hydrogen and other buoyant gases dispersion in enclosures

284 σ.Ως αποτέλεσμα των ενεργειακών και περιβαλλοντικών προβλημάτων που έχουν ανακύψει τις τελευταίες δεκαετίες κρίνεται απαραίτητη η μείωση του ρυθμού κατανάλωσης των ορυκτών καυσίμων, η αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των σταθμών παραγωγής ενέργειας και η χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στον τομέα μεταφοράς και την παραγωγή ηλεκτρισμού εν γένει. Οι συστοιχίες κυψελών καυσίμου (fuel cells) σε συνδυασμό με το Η2 παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα και νερό. Θεωρούνται αποδοτικοί τροφοδότες ενέργειας ενώ πολλοί υποστηρίζουν ότι δεν σχετίζονται με περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ωστόσο, με τις τρέχουσες τεχνολογίες παραγωγής Η2 ούτε μειώνεται η εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα ούτε οι εκπομπές CO2 γεγονός που αποδεικνύει ότι η χρήση του Η2 ως φορέα ενέργειας, εάν αξιολογηθεί στο σύνολό της, προς το παρόν δεν είναι «καθαρή» τεχνολογία. Το Η2 χρησιμοποιείται εδώ και τουλάχιστον 100 χρόνια σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Ωστόσο, οι τεχνολογίες παραγωγής, αποθήκευσης και διάθεσής του είναι πολύ δαπανηρές για την εφαρμογή τους στις τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας. Επίσης για τον χαρακτηρισμό των κινδύνων που εγκυμονούν κατά τη χρήση του Η2 ως φορέα ενέργειας είναι απαραίτητη η μελέτη ρεαλιστικών συστημάτων σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας οι οποίες εκ των πραγμάτων είναι διαφορετικές από αυτές που επικρατούν στις χημικές και πετροχημικές βιομηχανίες. Για την αποδοχή του Η2 ως φορέα εναλλακτικής πηγής ενέργειας, τα επίπεδα ασφάλειας πρέπει να είναι τουλάχιστον συγκρίσιμα με αυτά των συμβατικών καυσίμων. Στην περίπτωση ατυχημάτων των εγκαταστάσεων υποδομής Η2 η αλληλουχία των φαινομένων είναι η έκλυση, η διασπορά, η έναυση και τέλος η φωτιά ή έκρηξη. Προκειμένου να εκτιμηθεί ο κίνδυνος ανάφλεξης και καύσης, είναι απαραίτητο να μελετηθεί πρώτα η χωρική και χρονική κατανομή του H2 στον περιβάλλοντα χώρο. Σε πολλές περιπτώσεις των εφαρμογών τεχνολογιών Η2 ως φορέα ενέργειας, οι εγκαταστάσεις θα βρίσκονται σε κλειστούς χώρους για λόγους ασφάλειας και απομόνωσής τους από το ευρύτερο περιβάλλον και τον τελικό αποδέκτη ή το κοινό. Από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση πειραματικών και υπολογιστικών μελετών, σχετικών με τις τεχνολογίες Η2, αναγνωρίστηκαν τα παρακάτω ζητήματα ως εκκρεμή ή ελλιπώς μελετηθέντα: πειραματικές μελέτες της έκλυσης και διασποράς Η2/He προκειμένου να εξεταστούν ευρύτερες συνθήκες όπως η θέση, ο προσανατολισμός και η ένταση της έκλυσης, ο προσανατολισμός και το πλήθος και εύρος των ανοιγμάτων αερισμού, η παρουσία εμποδίων στο χώρο και κεκλιμένες οροφές αυτού, εκλύσεις υπό διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες (άνεμος και θερμοκρασία) οι οποίες θα πρέπει να καταγεγραφούν, πειραματικά δεδομένα για την αξιολόγηση των μεθοδολογιών CFD ισχυρών τυρβωδών δεσμών, προσκρουόμενων δεσμών σε τοίχους, εκλύσεις σε πολύπλοκες γεωμετρίες και σήραγγες, έλεγχος αξιοπιστίας της μεθόδου αντικατάστασης της πηγής έκλυσης υπο-εκτονωμένων δεσμών από τις λεγόμενες «φαινόμενες» πηγές, έλεγχος προβλέψεων του φαινομένου διαστρωμάτωσης από ασθενείς εκλύσεις ή εκλύσεις λόγω διαπερατότητας αλλά και των μεθόδων περιγραφής της διαπερατότητας εν γένει, αριθμητικές προβλέψεις φυσικού και μηχανικού αερισμού και πειραματικές και υπολογιστικές μελέτες σεναρίων έκλυσης Η2 σε σταθμούς ανεφοδιασμού. Τα φαινόμενα λοιπόν που συνδέονται με την ασφάλεια των τεχνολογιών Η2 ως φορέα ενέργειας δεν έχουν διευκρινιστεί ακόμα τόσο από πλευράς πληρότητας πειραματικών δεδομένων σε όλο το εύρος των αναμενόμενων συνθηκών λειτουργίας όσο από πλευράς ανάπτυξης και ελέγχου της αξιοπιστίας των υπολογιστικών μέσων όπως οι μεθοδολογίες CFD. Σ’ αυτήν τη διατριβή επιχειρείται η συλλογή πληροφοριών και συστηματική μελέτη προς αυτήν την κατεύθυνση. Καταρχήν παρουσιάζεται ο έλεγχος της αξιοπιστίας και καταλληλότητας του κώδικα ADREA-HF για τη μελέτη σεναρίων έκλυσης και διασποράς Η2 σε κλειστούς χώρους. Σ’ αυτήν την ενότητα της διατριβής παρουσιάζονται υπολογιστικές μελέτες πειραμάτων έκλυσης και διασποράς Η2 (ή He ως υποκατάστατο για λόγους ασφάλειας) σε κλειστούς χώρους με φυσικό αερισμό παρουσία εμποδίων με στόχο τόσο την εκτίμηση των προβλέψεων των υπολογιστικών μοντέλων τύρβης όσο σε γενικότερο πλαίσιο, την μελέτη της επίδρασης άλλων παραμέτρων των υπολογιστικών πρακτικών όπως τα χαρακτηριστικά του πλέγματος και οι οριακές συνθήκες προκειμένου να προταθούν οδηγίες καλής πρακτικής. Επιπλέον, στην περίπτωση των πειραμάτων διαρροής Η2 από το σύστημα συστοιχίας κυψελών καυσίμου παρουσιάζεται μια γενική εκτίμηση του φυσικού αερισμού και συγκρίνονται οι μέθοδοι υπολογισμού του αερισμού με τη χρήση απλοποιημένων μοντέλων (παρόμοια χρησιμοποιούνται για την εφαρμογή της Ευρωπαϊκής Οδηγίας ΑΤΕΧ) και υπολογιστικών μεθόδων. Στην δεύτερη ενότητα της διατριβής παρουσιάζονται εφαρμογές του κώδικα ADREA-HF σε ρεαλιστικά σενάρια με πολύπλοκες γεωμετρίες. Μελετάται η επίδραση του προσανατολισμού της έκλυσης σε σχέση με τη διάταξη των εμποδίων στο χώρο και η επίδραση του ανέμου στη χωρική και χρονική κατανομή του Η2 σεναρίων που αφορούν σταθμούς ανεφοδιασμού. Παρουσιάζεται επίσης μια μελέτη εκτίμησης κινδύνου ενός υποθετικού σταθμού ανεφοδιασμού Η2 με έμφαση στην παρουσίαση της ποσοτικής ανάλυσης των επιπτώσεων των σεναρίων ατυχήματος με τη χρήση CFD. Τα σενάρια αφορούσαν ατυχήματα διαρροής Η2 από διάφορες μονάδες του σταθμού όπως τη μονάδα συμπίεσης, τη μονάδα καθαρισμού και ξήρανσης, το θάλαμο διανομής, τις συστοιχίες αποθήκευσης Η2 και τη μονάδα διάθεσης. Βρέθηκε ότι η παράμετρος που επηρεάζει περισσότερο το μέγεθος του κινδύνου είναι τα χαρακτηριστικά της διαρροής ενώ για τα σενάρια ανοιχτού χώρου, η αύξηση της έντασης του ανέμου δεν επηρεάζει κατ’ αναλογία τα χαρακτηριστικά του αναφλέξιμου νέφους. Ακόμη, αναδεικνύονται σημαντικές διαφορές στην εκτίμηση του κινδύνου (υπό τη μορφή αποστάσεων υπερπιέσεων) όταν τα δεδομένα προέρχονται από το υπολογιστικό εργαλείο CFD ADREA-HF σε σχέση με αυτά από το απλοποιημένο μοντέλο Effects 7.6 το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές. Συγκρίσεις μεταξύ κωδίκων CFD και απλοποιημένων μοντέλων πρέπει να γίνουν στο μέλλον συστηματικά ώστε να αναδειχτούν τα όρια εφαρμογής και ακρίβειας των διαφόρων μεθοδολογιών. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι από τη σύγκριση των διαφόρων μεθοδολογιών εκτίμησης κινδύνου του ίδιου υποθετικού σταθμού ανεφοδιασμού Η2 αναδείχθηκαν σημαντικές διαφορές σε διάφορα στάδια της μελέτης πέραν του σταδίου της ποσοτικής εκτίμησης του κινδύνου (λόγω της χρήσης CFD ή απλοποιημένων μοντέλων) όπως διαφορές στην μέθοδο ποσοτικοποίησης του κινδύνου, διαφορές στα κριτήρια αποδοχής του κινδύνου, διαφορές στην εκτίμηση συχνότητας αστοχίας των συστημάτων, διαφορές στην εκτίμηση της πιθανότητας και του είδους της έναυσης Η2 και τέλος ακόμη και απουσία κοινών σεναρίων για τον ίδιο σταθμό ανεφοδιασμού διότι αυτό τελικά έγκειται στην κρίση του μελετητή. Θα πρέπει λοιπόν στο μέλλον να γίνουν προσπάθειες από τα ενδιαφερόμενα μέρη ώστε να προταθεί μια εναρμονισμένη μεθοδολογία και πρακτική των σχετικών μελετών εκτίμησης κινδύνου προκειμένου το Η2 να εισαχθεί στην αγορά ως φορέας ενέργειας με ασφάλεια.This thesis presents the assessment and validation of the Computational Fluid Dynamics code ADREA-HF to H2 release and dispersion in enclosures. Numerical studies of experiments of H2 (or He for safety reasons) release and dispersion in enclosures with natural ventilation are presented with the aim to assess the predictions of the turbulence models and the effects of numerical practises in general such as the characteristics of the grid and the boundary conditions applied, to propose best practise guidelines. Additionally, the thesis proposes an overall assessment of the ventilation efficiency based on the simulations and experiments and compares the predictions of the ventilation rates by means of simplified relationships and CFD results. Applications of the code into realistic scenarios in complex geometries are given next. In this part, the effect of the H2 release direction with respect to the obstacles and the wind to the temporal and spatial H2 distribution in refueling stations is being investigated. Furthermore, a Risk Assessment methodology on a predefined hypothetical gaseous H2 refuelling station is described giving emphasis to the quantitative analysis performed using the ADREA-HF code. The most influential, to the risk, parameter was the characteristics of the H2 release. Moreover, large differences were found in the evaluation of the risk in terms of distances of damage by using the results of the widely applied to the industry simplified tool Effects 7.6 and the CFD code ADREA-HF. Comparisons of CFD codes and simpified models is necessary in order to identify and quantify the application limits and the accuracy of each methodology. Finally, it is strongly suggested to propose a harmonized methodology for risk assessment analysis in order to safely introduce H2 as an energy carrier to the market.Ευθυμία Α. Παπανικολάο

Evaluation of notional nozzle approaches for CFD simulations of free-shear under-expanded hydrogen jets

Several approaches are usually applied for modelling the source of high pressure underexpanded jets, ranging from the computationally expensive resolution of the jet’s shock structure to simple formulae (pseudo-source or notional nozzle approaches). However, the assumptions made in each approach introduce inaccuracies in the CFD calculations. The objective of this work was twofold; to compare and evaluate the performance of both selected notional nozzle approaches and turbulence models with experimental results of free-shear high momentum H2 round jets. The experimental data covered horizontal H2 releases issuing from small nozzles (0.25 to 1 mm diameter). Three two-equation turbulence models were chosen for the simulations, the popular standard k-ε, the Shear Stress Transport (SST) and the baseline (BSL) k-w model together with five notional nozzle approaches. The numerical results were presented in a systematic way in order to make general conclusions on the performance of both the approaches and models.JRC.F.2-Cleaner energ

Assessment of CFD models for hydrogen fast filling simulations

High injection pressures are used during the re-fueling process of vehicle tanks with compressed hydrogen, and consequently high temperatures are generated in the tank, potentially jeopardizing the system safety. Computational Fluid Dynamics (CFD) tools can help in predicting the temperature rise within vehicle tanks, providing complete and detailed 3D information on flow features and temperature distribution. In this framework, CFD simulations of hydrogen fast filling at different working conditions are performed and the accuracy of the numerical models is assessed against experimental data for a type 4 tank up to 70 MPa.JRC.F.2 - Cleaner energ