HPH2HD – High Pressure Hydrogen Refueling for Heavy Duty Applications

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502196

Short description (English)

H2 heavy duty vehicles can play a key role for decarbonizing the logistic sector having zero emissions with performances similar to conventional vehicles. This project aims to use the know-how for light-duty applications and extend it to H2 big-size tanks (700 bar, mH2>20kg). Detailed numerical simulations will lead to the development of dimensionless heat transfer laws for the refueling process allowing simplified determination of the temperature development for different tanks.

Publications / Results (English)

Arthur Couteau, Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler, Patrick Jenny "Heat transfer analysis of high pressure hydrogen tank fillings", International Journal of Hydrogen Energy, Volume 47, Issue 54, 2022, p.23060-23069 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.127

Final report (German)

In dieser Arbeit wird eine umfassende Analyse des Wärmeübergangs in Wasserstofftanks während der Betankung vorgestellt. Die wichtigsten Effekte, die die Phänomene beeinflussen, sind die Kompression des Tankinhalts (Freisetzung von Wärme) und die Vermischung mit dem einströmenden (oft vorgekühlten) Wasserstoff in Kombination mit den Wärmeverlusten durch die Tankwände. 

Das Seitenverhältnis des Tanks (AR=L/D) wurde als ein wichtiger Parameter ermittelt, der die Wahl des Modells beeinflusst. Bei niedrigen ARs wird der gesamte Tank durch den einströmenden Wasserstoff beeinflusst, wobei im gesamten Tank hohe Mischungsraten vorherrschen. Höhere ARs führen zu zwei unterschiedlichen Regionen im Tank, eine in der Nähe des Eingangs, die durch den einströmenden Wasserstoffstrahl beeinflusst wird, und eine zweite im restlichen Tank, die durch schwache Strömung und Durchmischung gekennzeichnet ist. Die beiden Zonen müssen unterschiedlich modelliert werden. 

Auf der Grundlage detaillierter dreidimensionaler Simulationen (unter Berücksichtigung von Instationarität, Turbulenz, Kompressibilität und Auftriebseffekten) wurden volumengemittelte Wärmeübertragungsmodelle entwickelt, die auf Nusselt-Korrelationen basieren. Die Modelle wurden durch gezielte Experimente verifiziert.

Die abgeleitete und validierte Nusselt-Korrelation für den ersten Teil des Tanks berücksichtigt erzwun-gene und natürliche Konvektion und basiert auf den Reynolds- und Rayleigh-Zahlen. Die Nusselt-Korrelation für den zweiten Teil ist typisch für Rohrströmungen.

Die Auswirkungen einer Reihe weiterer Parameter des Betankungsprozesses (Dauer, Anfangstempera-tur des Wasserstoffs im Zulauf sowie im Tank und verschiedene Düsen) wurden eingehend unter-sucht. 

Die Wärmeübertragungsmodelle wurden in ein Tool integriert, das den gesamten Betankungsprozess von der Tankstellen- und der Fahrzeugseite simuliert. Dieses Werkzeug, im Grunde ein „digitaler Zwilling“ einer Tankstelle für gasförmige Kraftstoffe, kann für die Analyse einer großen Anzahl von Betan-kungen bei verschiedenen Druck- und Temperaturniveaus unter Berücksichtigung einer großen Anzahl von Fahrzeug- und Tankstellenkonfigurationen verwendet werden.

 

Final report (English)

This work presents a comprehensive analysis of heat transfer in hydrogen tanks during filling. The major effects influencing the phenomena are the compression of the tank content (releasing heat) and the mixing with the in-flowing (often precooled) hydrogen in combination with the heat losses through the tank walls. 

The tank aspect ratio AR=L/D was identified as a major parameter influencing the model choice. For Low ARs the entire tank is influenced by the in-flowing hydrogen with high mixing rates prevailing in the entire tank. Higher ARs lead to two distinct regions in the tank, one in the vicinity of the entrance influenced by the inflowing hydrogen jet and a second one in the remaining tank characterized by weak flow and mixing. The two zones must be differently modelled. 

Based on detailed three-dimensional simulations (considering instationarity, turbulence, compressibility and buoyancy effects), volume averaged heat transfer models have been developed providing Nusselt correlations. The models have been verified by targeted experiments.

The derived and validated Nusselt correlation for the first part of the tank considers forced and natu-ral convection and is based on the Reynolds and Rayleigh numbers The Nusselt correlation for the second part is typical for pipe flows.

The effects of a series of further parameters of the filling process (duration, initial temperature of hydrogen in the in-flow as well as in the tank and different nozzles) have been investigated in detail. 

The heat transfer models have been integrated in a tool simulating the entire filing process with the station and the vehicle side. This tool, basically a "digital twin" of a filling station for gaseous fuels, can be used for analysing a big number of fillings at different pressure and temperature levels con-sidering a wide number of vehicle and station tank configurations. 

 

Final report (French)

Ce travail présente une analyse complète du transfert de chaleur dans les réservoirs d'hydrogène pendant le remplissage. Les principaux effets influençant les phénomènes sont la compression du contenu du réservoir (libérant de la chaleur) et le mélange avec l'hydrogène entrant (souvent pré-refroidi) en combinaison avec les pertes de chaleur à travers les parois du réservoir. 

Le rapport d'aspect du réservoir AR=L/D a été identifié comme un paramètre majeur influençant le choix du modèle. Pour des rapports d'aspect faibles, l'ensemble du réservoir est influencé par l'hy-drogène qui entre dans le réservoir, fortement mixée grace au jet d’hydrogène turbulent. Des AR plus élevés conduisent à deux régions distinctes dans le réservoir, l'une à proximité de l'entrée influencée par le jet d'hydrogène entrant et l'autre dans le reste du réservoir caractérisée par un écoulement et un mélange faibles. Ces deux zones doivent être modélisées différemment. 

Sur la base de simulations tridimensionnelles détaillées (prenant en compte l'instationnarité, la turbu-lence, la compressibilité et les effets de flottabilité), des modèles de transfert de chaleur moyennés sur le volume ont été développés et fournissent des corrélations de Nusselt. Les modèles ont été vérifiés par des expériences ciblées. 

La corrélation de Nusselt dérivée et validée pour la première partie du réservoir tient compte de la convection forcée et naturelle et est basée sur les nombres de Reynolds et de Rayleigh. Les effets d'une série d'autres paramètres du processus de remplissage (durée, température initiale de l'hydrogène dans l'écoulement et dans le réservoir et différentes buses) ont été étudiés en détail. 

Les modèles de transfert de chaleur ont été intégrés dans un outil simulant l'ensemble du processus de remplissage au niveau de la station et du véhicule. Cet outil, qui est en fait un « jumeau numérique » d'une station-service pour carburants gazeux, peut être utilisé pour analyser un grand nombre de remplissages à différents niveaux de pression et de température, en tenant compte d'un grand nombre de configurations de véhicules et de réservoirs de stations-service.