Heat management solutions for large-scale electrolyzer systems

Abstract

Electrolysis is a technology capable of producing green hydrogen from renewable energy sources. Green hydrogen is expected to aid in the decarbonization of the global economy, since it can be used as an energy carrier instead of fossil based fuels. However, electrolyzer systems generate substantial amounts of heat that must be removed from the system to maintain proper operating conditions in the process.

In this master’s thesis, a model has been created, which can be used to estimate the heat generation and cooling demand of the electrolyzer stack, hydrogen compression and purification equipment and power electronics, both in the beginning and end of the process lifetime. In addition, this thesis compares different heat management solutions that may be used in large-scale electrolyzer system cooling. The heat management solutions are compared based on economic feasibility, technical suitability in terms of climate, environmental impact and future resilience.

Based on the results of this thesis, the electrolyzer stack is the largest heat generating equipment in the system. The heat rejection system must be designed to adapt to load fluctuations and the increasing heat generation during the lifetime of the process caused by the performance degradation of the electrolytic cells. Heat pumps are recognized to have the most potential, since the ultra-low grade heat can be recovered, upgraded and utilized for district heating in cold climates. Based on the results, heat pumps are also considered having a better economic performance and less environmental impact than traditional cooling methods as well as being future resilient. More attention should therefore be paid towards optimizing heat pumps, since utilization of heat supports the transition to a circular economy and may reduce the environmental impact of produced hydrogen thus improving the market value of the hydrogen.

Elektrolys är en process som möjliggör produktionen av grönt väte från förnybara energikällor. Grönt väte kan användas som en energibärare istället för fossila bränslen och således förväntas användningen av förnybar vätgas stöda dekarboniseringen av den globala ekonomin. Elektrolysanläggningar producerar dock märkbara mängder med värme som måste avlägsnas för att upprätthålla de rätta driftsförhållandena i processen.

Detta diplomarbete presenterar en modell som kan användas för att estimera värmeproduktionen och kylbehovet i början och slutet av processens livscykel för själva elektrolysören, vätegaskompressorerna, vätgasreningen och kraftelektroniken. Diplomarbetet jämför också olika värmehanteringssystem som kan användas i kylningen av storskaliga elektrolysanläggningar. Jämförelsen av systemen görs baserat på deras ekonomiska genomförbarhet, tekniska lämplighet baserat på klimatet, miljöpåverkan samt framtida resiliens.

Baserat på resultaten från det här diplomarbetet producerar elektrolytiska cellerna den största mängden värme av enheterna i systemet. Värmehanteringssystemet måste planeras för att anpassa dellastdrift samt ökad värmeproduktion i slutet av processens livstid som följd av försämring av effektiviteten i elektrolytiska cellerna. I kalla klimat har värmepumpen blivit identifierad att ha mest potential, då ultra lågvärdigt värme kan tas tillvara, uppgraderas och användas som fjärrvärme. Baserat på resultaten från avhandlingen omfattar värmepumpar bättre ekonomisk genomförbarhet, mindre miljöpåverkan och har en bättre framtida resiliens än traditionella kylmetoder. Anvädningen av genererad värme stöder övergången till en cirkulär ekonomi och kan även sänka miljöpåverkan av producerat väte. Därmed borde man lägga mera fokus på att optimera värmepumpar för värmehantering av storskaliga elektrolysanläggningar.