A techno-economic analysis of a pressurized high temperature solid oxide electrolysis system

Thumbnail Image

Files

master_Saarikoski_Aleksandra_2022.pdf (1.09 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2022-08-22

Department

Major/Subject

Sustainable Energy Conversion Processes

Mcode

ENG3069

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)

Language

en

Pages

57 + 1

Series

Abstract

The portion of renewable energy production is being increased in the energy production palette to mitigate the effects of climate change. Energy storage is becoming more important because of load balancing with intermittent renewable energy. Electrolysis is a promising method that can be used to convert surplus electricity to hydrogen (H2) fuel or to connect surplus electricity production with chemical synthesis reactions. Pressurized solid oxide electrolyser cell (SOEC) systems allow a better integration for the chemical synthesis reactors because of the required pressure levels. Not only can steam be used to make H2 with SOECs, but also carbon dioxide (CO2) and steam can be used in co-electrolysis to form synthesis gas or syngas which is a combination of H2 and carbon monoxide (CO). Not much information can be found on pressurized SOEC system capital costs. This thesis investigates the feasibility of pressurization of a SOEC system through technical and economical comparison. The technological aspects and benefits regarding pressurization were presented. A cost model was created in Excel, and the manufacturing capital expenditure (CAPEX) values are estimated for steam and co-electrolysis. The CAPEX values are estimated in four different unit sizes (200 kW, 2 MW, 15 MW, 75 MW) of pressurized SOEC systems. The pressurization increases system efficiency by 5-7% because of energy saved from compression. In the smallest scales, pressurized SOEC system CAPEX is cheaper than the atmospheric system CAPEX in steam and co-electrolysis, but in the large-scale pressurization this difference evens out. Therefore, pressurization might not pay out in the large scale because of compressor cost reduction resulting from economies of scale. Although, the compressor increases power consumption by 3-4% and contributes to large power consumption costs, especially in the large-scale, which could make the pressurized system more feasible than the atmospheric.

Ilmastonmuutoksen vaikutusten lieventämiseksi uusiutuvan energian osuutta on lisätty kokonaisenergiantuotannossa. Erityisesti energian varastoinnista on tullut viime vuosina entistä tärkeämpää uusiutuvan energian vaihtelevuuden ja kulutuksen tasaamisen vuoksi. Elektrolyysi on lupaava menetelmä, jolla voidaan muuntaa ylijäämäsähköä vedyksi (H2) tai liittää ylijäämä sähköntuotanto kemiallisiin synteesireaktioihin. Paineistetut kiinteäoksidikennojärjestelmät (SOEC) mahdollistavat paremman integroinnin kemiallisiin synteesireaktoreihin niiden vaatimien painetasojen vuoksi. Kiinteäoksidikennon elektrolyysireaktio voidaan toteuttaa sekä höyryn että myös hiilidioksidin (CO2) ja höyryn avulla co-elektrolyysissä muodostaen synteesikaasua eli vedyn sekä hiilimonoksidin (CO) yhdistelmää. Juuri paineistetuista SOEC-järjestelmien pääomakustannuksista ei löydy paljon tietoa. Tämä diplomityö on teknoekonominen tutkielma SOEC-järjestelmän paineistuksen kannattavuudesta sitä verrattaessa atmosfääriseen järjestelmään. Ensin työssä esiteltiin paineistuksen tekniset näkökohdat sekä hyödyt. Kustannusmalli muodostettiin Excelissä, jonka avulla laskettiin paineistetun järjestelmän pääomakustannukset (CAPEX) höyry sekä co-elektrolyysille. Pääomakustannukset arvioitiin neljässä eri kokoluokassa (100 kW, 2 MW, 15 MW, 75 MW) SOEC-järjestelmille. Diplomityön kirjallisuuskatsauksesta tulee ilmi, että paineistus lisää SOEC-järjestelmän kokonaishyötysuhdetta noin 5-7% kun otetaan huomioon kompressiosta säästynyt energia. Pienimmissä mittakaavoissa paineistuksen CAPEX pienempi kuin atmosfäärisen järjestelmän sekä höyry että co-elektrolyysissä. Suurimmissa mittakaavoissa paineistuksen CAPEX on samaa luokkaa kun atmosfäärisen järjestelmän, sillä kompressorin kustannukset laskevat huomattavasti suuressa mittakaavassa. Paineistus ei siis välttämättä kannata suurissa mittakaavoissa kompressorin skaalausedun takia. Toisaalta kompressori nostaa systeemin sähkönkulutusta noin 3-4%, mikä johtaa korkeisiin kustannuksiin erityisesti isossa mittakaavassa ja tämä saattaa tehdä paineistetusta järjestelmästä atmosfääristä houkuttelevamman vaihtoehdon.

Description

Supervisor

Santasalo-Aarnio, Annukka

Thesis advisor

Weiss, Robert

Keywords

SOEC, CAPEX, electrolysis, pressurization, hydrogen

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208285211

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG