Development of solid oxide fuel cell and electrolyser system simulation tools
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan 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
2024-08-29
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
90
Series
Abstract
The shift away from fossil fuels is necessary to avoid greenhouse gas emissions that cause climate change and damage to the environment. An attractive opinion towards carbon-free society is hydrogen economy. However, in today’s world, majority of hydrogen is produced from fossil fuels. Essential element towards widespread green hydrogen economy are efficient electrolysis and fuel cell technologies to sustainably produce, use and refine hydrogen. Solid oxide is among the most promising and up-and-coming fuel cell and electrolysis technologies due to high efficiency and effective process integration. In this thesis, solid oxide electrolysis system simulations were built to study the performance, heat balance and mass balance of the systems. The goal of the thesis was to validate a process simulation software, DWSIM, based on experimental data with another simulation software, Aspen Plus, and to create steady state simulation models of various solid oxide electrolysis system concepts with DWSIM. The results showed that both simulation software present very similar results and the differences were minimal. Therefore, it can be concluded that DWSIM is an appropriate tool for steady state simulation of solid oxide electrolysis systems. The simulation of the electrolysis system concepts displayed system efficiencies of 81%-91%, which are corresponding to commercially available solid oxide electrolysis systems.Siirtyminen pois fossiilisista polttoaineista on välttämätöntä kasvihuonekaasupäästöjen välttämiseksi, jotka aiheuttavat ilmastonmuutosta ja vahinkoa ympäristölle. Vetytalous on houkutteleva vaihtoehto hiilivapaata yhteiskuntaa kohti. Kuitenkin nykymaailmassa suurin osa vedystä tuotetaan fossiilisia polttoaineita käyttäen. Tehokkaat ja kestävät elektrolyysi- ja polttokennoteknologiat mahdollistavat vedyn tuotannon, jalostamisen ja loppukäyttön, jonka takia ne ovat olennaisia tekijöitä vihreän vetytalouden laajalle levittäytymiseen. Kiinteäoksidi on yksi lupaavimmista ja kehittyvistä polttokenno- ja elektrolyysiteknologioista. Tässä opinnäytetyössä rakennettiin kiinteänoksidielektrolyysijärjestelmien simulaatioita järjestelmien suorituskyvyn, lämpötasapainon ja massatasapainon tutkimiseksi ja analysoimiseksi. Opinnäytetyön tavoitteena oli validoida prosessisimulaatio-ohjelmisto, DWSIM, kokeellisen datan perusteella sekä toisen simulaatio-ohjelmiston Aspen Plus avulla. Lisäksi työssä luotiin tasapainotilasimulaatioita DWSIM -simulaatio-ohjelmistoa käyttäen erilaisista kiinteäoksidielektrolyysijärjestelmäkonsepteista sekä analysoitiin niiden suorituskykyä. Tulokset osoittavat, että molemmat simulaatio-ohjelmistot tuottavat hyvin samankaltaisia tuloksia ja erot ovat vähäisiä. Näin ollen voidaan päätellä, että DWSIM on sopiva työkalu kiinteäoksidielektrolyysijärjestelmien tasapainotilasimulaatioon. Elektrolyysijärjestelmäkonseptien simulaatio osoitti järjestelmien hyötysuhteiksi 81%-91%, mitkä ovat samaa suuruusluokkaa kaupallisten kiinteäoksidielektrolyysijärjestelmien kanssa.Description
Supervisor
Alopaeus, VilleThesis advisor
Lehtinen, TimoKeywords
SOEC, SOFC, hydrogen, process simulation, electrolysis, fuel cell