Computer simulations for designing green energy solutions

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-09-15
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
80 + app. 96
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 128/2023
Abstract
Reducing the CO2 emissions and mitigating climate change is the grand challenge facing humanity in the next couple of decades. Hydrogen has emerged as an economically viable alternative to fossil carbon based fuels in various industries, such as steel production, transportation and even biochemical food production. In order to effectively reduce the carbon emissions the hydrogen must be produced via electrolysis from water, as the prevailing standard method of steam reforming extracts hydrogen from fossil hydrocarbons, producing carbon emissions as byproduct. The fundamental theme in reducing carbon emissions is renewable energy production. This thesis studies how computer simulations can be used in designing and improving different solutions tapping into the vast amount of energy available in everyday environment. The paradigm behind this thesis work is that in order to optimize any design, we must first understand how the laws of physics influence the operation of the device to be optimized, while ultimately pursuing the ability to predict the effects of design changes. This thesis covers two separate cases of developing computer models explaining the operation of renewable energy devices. The first case is electricity production from streaming current in nanoscale porous structures, driven by constant evaporation of water. The porous structure presents a multiphase fluid dynamics problem, where the flow of water generating the electricity depends on various material properties and ambient conditions. The work in this thesis demonstrates how a carefully designed multiphysics simulation can not only reproduce experimental results known when building the model, but also produce emergent behaviour that can be experimentally verified. The second case is photoelectrochemical water splitting, converting sunlight to hydrogen with a single, monolithic semiconductor device without the need for electrical grid connections. This case is first simulated using a semi-classical theory based on the Boltzmann transport equation. However, as the design of new materials and electrode geometry increasingly utilizes nanoscale features, the classical approximations behind the Boltzmann equation are no longer accurate. Another method to simulate the semiconductor electrodes is the quantum mechanical formalism of nonequilibrium Green's functions (NEGF), which has been widely utilized in simulating solar cells and transistors. This work demonstrates that NEGF can be applied to modeling photoelectrochemical devices, offering significant improvement.The results cover how computational models can help not only understanding the behaviour of nanoscale solutions for renewable energy, but also provide critical ability to optimize device design to maximize the efficiency.

Hiilidioksidipäästöjen vähentäminen ja ilmastonmuutoksen hillitseminen on ihmiskunnan suurin haaste seuraavien vuosikymmenten aikana. Vety on noussut taloudellisesti kannattavaksi vaihtoehdoksi fossiilisille hiilipohjaisille polttoaineille eri teollisuudenaloilla, kuten teräksen tuotannossa, liikenteessä ja jopa biokemiallisessa elintarviketuotannossa. Jotta hiilidioksidipäästöjä voitaisiin vähentää tehokkaasti, vetyä on tuotettava elektrolyysillä vedestä, sillä teollisuudessa nykyisin käytetty vakiomenetelmä, höyryreformointi, erottaa vetykaasun fossiilisista hiilivedyistä, jolloin sivutuotteena syntyy samat hiilidioksidipäästöt kuin hiilivedyn polttamisessa suoraan. Hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä keskeistä on uusiutuvan energian tuotanto. Tässä väitöskirjassa tutkitaan, miten tietokonesimulaatioita voidaan käyttää ympäristöystävällisten energiaratkaisujen suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöskirjan perusajatus on, että minkä tahansa laitteen optimoimiseksi on ensin ymmärrettävä, miten fysiikan lait vaikuttavat sen toimintaan. Vasta sitten on mahdollista ennustaa eri muutosten vaikutuksia laitteen tehokkuuteen. Tässä väitöskirjassa tutkitaan tietokonesimulaatioita kahdesta erillisestä uusiutuvan energian tuotantomenetelmästä. Ensimmäinen on sähköntuotanto veden haihtumisesta seuraavasta vesivirtauksesta huokoisissa rakenteissa. Huokoisesta rakenteesta seuraa monifaasinen virtausdynamiikan ongelma, jossa sähköä tuottavan veden virtaus riippuu sekä materiaalin ominaisuuksista että toimintaympäristön olosuhteista. Väitöskirjassa osoitetaan, miten huolellisesti suunniteltu simulaatio voi paitsi toistaa kokeelliset tulokset joiden pohjalta malli on rakennettu, myös ennustaa käyttäytymistä, joka voidaan jälkeenpäin todentaa kokeellisesti. Toinen tapaus on valosähkökemiallinen vedyn tuotanto, jossa auringonvalo muunnetaan vedyksi yhdellä monoliittisella puolijohdekomponentilla ilman ulkoista sähköntuotantoa. Tätä tapausta simuloidaan ensin Boltzmannin kuljetusyhtälöön perustuvalla mallilla. Koska uusien materiaalien suunnittelussa ja elektrodien geometriassa hyödynnetään kuitenkin yhä enemmän nanokokoluokan ominaisuuksia, Boltzmannin yhtälön taustalla olevat klassiset oletukset eivät ole enää tarkkoja. Toinen menetelmä puolijohde-elektrodien simuloimiseksi on kvanttimekaaninen formalismi (NEGF, nonequilibrium Green's function), jota on laajalti hyödynnetty aurinkokennojen ja transistorien simuloinnissa. Tässä työssä osoitetaan, että NEGF:ää voidaan soveltaa valosähkökemiallisten laitteiden mallintamiseen, ja se kykenee tuottamaan merkittävästi parempia tuloksia kuin aiemmat menetelmät. Tulokset osoittavat, miten tietokonesimulaatiot voivat sekä auttaa ymmärtämään laitteiden toimintaa syvällisemmin, että tarjota kyvyn optimoida laitesuunnittelua tehokkuuden kasvattamiseksi.
Description
Supervising professor
Tittonen, Ilkka, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Keywords
simulation, energy, electrochemistry, semiconductor, quantum mechanics, simulaatio, energia, sähkökemia, puolijohde, kvanttimekaniikka
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Lassi Hällström, Camilla Tossi, Ilkka Tittonen. Computational Study Revealing the Influence of Surface Phenomena in p-GaAs Water-Splitting Cells. J. Phys. Chem. C, 2021, 125, 12478–12487, May 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202107017911
    DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c00982 View at publisher
  • [Publication 2]: Lassi Hällström, Ilkka Tittonen. Nonequilibrium Green’s Function simulation of Cu2O photocathodes for photoelectrochemical hydrogen production. Submitted for publication, March 2023
  • [Publication 3]: Lassi Hällström, Tomi Koskinen, Camilla Tossi, Taneli Juntunen, Ilkka Tittonen. Multiphysics simulation explaining the behaviour of evaporation-driven nanoporous generators. Energy Conversion and Management, 256, 115382, March 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202203152245
    DOI: 10.1016/j.enconman.2022.115382 View at publisher
  • [Publication 4]: Camilla Tossi, Lassi Hällström, Jorma Selin, Marko Vaelma, Erich See, Jouko Lahtinen, and Ilkka Tittonen. Size- and density-controlled photodeposition of metallic platinum nanoparticles on titanium dioxide for photocatalytic applications. J. Mater. Chem. A, 7, 14519, March 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201907304584
    DOI: 10.1039/C8TA09037H View at publisher
  • [Publication 5]: Erich See, Camilla Tossi, Lassi Hällström, Ilkka Tittonen. Photodeposition of RuOx Nanostructures on TiO2 Films with a Controllable Morphology. ACS Omega, 5, 19, 10671–10679, May 2020.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202006013484
    DOI: 10.1021/acsomega.9b04077 View at publisher
Citation