Modeling, design, and optimization of hydrogen based energy conversion systems
Author(s)
Loreti, Gabriele
Date Issued
June 14, 2021
Type
Doctoral Thesis
Abstract
High-efficiency and low emissions hydrogen-based stationary multi-energy generation has an increasing important role. However, the full potential of hydrogen technologies can unfold only by accurate design and optimization of operation. In this regard, steady state modeling can quantify the performance and drive the design of innovative hydrogen-based energy systems. Moreover, the results of the modeling represent the input for realistic energy management scenario analysis. In such analysis, through an optimization algorithm is possible to quantify the overall economic and environmental advantages of the innovative energy systems with respect to state of the art systems for long time spans (i.e. one year operation). Specifically, this thesis studies three di erent fuel cell technologies: (i) polymer electrolyte membrane fuel cells, (ii) high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells, and (iii) solid oxide fuel cells. All these systems have different peculiarities and critical issues to analyze.
Polymer electrolyte membrane fuel cells are the reference technology for automotive applications given the good dynamic characteristics. The high productive volume of automotive sector can be a crucial aspect to lower the cost also for stationary systems. However, automotive derivative polymer electrolyte membrane fuel cells require high purity hydrogen to be produced in advanced and high efficiency fuel processors. Therefore, chapter 1 studies the performance of combined heating and power systems based on automotive derivative fuel cell whose fuel processors integrate selective membranes. Moreover, chapter 2 studies the design of a membrane-integrated natural gas reforming system. The thermal power recovered in polymer electrolyte membrane fuel cells based combined heating and power systems can not be exploited in warm seasons and climates.
Therefore, chapter 3 studies the integration of low temperature thermally driven cooling technologies in an automotive derivative combined heating and power system. Solid oxide fuel cells are a promising technology for biogas energy conversion having high efficiency and high fuel
exibility. Moreover, solid oxide fuel cells combined heating and power systems can unlock the energy potential of several distributed and small scale biogas sources. However, the biogas fuel processor has to be carefully designed to increase the efficiency and the durability of the overall system. Therefore, chapter 4 compares integrated fuel processing options for biogas-fed solid oxide fuel cell combined heating and power systems.
High temperature polymer electrolyte membrane fuel cells inherit good dynamic characteristics from polymer electrolyte membrane fuel cells and fuel exibility from solid oxide fuel cells. However, fuel processors designs originally conceived for both polymer electrolyte membrane fuel cells and solid oxide fuel cells are not optimal for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells systems. In fact, the intermediate temperature of such devices makes the steam reforming energetically inconvenient to sustain, given the fuel exibility. Therefore, chapter 5 studies an innovative hybrid high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell - gas
turbine combined heating and power system whose fuel processor produces hydrogen from natural gas through the partial oxidation reaction.
I sistemi di produzione di energia stazionaria ad alta efficienza e a basse emissioni basati sull'idrogeno hanno un ruolo sempre più importante. Il pieno potenziale delle tecnologie basate su idrogeno può però essere pienamente valorizzato solo con un'accurata progettazione e con l'ottimizzazione del funzionamento. In quest'ottica, la modellazione stazionaria può essere utilizzata per quantificare le prestazioni e guidare la progettazione di sistemi basati sull'idrogeno. I risultati della modellazione possono inoltre rappresentare l'input per delle analisi tecnico-economiche in contesto energetico realistico. In queste analisi si quantificano tramite un algoritmo di ottimizzazione i vantaggi economici ed ambientali dei sistemi energetici innovativi rispetto a sistemi tradizionali e con ottica di lungo periodo (almeno annuale). Nello specifico nella tesi si studiano tre differenti tecnologie di celle a combustibile: (i) celle a combustibile ad elettrolita polimerico, (ii) celle a combustibile ad elettrolita polimerico ad alta temperatura e (iii) celle a combustibile ad ossidi solidi. Tutti questi sistemi hanno differenti peculiarità ed aspetti critici da analizzare. Le celle a combustibile ad elettrolita polimerico rappresentano la tecnologia di riferimento per le applicazioni automobilistiche, date le ottime caratteristiche dinamiche. L'alto volume di produzione del settore automobilistico _e un aspetto cruciale per la riduzione dei costi anche per i sistemi stazionari. Le celle a combustibile ad elettrolita polimerico richiedono però a monte la produzione di idrogeno di elevata purezza. Il capitolo 1 studia le prestazioni di sistemi cogenerativi basati su celle a combustibile ad elettrolita polimerico di derivazione automobilistica che vengono alimentate con un sistema di produzione di idrogeno con membrane selettive. Il capitolo 2 inoltre studia nel dettaglio la progettazione del reattore di reforming con membrane selettive. La potenza termica di bassa temperatura ricavata in sistemi cogenerativi basati su cella a combustibile ad elettrolita polimerico poi non può essere sfruttata nei climi e nelle stagioni più calde. Per questo motivo nel capitolo 3 si studia l'integrazione di macchine ad assorbimento \ half effect" che possano produrre potenza frigorifera a a partire da calore cogenerativo a bassa temperatura. Le celle a combustibile ad ossidi solidi sono una tecnologia promettente per la conversione energetica del biogas avendo una elevata essibilità per il combustibile in ingresso grazie all'alta temperatura. I sistemi cogenerativi basati su celle a combustibile ad ossidi solidi inoltre possono sviluppare il potenziale di diversi piccoli siti distribuiti di produzione di biogas. Il sistema di pretrattamento dei gas per tali sistemi va però attentamente progettato per aumentarne l'efficienza e la durabilità. A questo scopo nel capitolo 4 si comparano nel dettaglio dei sistemi di pre-trattamento integrati che implementano diverse tecnologie per trarre informazioni su quale sia migliore. Le celle a combustibile ad elettrolita polimerico ad alta temperatura mantengono le buone caratteristiche dinamiche della corrispettiva versione a bassa temperatura, avendo al contempo una maggiore essibilità per la qualità del combustibile in ingresso. Si riscontra però che i sistemi di pretrattamento del combustibile basati su steam reforming usualmente impiegati per celle a combustibile ad elettrolita polimerico e ad ossidi solidi non sono in questo caso la migliore alternativa. Per sistemi come le celle a combustibile ad elettrolita polimerico ad alta temperatura e infatti possibile avere migliori prestazioni energetiche con pretrattamento del combustibile basato su ossidazione parziale. Nel capitolo 5 infatti si studia un innovativo sistema ibrido con turbina a gas per la produzione di idrogeno da gas naturale tramite la reazione di ossidazione parziale.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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