Process system modeling of reversible solid oxide cell (rSOC) energy storage system

The increase of contribution of intermittent renewable energy sources’ (RES) to the power grids, has driven the need for temporal decoupling of electricity supply and demand. Electric energy storage (EES) is a solution for facilitating the integration of RES to the grid, as well as grid stabilization. One of the most promising and efficient techniques for EES, is the conversion of electricity into the chemical energy through electrolysis of H2O and CO2 the production of gasses such as H2, CO, and synthetic natural gas (SNG). This procedure is known as Power-to-Gas (P2G) technology and could be achieved through an electrolyzer. The stored electric energy could be retrieved by conversion of these fuel gasses to electricity through fuel cell, known as Gas-to-Power (G2P) technology. A reversible solid oxide cell (rSOC) is a potential system for applying both P2G and G2P concepts and an efficient EES system. The rSOC enables storage of surplus electricity through electrochemical reactions when it is in electrolysis mode (P2G). In time of electricity demand, the reserved energy in form of chemical compounds could be converted to electricity when the cell operates as a fuel cell (G2P). In this thesis, an rSOC-based energy storage system has been modeled using Aspen Plus® V8.8 based on database from a commercially available solid oxide cell stack experimentally characterized at DLR institute. The modeled rSOC reactor, is a 10-cell ESC type reactor working with H-C-O elemental based gasses which increased the flexibility of the system’s application such as integration to natural gas grid. A thermally self-sustaining system configuration has been proposed by optimal integration of latent heat storage (LHS) system, nickel-based catalytic reactors, and balance of plant components to the rSOC reactor. The generated heat in fuel cell mode is exploited by phased change materials in LHS system to enable the endothermic operation of reactor in its electrolysis mode which results in higher roundtrip efficiency. Moreover, LHS system eliminates the need for external heat sources such as fuel combustors and electric heaters. Under the reference conditions (ESC type stack, pressure = 1 bar, and current density = 0.4 A cm-2), the system roundtrip efficiency reaches 54.33 %. The thermal analysis of reference case has shown that, from all the heat stored in LHS tanks during fuel cell mode, 90 % is utilized to offset heat demand of system in its electrolysis mode for electrochemical reduction reactions and preheating of inlet streams. Parametric analysis on pressure and current density has revealed the significance of heat storage tanks in thermal management of the system even when the rSOC reactor enters its exothermic mode of electrolysis. Increase of pressure has a beneficial impact on rSOC performance and yet a detrimental effect on the overall system behavior due compression power. Based on the findings and results of parametric analysis, a modification has been applied on the system design in order to enhance its performance. The improved model demonstrates that the system roundtrip efficiency can reaches 60.39 % at 25 bar. A sensitivity analysis on reactor structure has proven that achieving the same system performance, an ASC stack requires less area in comparison with ESC stack.

In questi ultimi anni si è assistito ad un considerevole aumento percentuale del contributo di produzione di energia elettrica da fonti energetiche rinnovabili (FER), tale produzione ha la peculiarità di non essere continua nel tempo ma presenta caratteristiche di forte intermittenza, esse sono dovute esclusivamente alla disponibilità temporale della fonte rinnovabile utilizzata (solare, eolica, etc.). Per facilitare l’integrazione della generazione distribuita da fonti rinnovabili nella rete elettrica nazionale e garantire nel contempo la stabilità della rete stessa, è sorta la necessità di disaccoppiare domanda ed offerta di energia elettrica, tale disaccoppiamento temporale può essere attuato mediante lo stoccaggio di energia elettrica (EES) in altre forme di energia. Una delle tecniche più promettenti ed efficienti per l’accumulo di energia elettrica è la sua conversione in energia chimica mediante elettrolisi, con conseguente produzione di gas quali idrogeno, monossido di carbonio e gas naturale sintetico (SNG). Questa procedura è nota in letteratura con il termine “Power-to-Gas” (P2G) e per essere implementata necessita di un sistema di elettrolisi. Mediante la procedura inversa, nota in letteratura con il termine di “Gas-to-Power” (G2P), è poi possibile la conversione di energia chimica in energia elettrica. Quest’ultimo processo può essere realizzato mediante l’utilizzo di sistemi di conversione basati sulla tecnologia delle celle a combustile. Una cella reversibile ad ossidi solidi (rSOC) costituisce la base per un sistema di conversione di energia bidirezionale: consente infatti lo stoccaggio delle eccedenze di energia elettrica attraverso reazioni elettrochimiche quando è in modalità di elettrolisi (P2G) ma, nel momento della richiesta di energia elettrica da parte dell’utenza, l'energia stoccata in forma di composti chimici viene riconvertita in energia elettrica facendo funzionare il sistema come una normale cella a combustibile (G2P). In questa tesi è stato sviluppato il modello dettagliato di un sistema di accumulo di energia elettrica basato su una cella ad ossidi solidi reversibile, il modello è stato compilato presso il German Aerospace Center (DLR), Institute of Engineering Thermodynamics, utilizzando il software commerciale Aspen Plus® v8.8. Il modello è stato successivamente validato mediante una base di dati sperimentali disponibile per una pila di celle ad ossidi solidi commerciale, precedentemente caratterizzata nel medesimo Istituto. Il sistema modellato è costituito da 10 celle ad elettrolita supportato (ESC) e può essere alimentato con diversi gas, tra questi il gas naturale proveniente dalla normale rete di distribuzione. Il sistema proposto è stato progettato per essere termicamente autosufficiente, la pila di celle è infatti accoppiata ad un sistema in grado di accumulare il calore latente mediante l’utilizzo di materiali catalitici a base di nichel (Latent Heat Storage LHS). Il calore generato in modalità “cella a combustibile” (G2P) viene progressivamente convertito in aumento di energia interna dai materiali a cambiamento di fase. Quando il sistema funziona invece in modalità P2G, l’energia interna del sistema LHS viene trasferita sotto forma di calore al sistema di conversione per alimentare la reazione endotermica di elettrolisi. L’utilizzo di un sistema LHS permette di ottenere una migliore efficienza energetica complessiva, consentendo nel contempo di avere un impianto semplificato senza la presenza di combustori o riscaldatori ausiliari. Nelle condizioni di progetto (pressione = 1 bar e densità di corrente = 0.4 A cm-2), il sistema raggiunge un’efficienza complessiva del 54.33%. L'analisi termica del caso di riferimento ha messo in evidenza che il 90% dell’energia interna immagazzinata nel sistema LHS durante la modalità G2P, viene utilizzata come calore per le reazioni di elettrolisi e per il preriscaldamento dei flussi di ingresso al sistema. L’analisi parametrica condotta sulla pressione e sulla densità di corrente utilizzate nel sistema ha permesso di modificare il sistema stesso, per esso è stata proposta una pressione di 25 bar. Il modello applicato al sistema così modificato stima un’efficienza complessiva del 60.39%.