Modeling, dynamic analysis and control of a ReSOC stack in Modelica

The increasing diffusion of systems able to exploit renewable sources introduced a balancing problem of the electric grids due to RES intrinsic unpredictability. A possible solution to mitigate the problem is the electric energy storage. EES makes viable the decoupling between energy production and energy consumption, with advantages for the grid regulator. Reversible solid oxide cells (ReSOC), which can store energy converting it into fuel and then back into energy when needed (Power To Gas To Power: P2G2P), is one of the most promising technologies due to its high efficiency, good performances, modularity, fuel flexibility, long term cost outlook and a roundtrip efficiency in line with other electric energy storage (EES) technologies. The main focus of this work is the detailed analysis of a ReSOC stack. This objective is reached through the creation of a model for the electrolyser in Modelica language. This model will complete the ReSOC, operating along with the SOFC model already developed and present in the Fuel Cell Library present in Dymola. The model has been tested, together with the SOFC model, comparing its accuracy with respect to model already developed present in literature. The comparison highlighted similar results in simulating the behaviour of the cell in different operating conditions. Simulation, therefore, were performed in order to test system response to disturbances in the electric current, which are frequent for systems coupled with RES. A better comprehension of the physics of the system was achieved. Furthermore, system dynamics have been analysed to control the system. The ReSOC stack transfer functions were studied with the help of Dymola functionalities and ad hoc scripts realised with MATLAB, consistently to the classic control theory. The analysis pointed out that input and outputs are strongly decoupled, therefore it is possible to control the system via traditional controllers such as PI. Investigating further control strategies were considered unnecessary. PI regulator were tuned in MATLAB via the package Control System Toolbox and the transfer functions of the regulator/ReSOC system were reported.

La sempre più crescente diffusione di impianti in grado di sfruttare le energie rinnovabili ha introdotto un problema di bilanciamento per le reti elettriche, problema dovuto all'intrinseca aleatorietà delle fonti rinnovabili. Per far fronte a ciò, una delle possibili soluzioni è l'accumulo di energia elettrica: tramite l'accumulo è possibile disaccoppiare produzione e consumo di energia, con conseguenti vantaggi in termini di gestione delle reti. Le celle reversibili ad ossidi solidi (ReSOC), che puntano all'accumulo di energia sotto forma di combustibile secondo lo schema Power to Gas to Power (P2G2P) sembrano essere promettenti per via delle loro ottime prestazioni, alta efficienza, modularità e flessibilità nella scelta del combustibile, oltre ad avere costi accettabili sul lungo termine e un'efficienza di roundtrip in linea con le altre tipologie di EES. L'obiettivo di questo studio è l'analisi approfondita di uno stack ReSOC; tale obiettivo viene conseguito tramite la creazione di un modello per elettrolizzatore in linguaggio Modelica. Esso dovrà essere in grado di affiancarsi al modello di cella a combustibile ad ossidi solidi già sviluppato e presente nella Fuel Cell Library di Dymola, completando la ReSOC. Tale modello è stato dunque testato, comparando la sua accuratezza rispetto a modelli già presenti in letteratura, in entrambi i campi di funzionamento. La comparazione ha evidenziato buoni risultati nel simulare il comportamento della cella in varie condizioni operative. Successivamente, il modello è stato sottoposto a diverse simulazioni per testarne la risposta ai disturbi di corrente, tipici dei sistemi accoppiati a fonti rinnovabili; tali simulazioni hanno permesso una maggiore comprensione della fisica del sistema. Infine, è stata analizzata la dinamica del sistema in ottica di controllo. Tramite le funzioni presenti in Dymola e script ad hoc sviluppati in MATLAB, il sistema è stato analizzato in maniera analitica tramite lo studio delle funzioni di trasferimento, coerentemente a quanto previsto dalla teoria del controllo. Le analisi hanno evidenziato un buon disaccoppiamento fra le variabili di controllo scelte e le variabili controllate di interesse, dunque il sistema è risultato controllabile tramite regolatori tradizionali, come una semplice architettura di controllo realizzata con due regolatori PI; non è stato ritenuto necessario indagare strategie di controllo più complesse. I regolatori PI sono stati tarati in MATLAB con l'ausilio del pacchetto Control System Toolbox e sono state riportate le funzioni di trasferimento per il sistema regolatore/ReSOC.