Analysis and simulation of a 2 MW PEM fuel cell plant for hydrogen recovery from a chlor-alkali industry

In a framework characterized by high energy costs and strict legislations on the emission of greenhouse gasses, the installation of a PEM (“polymeric electrolyte membrane”) fuel cell in a chlor-alkali plant that utilizes the byproduct hydrogen to produce electricity and heat would allow to reduce the emissions and the electricity cost of the industry. This work is developed under DEMCOPEM-2MW project, a European Project led by AkzoNobel (NL) to demonstrate the feasibility, reliability and availability of a combined heat and power PEM FC generator integrated in a chlorine production facility in China, to provide 2 MW of electric power and 1,5 MW of heat. The work is organized in two parts. In the first part, an analysis of data collected during the first months of operation of the plant is conducted in order to evaluate the actual plant operation. Special attention is paid in the analysis of the voltage variation over time. This analysis highlights the presence of two mechanisms for cells deterioration: a recoverable decay and a non-recoverable one. Therefore, methodologies to compute the cells decay rate are proposed. The second part is related to the choice of a control strategy that allows to optimize the plant operation over time. To reach this goal, plant simulations are performed utilizing a model of the PEM Fuel Cell that has been developed with the software Aspen Custom Modeler® and a model of the plant developed with the software Aspen Plus®. Before that, however, the model has to be improved and validated.

In un contesto caratterizzato da alti costi per l’energia e regolazioni sempre più severe sull’emissioni di gas serra, l’installazione di una cella a combustibile PEM (“polymeric electrolyte membrane” – “membrana a elettrolita polimerico”) in un impianto di produzione di cloro-alcali che utilizzi l’idrogeno, sottoprodotto del processo, per produrre elettricità e calore permetterebbe di ridurre le emissioni e i costi di produzione energetica dell’industria. Questo lavoro è svolto nell’ambito del progetto DEMCOPEM-2MW, un progetto europeo guidato da AkzoNobel (NL) per dimostrare la fattibilità, affidabilità e disponibilità di un impianto combinato con celle a combustibile PEM per la produzione di 2 MW di potenza elettrica e 1,5 MW di calore, integrato in una industria per la produzione di cloro in Cina. Il lavoro si articola in due fasi. Viene innanzitutto condotta un’analisi dei dati raccolti durante i primi mesi di esercizio dell’impianto per valutare il suo reale funzionamento. Particolare attenzione è rivolta all’analisi della variazione della tensione nel tempo, la quale evidenzia la presenza di due meccanismi di deterioramento delle celle: un decadimento recuperabile e uno irrecuperabile. Vengono quindi proposte delle metodologie per il calcolo del tasso di decadimento delle celle. La seconda parte riguarda la scelta di una strategia di controllo che permetta di ottimizzare il funzionamento dell’impianto nel tempo. Per raggiungere questo scopo viene simulato il funzionamento dell’impianto utilizzando un modello della cella a combustibile realizzato con il software Aspen Custom Modeler® e un modello dell’impianto realizzato mediante l’utilizzo del software Aspen Plus®. È però necessario, prima di poter simulare il comportamento dell’impianto in diverse condizioni operative, migliorare e validare i modelli da utilizzare.