Dynamic modeling of a 25 kW alkaline electrolysis unit

Hydrogen represents a solution with great potential in the field of decarbonisation since it allows large quantities of energy with contained costs. Consequently, it makes possible to drastically increase the production of energy from non-programmable and intermittent renewable sources, such as wind and solar, acting as a balancer for the electricity grid. In this context, electrolysers become crucial to generate hydrogen from renewable energy sources. The objective of this work is to analyze a 25 kW alkaline electrolyzer designed by Engie EPS, to describe its functioning and to model its dynamic behaviour over time. Firstly it is introduced a techno-economic comparison among the three main categories of commercial electrolysers. It is then described the operation of the alkaline electrolyzer under study, also explaining regulation and control logic. Then it is clarified in-depth how the dynamic model has been built, starting from the specification of fluid properties, heat transfer coefficients and friction factors used in the model and going on with the explanation of the analytical equations which have been implemented to model system components. In particular, the model is able to characterize the electrochemical behaviour of the stack through the implementation of a theoretical polarization curve whose coefficients have been appropriately calibrated to better represent the system under analysis, but also to evaluate fluid-dynamic and thermal balances for the stack and for all the other components present in the system. Finally, the model is validated against experimental data, which confirms that the model is able to describe with sufficient precision the behaviour of the system under dynamic operating conditions, and it is demonstrated that the implemented balances generate feasible outputs.

L’idrogeno rappresenta una soluzione con grande potenziale nell’ambito della decarbonizzazione perchè permette di stoccare grandi quantità di energia con costi contenuti. Di conseguenza rende possibile aumentare drasticamente la produzione di energia da fonti rinnovabili non programmabili ed intermittenti, come eolico e solare, agendo da equilibratore per la rete elettrica. In questo contesto, gli elettrolizzatori diventano cruciali per generare idrogeno da fonti rinnovabili. L’obiettivo di questa tesi è analizzare un elettrolizzatore alcalino da 25 kW progettato da Engie EPS, descriverne il funzionamento e modellarne il comportamento dinamico nel tempo. In primo luogo si introduce un confronto tecnico-economico tra le tre principali categorie di elettrolizzatori commerciali. Si descrive poi il funzionamento dell’elettrolizzatore alcalino oggetto dello studio, spiegandone anche la logica di regolazione e controllo. Viene poi chiarito nel dettaglio come è stato costruito il modello dinamico, partendo con lo specificare le proprietà dei fluidi, i coefficienti di scambio termico e i fattori di attrito utilizzati nel modello e proseguendo con la spiegazione delle equazioni analitiche che sono state implementate per modellizzare i componenti del sistema. In particolare, il modello è in grado di caratterizzare il comportamento elettrochimico dello stack attraverso l’implementazione di una curva di polarizzazione teorica i cui coefficienti sono stati opportunamente tarati per meglio rappresentare il sistema in analisi, ma anche di valutare bilanci fluidodinamici e termici per lo stack e per tutti gli altri componenti presenti nel sistema. Infine, il modello viene validato a fronte di dati sperimentali, che confermano che il modello è in grado di descrivere con sufficiente precisione il comportamento del sistema in condizioni dinamiche di funzionamento, e si dimostra che i bilanci implementati generano output verosimili.