Dynamic modelling of a PEM electrolysis system : optimal operation for coupling with renewable energy sources

In a scenario of impressive growth in the installed capacity of electricity generation systems based on Renewable Energy Sources (RES), aiming at replacing the current carbon-intensive plants, the uncertainty and variability in the power generation is increasing, consequently requiring an increase in the flexibility of the power grid. Energy storage by means of hydrogen, produced from renewable power sources, could play a pivotal role in balancing inflexible or intermittent supply typical of these energy sources. This work aims at finding and evaluating strategies for optimizing the operation of electrolyzers based on PEM technology when coupled with renewable energy sources, by exploiting a dynamic model of a PEM electrolyzer system. In the first part of the work, an existing dynamic model of a PEM electrolyzer, realized in Simulink®, is improved, completed and validated. During this process, suggestions for the modelling of PEM electrolyzers are proposed. The model validation is carried out by using datasets from the operation of a 60 kW commercial unit tested at the University of California Irvine. The second part regards the optimization of the system operation , with particular focus on the case of coupling with variable RES. The system properly follows dynamic loads and has fast start-ups. The optimization of the system startup revealed a potential increase in efficiency up to 13% in case of intermittent use. The system net efficiency is equal to 57% at full load, but drops significantly at partial load, with an efficiency of 27% at 20% of the rated power, mainly due to hydrogen losses in the drying system. The optimization of the use of this system led to an increase in efficiency at partial load up to 23%pt., while the optimization of the auxiliaries use carried an efficiency increase up to 12%pt.. at partial load. System operation at high pressure results to be the more convenient the higher the average load of use of the system. Hydrogen crossover and its dependence on pressure turned out to be a fundamental variable in the evaluation of high pressure performance, requiring further efforts in the modelling of this phenomenon.

In un contesto di grandissima crescita della capacità rinnovabile installata, volta a sostituire gli attuali sistemi di generazione elettrica ad alta intensità di carbonio, l'incertezza e la variabilità della generazione di energia sono in aumento, richiedendo pertanto una maggiore flessibilità dei sistemi energetici. L'immagazzinamento di energia mediante idrogeno prodotto da fonti di energia rinnovabile potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nel bilanciare la produzione non programmabile ed intermittente tipica di queste fonti di energia. Questo lavoro mira a trovare e valutare delle strategie per ottimizzare il funzionamento dei sistemi di elettrolisi basati su tecnologia PEM quando accoppiati a fonti di energia rinnovabile, sfruttando un modello dinamico di un elettrolizzatore. Nella prima parte del lavoro, un modello dinamico esistente di un elettrolizzatore PEM, realizzato in Simulink®, è migliorato, completato e validato. Durante questo processo, vengono proposti suggerimenti per la modellazione di elettrolizzatori PEM. La validazione è effettuata utilizzando dati provenienti dal funzionamento di un elettrolizzatore PEM commerciale da 60 kW, testato presso l'Università della California Irvine. La seconda parte riguarda l'ottimizzazione del funzionamento del sistema, con particolare attenzione al caso di accoppiamento con fonti di energia rinnovabile non programmabili. Il sistema segue adeguatamente i carichi dinamici ed ha transitori di avviamento veloci. L’ottimizzazione dell’avviamento ha rivelato un potenziale aumento di efficienza fino al 13% in caso di uso intermittente. L’efficienza netta del sistema è pari al 57% a carico nominale, ma scende significativamente a carico parziale, con un’efficienza del 27% al 20% del carico, principalmente a causa delle perdite di idrogeno nel sistema di purificazione dell’idrogeno. L’ottimizzazione dell’uso di tale sistema ha portato ad un incremento di efficienza a carico parziale fino a 23%pt., mentre l’ottimizzazione dell’uso degli ausiliari fino a 12%pt.. Il funzionamento del sistema ad alte pressioni risulta essere più conveniente tanto più alto è il carico. Conoscere il crossover di idrogeno e la sua dipendenza dalla pressione è fondamentale nella valutazione delle performance ad alta pressione, richiedendo maggiore ricerca nella modellizzazione di tale fenomeno.