Optimization of 100kW to MW-size PEM fuel cell power plants for flexible operation through dynamic modeling and simulation

The increasing penetration of variable renewable sources in the electricity market undermines the security of the electricity supply, hence the integration of enough flexible resources is needed to help balancing the grid. Among all possible solutions, this work focuses on a fuel cell power plant based on low temperature PEM technology for the provision of grid balancing services set up in the framework of the EU project GRASSHOPPER. First, a dynamic model implemented in Simulink for the 100kW pilot unit, including all main balance of plant components, is described. A detailed analysis is carried out on the air blower model, comparing its predictions to experimental data acquired during testing of the plant. Subsequently, the system is scaled-up and the dynamic model of a 1 MW unit is set up. Finally, simulations are carried out with both the 100 kW and the 1 MW models to optimize the plant flexible operation, mainly focusing on the warm up procedure.. The analysis performed highlights that the pilot unit is able to reach full load in less than 25 minutes, while the MW-size plant takes up to 40 minutes. Start-up times are longer for the MW-size plant due to increased mass transport delay: in fact, reducing the length of the pipelines by 50% allows a 30% reduction of the start-up time. Among the options to decrease startup time, it results that a significant reduction can be achieved by pre-heating the water for humidification of the reactants (-73% reduction with water at 40°C).

La crescente penetrazione di rinnovabili nel mercato elettrico mina la sicurezza dell’approvvigionamento di elettricità, per cui l’integrazione nel sistema di risorse flessibili è indispensabile. Tra tutte le soluzioni possibili, questo lavoro si concentra su un impianto a fuel cell basato sulla tecnologia PEM a bassa temperatura progettato per la fornitura di servizi di bilanciamento della rete nel contesto del progetto europeo GRASSHOPPER. Innanzitutto si descrive un modello dinamico dell’impianto pilota da 100kW (che include tutti i principali componenti ausiliari) implementato in Simulink. Viene condotta un’analisi dettagliata sul modello del compressore dell’aria, confrontandone le previsioni con dati sperimentali raccolti durante test dell’impianto. Successivamente, si esegue lo scale-up del sistema e si sviluppa un modello dinamico dell’unità da 1MW. Infine, si conducono delle simulazioni con entrambi i modelli per ottimizzare l’operazione flessibile dell’impianto, concentrandosi principalmente sulla procedura di warm up. L’analisi evidenzia che l’impianto pilota riesce a raggiungere il carico nominale in meno di 25 minuti, mentre per l’impianto da 1 MW sono necessari fino a 40 minuti a causa dei maggiori ritardi dovuti al trasporto di massa: in effetti, ridurre la lunghezza delle tubazioni del 50% porta a una riduzione del 30% del tempo di start-up. Tra le opzioni che consentono di accelerare lo start-up, risulta che il pre-riscaldamento dell’acqua per l’umidificazione dei reagenti consente di ottenere una riduzioni dei tempi significativa (-73% con acqua a 40°C).