Alternative configurations for thermal integration in a reversible solid oxide (rSOC) system

In this work a reversible Solid Oxide Cell (rSOC) system based on hydrogen/steam and air is coupled with two plant configurations that use different thermal integration strategies. Both layouts implement a linear Fresnel solar concentrator to evaporate water during electrolysis operations. In configuration A, a high temperature thermal energy storage (TES) is connected to the stack via an isothermal heat pipe. An intermediate temperature TES using diathermal oil as heat transfer fluid is installed to preheat the steam flow. Configuration B uses the air flow entering the plant for the thermal management of the adiabatic stack. A molten salt based high temperature TES transfers heat to and from the plant using reversible counter current heat exchangers. The plant layouts are implemented and analyzed with the use of Aspen Plus software. A dimensioning procedure has been proposed, plant performances in nominal conditions evaluated and a sensitivity analysis on both the stack operating power and solar irradiance are obtained, both for fuel cell (FC) and electrolysis (EC) operation modes. When solar thermal power availability is high, the linear Fresnel collector is able to reduce by over 60% the plant thermal requirements during EC mode in both configurations. At part load conditions the importance of the Fresnel collector drops more significantly in configuration B compared to configuration A. In EC mode, inside the range of load applied, the plant electrical efficiency changes from 101% to 117% for configuration A and 101% to 109% for configuration B. In FC mode the plant electric efficiency ranges between 71% and 75% in layout A and is just below two percentage points lower in layout B.

In questo lavoro, una cella reversibile ad ossidi solidi che utilizza idrogeno/vapore e aria è accoppiata a due configurazioni di impianto dotate di differenti integrazioni termiche. Entrambe le configurazioni in modalità elettrolisi utilizzano un concentratore solare lineare Fresnel per l’evaporazione dell’acqua. Nella configurazione A un accumulo termico ad alta temperatura è connesso alla pila di celle tramite l’utilizzo di un sistema di tubi di calore. Un accumulo di olio diatermico a temperatura intermedia è utilizzato per surriscaldare il vapore. La configurazione B utilizza invece il flusso d’aria in ingresso all’impianto per la gestione termica della pila di celle. Un accumulo termico ad alta temperatura basato su sali fusi prende e cede calore all’impianto con degli scambiatori sui flussi. Le configurazioni sono state implementate e analizzate grazie all’utilizzo del software AspenPlus. Una procedura di dimensionamento è stata proposta e si sono ottenute le prestazioni di impianto in condizioni nominali, inoltre è stata svolta un’analisi di sensitività a carico parziale e per vari livelli di irradianza solare. Quando il calore del concentratore solare è in grande quantità, il suo contributo sulla spesa termica totale, necessaria per operare in elettrolisi, supera il 60% in entrambe le configurazioni. In condizioni di carico parziale, l’importanza del collettore di Fresnel diminuisce più bruscamente in configurazione B rispetto alla configurazione A. L’efficienza elettrica dell’impianto, nella fascia di carico applicato in elettrolisi, varia da 101% a 117% e da 101% a 109% rispettivamente in configurazione A e B. In modalità cella a combustibile, l’efficienza elettrica varia da 71% a 75% in configurazione A ed è poco meno di due punti percentuali inferiore nella configurazione B.