Design of a reversible solid oxide cell plant for integration into a multi energy system

Electrochemical devices are studied as promising storage solutions to help manage the intermittency of renewable energy sources. Among them, reversible solid oxide cell (rSOC) systems are an electrochemical technology operating at high temperature, able to work alternatively as a fuel cell (FC) and as an electrolyzer (EC). In this thesis work, a device based on reversible Solid Oxide Cells (rSOCs) is modelled to identify a proper plant scheme and it is integrated inside a multi-energy system. The nominal power is fixed at 1 MW in FC mode and at 3 MW in EC mode. The thermal demand is satisfied via a molten salt storage solution, operating between two different temperatures. The system is designed on Aspen Plus. It allows to calculate the area of each heat exchanger of the plant, assigning specific overall heat transfer coefficient to each heat transfer occurring. The final configuration allows the system to operate until a 30% of the nominal load, both in fuel cell mode and electrolysis mode, with an electrical efficiency reduction of the 18% in FC and 10% in EC. The operating maps of the rSOC plant are introduced in a multi-energy system (MES) optimization tool that aims at identifying the year-long hourly schedule of the rSOC unit and at sizing the storage capacities of three energy vectors (electricity, hydrogen, heat). In the case study of a wind-based rural application, results show a daily utilization of the rSOC system thanks to the wide operational range, but a low self-sufficiency of the MES is obtained when the request of hydrogen is high. The self-sufficiency increases until 77% when the hydrogen demand is halved, showing that the thermal balance has a high impact, driven by surplus heat recovery in FC mode.

I dispositivi elettrochimici vengono studiati come promettenti sistemi di accumulo, per risolvere l’intermittenza delle fonti di energia rinnovabile. Tra questi, i sistemi a celle reversibili ad ossidi solidi (rSOC) sono una tecnologia elettrochimica che opera ad alte temperature, in grado di funzionare sia come fuel cell (FC), che come elettrolizzatore (EC). La potenza nominale è fissata a 1 MW in FC e a 3 MW in EC. La domanda termica è soddisfatta attraverso un accumulo di sali fusi, in grado di lavorare tra due diverse temperature. Il sistema è modellato su Aspen Plus, dove l’area di ogni scambiatore di calore dell’impianto viene progettata, assegnando uno specifico coefficiente di scambio termico globale ad ogni scambio termico che avviene. La configurazione finale consente al sistema di lavorare fino al 30% della potenza nominale, sia in modalità FC che in EC, con una riduzione dell’efficienza elettrica del 18% in FC e del 10% in EC. Le mappe operative ottenute vengono introdotte all’interno di un sistema di ottimizzazione multi-energy (MES), che ha lo scopo di identificare la programmazione oraria della rSOC durante il corso di un anno e calcolare la capacità di accumulo di tre vettori energetici (elettricità, idrogeno, calore). Nel caso studio di una applicazione rurale alimentata da energia eolica, i risultati mostrano un utilizzo quotidiano del sistema rSOC, dovuto all’ampio range di condizioni operative consentite, ma una limitata autosufficienza quando la richiesta di idrogeno è elevata. L’autosufficienza aumenta fino al 77% quando la domanda di idrogeno è dimezzata, mostrando che l’equilibrio termico ha un grande impatto, guidata dal surplus di energia termica recuperato in modalità FC.