Performance analysis of a PEM electrolyzer system : dynamic simulation and scale-up study utilizing Simscape modeling tool

Energy storage has become increasingly vital in balancing the intermittent or inflexible generation inherent in non-dispatchable systems such as wind and solar power plants. Among different solutions, the production of green hydrogen from electrolysis has become increasingly popular due to the versatility of hydrogen as energy vector. This study focuses on the modelling of a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) electrolyzer, the study of its dynamic behavior and propose a first dimensioning for a scale up of the system. In the first part of the work, the electrolyzer and its auxiliary components are modelled on Simscape, utilizing blocks from the library where possible and inserting customize blocks where necessary. The model has been calibrated and validated through experimental data collected from a 60-kW commercial unit. The results show how the model follow the experimental voltage with maximum error below 2.8% and a mean error below 1.1% even at temperature different form the nominal one. After the validation, the model was utilized to test a scaled-up version of the system. In particular, the main components were re-designed with the help of literature and manuals and a first analysis of the warm-up of the resulting model has been carried out.

L'accumulo di energia è diventato sempre più vitale nel bilanciamento della generazione intermittente o inflessibile presente nei sistemi non programmabili come gli impianti di energia eolica e solare. Tra le diverse soluzioni, la produzione di idrogeno verde mediante elettrolisi sta diventando sempre più popolare grazie alla versatilità dell'idrogeno come vettore energetico. Questo studio si concentra sulla modellazione di un elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEM), lo studio del suo comportamento dinamico e propone una prima ipotesi per il ridimensionamento del sistema a potenza nominale quasi venti volte superiore. Nella prima parte del lavoro, l'elettrolizzatore e i suoi componenti ausiliari sono stati modellati su Simscape, utilizzando blocchi dalla libreria quando possibile e inserendo blocchi personalizzati quando necessario. Il modello è stato calibrato e convalidato mediante dati sperimentali raccolti da un'unità commerciale da 60 kW. I risultati mostrano come il modello segua la tensione sperimentale con un errore massimo inferiore al 2,8% e un errore medio inferiore all'1,1%, anche a temperature diverse da quella nominale. Dopo la convalida, il modello è stato utilizzato per testare una versione del sistema di taglia superiore. In particolare, i principali componenti sono stati ridisegnati con l'aiuto della letteratura e dei manuali, ed è stata effettuata una prima analisi della simulazione risultante.