Dynamics of alkaline water electrolysers: modelling, validation and optimization

In the quest for decarbonization and the transition towards sustainable energy systems, Alkaline Water Electrolysers (AWEs) have assumed a pivotal role in ensuring the production of storable carbon-free fuels. Their integration with renewable energy sources is perceived as a key enabler of this transition. Nevertheless, the operation of AWEs in intermittent mode still presents various challenges and requires further research effort. This master's thesis aims to address these challenges by developing and validating a dynamic model to simulate the behaviour of alkaline electrolysers, with emphasis on their thermal optimization, contributing to the goals outlined by the Clean Hydrogen JU’s innovation task. The dynamic model presented herein is the result of the analysis of diverse literature sources, merged in a simple and effective model. The validation of this model is achieved through the comparison of the latter with experimental data obtained from both a lab-scale cell and a 130 kW pilot plant provided by Industrie De Nora. Furthermore, the model is extended to simulate MW scale electrolysers, to better understand their transient behaviour and scalability potential. Beyond simulation, in this thesis work the model is exploited to optimize plant management strategies and to evaluate the feasibility of technical solutions designed to improve energy efficiency. As part of this analysis, the adoption of a heat pump and thermal storage systems are explored as potential options to reduce energy consumption during startup operations, showing encouraging results. In summation, through dynamic modelling, validation, and optimization, this master thesis aims to offer valuable insights for the integration of AWEs in the grid, hoping to foster the transition towards a sustainable and efficient hydrogen production.

In uno scenario mirato alla decarbonizzazione e transizione energetica, gli elettrolizzatori alcalini ad acqua (AWEs) assumono un ruolo centrale nella produzione di combustibili puliti e stoccabili. L’integrazione di queste macchine con fonti rinnovabili potrebbe essere la chiave per il successo della transizione energetica. Tuttavia, operare tali machine accoppiate a fonti energetiche intermittenti presenta ancora molte criticità che necessitano di ricerca mirata al loro superamento. Con questo lavoro di tesi, si auspica di contribuire al superamento di tali barriere, sviluppando e validando un codice dinamico che simuli il comportamento dinamico degli AWEs. Particolare attenzione è stata posta alla loro gestione termica, contribuendo agli obiettivi di innovazione di Clean Hydrogen JU. Il modello qui presentato è il frutto dell’analisi di varie fonti bibliografiche, assemblate per formare un semplice ed efficace codice. La validazione di quest’ultimo è stata effettuata comparando le simulazioni ai risultati sperimentali, ottenuti su celle da laboratorio e da un impianto pilota da 130 kW di Industrie De Nora. Inoltre, il modello è stato esteso ad un impianto di scala MW, al fine di simulare i transitori e di comprendere le potenzialità delle grosse macchine. Il modello è stato anche usato al fine di ottimizzare la gestione dell’impianto e per valutare l’adozione di miglioramenti tecnici volti a diminuire il consumo energetico. In conclusione, attraverso la modellazione, la validazione e l’ottimizzazione, questo lavoro di tesi mira a contribuire alla ricerca volta all’integrazione degli AWEs nella rete, sperando di accelerare la transizione verso la produzione di idrogeno in modo efficiente e sostenibile.