CAPE-OPEN standard implementation for the modelling of a solid oxide electrolysis stack as a custom unit for process simulators

Global warming is becoming an increasing problem due to the growing emission of greenhouse gases (GHGs), with power industry, industrial processes and transport being the main emitting sectors. Hydrogen is a promising actor in the decarbonization of hightemperature industries, where electrification is challenging. Among the hydrogen production processes, water electrolysis has a low impact on GHG emissions and has been investigated in this work. Moreover, between the existing technologies, a focus on solid oxide electrolysis cells (SOECs) is carried out. The simulation of processes is crucial for its optimization and successful implementation in the industry, as common procedure in the process engineering field. This is achieved through the use of simulation software thus an external plug-in SOEC stack unit is developed. An isothermal and isobaric 0D model is considered (validated with a maximum error of 6.25%), and the mass balance, as well as the electrochemical equations of an solid oxide electrolysis single cell or stack, at lab and industrial level, can be solved. The code is written in Visual Studio® through C++ language and CAPE-OPEN standard is used to ensure versatility and easy implementation of the unit in compliant conventional simulation software (e.g. Aspen HYHYS®). The working of the external unit is demonstrated in Aspen HYHYS® V11, both in a stand-alone implementation and in a complex process for the production of methanol starting from biogas. Several case studies are run, showing the dependencies of the process to the SOEC operating conditions, and an electric energy optimization is also performed, with a 3.8% saving in respect to the starting process. The CAPE-OPEN standard clearly appears as a useful tool for non-conventional unit simulation not already present in the software, thus for the creation of external models to easily implement without particular computational efforts or approximation through substitute combinations of existing units.

Il riscaldamento globale è un problema crescente, dovuto soprattutto all’aumento di emissioni dei gas a effetto serra (GHG), principalmente nell’industria energetica, nei processi industriali e nei trasporti. L’idrogeno rappresenta una promettente soluzione per la decarbonizzazione soprattutto dell’industria ad alta temperatura dove l’elettrificazione è difficile. In questo lavoro, tra i diversi metodi per la produzione di idrogeno, è stata approfondita l’elettrolisi dell’acqua, grazie alle ridotte emissioni di GHG, considerando tra le tecnologie esistenti le celle elettrolitiche ad ossidi solidi (SOECs). La simulazione dei processi è fondamentale per la loro ottimizzazione e successo, ed è procedura comune nell’ingegneria chimica, possibile grazie all’uso di software di simulazione. Pertanto in questa tesi è stata sviluppata un’unità esterna per la simulazione di uno stack di SOEC da utilizzare direttamente nei software di simulazione convenzionali. Un modello 0D isotermico e isobarico è stato considerato (convalidato con un errore massimo del 6.25%), attraverso cui i bilanci di massa, nonché le equazioni elettrochimiche di una singola cella o di uno stack, sia a livello di laboratorio sia industriale, possono essere risolte. Il codice associato è stato scritto in Visual Studio® in linguaggio C++ e sono stati seguiti gli standard CAPE-OPEN, garantendo versatilità e facile implementazione dell’unità nei software di simulazione conformi (e.g. Aspen HYHYS®). Il funzionamento dell’unità è stato dimostrato in Aspen HYHYS® V11, sia in un’implementazione autonoma sia in un processo complesso per la produzione di metanolo a partire da biogas. Diversi casi studio sono stati eseguiti mostrando le dipendenze del processo in rispetto alle condizioni operative della SOEC ed eseguendo un’ottimizzazione dell’energia elettrica, con un risparmio del 3.8% rispetto al processo iniziale. Lo standard CAPE-OPEN appare chiaramente come uno strumento utile per la simulazione di unità non convenzionali non presenti nei software, quindi per la creazione di modelli esterni da implementare facilmente senza particolari sforzi computazionali o approssimazioni attraverso combinazioni sostitutive di unità esistenti.