Development and application of a 1D Solid Oxide Cell model to high efficiency energy conversion processes using ammonia as fuel

The purpose of this work is to explore the use of ammonia as a carbon-free energy carrier for power generation. To achieve this, a 1D Direct Ammonia Solid Oxide Fuel Cell (DA-SOFC) model was first developed, starting from an existing model previously created at the Energy Department of Politecnico di Milano. Particular attention was given to the chemical kinetics of the ammonia decomposition reaction. Consequently, the mass and energy balances were modified to account for the new chemical species involved. The model was later calibrated and validated against literature data, specifically polarization curves at different temperatures obtained from a planar direct ammonia SOFC. The model demonstrated a very good agreement with experimental results, except for the case at 650°C with pure ammonia, where it overestimated the experimental values. Secondly, the 1D DA-SOFC model was integrated into a Gas Turbine–SOFC hybrid cycle model using ammonia as fuel. A sensitivity analysis was conducted to investigate how the SOFC voltage and utilization factor affected the cycle’s performance, and the maximum computed performance of the cycle was equal to 80%. The study then proceeded with the design of enhanced cycle layouts aimed at addressing the ammonia auto-ignition issue and controlling the Turbine Inlet Temperature (TIT). Each simulation was performed under identical conditions to facilitate a comparative analysis of different cycle layouts. Finally, an economic analysis was carried out to compute the Levelized Cost of Electricity (LCOE). Lastly, the hybrid cycle model was applied to explore a potential power generation solution for a data center. The objective was to supply both electrical and cooling power to the facility. By leveraging ammonia evaporation, it was possible to enhance the data center’s performance, thereby reducing the Power Utilization Effectiveness (PUE) indicator. This advantage was more pronounced for southern Italian cities like Palermo and Bari, given the warmer climate.

Lo scopo di questo lavoro è esplorare l’uso dell’ammoniaca come vettore energetico privo di carbonio per la generazione di energia. Per prima cosa, è stato sviluppato un modello 1D di una cella a combustibile a ossidi solidi alimentata ad ammoniaca (DA-SOFC), partendo da un modello preesistente sviluppato presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano. Particolare attenzione è stata dedicata alla cinetica chimica della reazione di decomposizione dell’ammoniaca. I bilanci di massa ed energia sono stati modificati per tenere conto delle nuove specie chimiche coinvolte. Il modello è stato successivamente calibrato e validato confrontandolo con dati presenti in letteratura, in particolare soon state usate delle curve di polarizzazione a diverse temperature ottenute su una DA-SOFC planare. Il modello ha dimostrato una buona precisione nel replicare i risultati sperimentali, ad eccezione del caso a 650°C, dove ha sovrastimato i valori sperimentali nel caso la cella venga alimentata con 100% ammoniaca. Successivamente, il modello 1D è stato integrato in un modello di ciclo ibrido turbina a gas–SOFC. È stata condotta un’analisi di sensibilità per studiare come la tensione della SOFC e il fattore di utilizzazione influenzassero le prestazioni del ciclo e i risultati hanno mostrato un’efficienza elettrica dell’80%. Lo studio è poi proseguito con lo sviluppo di cicli ibridi atti a risolvere il problema dell’autocombustione dell’ammoniaca e a controllare la temperatura di ingresso della turbina (TIT). Ogni simulazione è stata eseguita nelle stesse condizioni per facilitare un’analisi comparativa tra le diverse configurazioni di ciclo. Infine, è stata condotta un’analisi economica per calcolare il levelized cost of electricity (LCOE). Infine è stato studiato l’accopiamnto tra il cilo ibriod GT-SOFC e un data centre. L’attenzione è stata posta sulla richiesta di raffreddammento del data centre, per la quale si è cercato di sfruttare l’evaporazione dell’ammoniaca per coprire parte del fabbisogno. Sebbene non si siano rivoluzionate le presentazioni del data centre, l’incremento non è stato trascurabile ed è stato quatificato con una diminuzione dell’indice Power Utilization Effectivness (PUE). Il vantaggio maggiore si è riscontrato nelle città situate a sud, come Palermo e Bari visto il clima più caldo e la conseguente alta richiesta di potenza di raffreddamento rispetto alle città del nord.