Decarbonization and sector coupling using high temperature solid oxide cell systems

As solid oxide cell (SOC) technology moves toward commercialization, research is increasingly focusing on extending its high-efficiency hydrogen production to the system level through effective integrations. This thesis investigates SOC systems operation at multiple levels, from partial load performance to transient operation grounded upon detailed 1D cell modeling, and ultimately exploring the applications in direct reduced iron (DRI) and integration within multi-energy systems (MES) employing mixed integer linear programming. A partial load analysis of an atmospheric pressure rSOC system was conducted to obtain system efficiency and heat consumption/generation operational maps, to be later used in the rSOC MES analysis. Large average cell temperatures are observed between operating points (up to 100°C), which raises concerns for cell degradation and opened up the way for a dynamic analysis that addressed rSOC switching. The fastest switchovers require about 70 minutes employing a step change of current to bypass the endothermic region. At system level, the analysis revealed trade-offs between switchover velocity and additional BoP energy consumption. When analyzing SOC applications, focus was placed on the theme of thermal integration to preserve system efficiency: in the DRI case via heat recovery from the process itself, and in the rSOC‑MES case via thermal coupling between fuel cell and electrolysis operating modes. SOC-DRI thermal integration reduces annual electricity consumption by 30% compared with low-temperature electrolysis (LTEC), achieving cost reductions of 7-14% despite higher Capex. Competitiveness with natural-gas DRI with CCS is achievable only long-term (2050+) in locations with abundant renewables and gas prices above 30 $/MWh (e.g., Australia, Egypt). In the MES context, SOCs may provide value not only through potentially higher H2 production efficiency but also through their capability to supply part of the electricity demand. However, efficient H2 production is conditioned by the degree of heat integration between modes, which depends on rSOC oversizing and is ultimately hindered by Capex. The rSOC-MES was benchmarked with a simpler MES based on LTEC operating at higher pressure. The rSOC MES consistently lowers costs for battery installation costs compared with the LTEC MES, but this benefit is fully offset by larger H2 compression and thermal energy storage costs. Accounting for the extra energy during mode switching, the annual cost penalty remains negligible (<1%). These analyses suggest that highly efficient SOC operation can be achieved when full thermal integration with an industrial process is possible (SOC-DRI). In contrast, although full thermal integration can be obtained with rSOCs, it does not necessarily represent the lowest cost solution and competitiveness with LTEC is more uncertain.

Con l'avanzare della tecnologia delle celle a ossidi solidi (SOC) verso la commercializzazione, la ricerca si concentra sempre più sull'estensione della produzione di idrogeno ad alta efficienza al livello di sistema attraverso integrazioni efficaci. Questa tesi indaga il funzionamento dei sistemi SOC a più livelli, dalla prestazione a carico parziale all'operazione in transitorio basata su una modellazione 1D dettagliata della cella, fino alle applicazioni nella riduzione diretta del ferro (DRI) e nell'integrazione all'interno di sistemi multi-energia (MES) mediante programmazione lineare mista intera. È stata condotta un'analisi a carico parziale di un sistema rSOC a pressione atmosferica per ottenere mappe operative di efficienza e di consumo/generazione di calore, da utilizzare successivamente nell'analisi rSOC-MES. Tra i punti operativi si osservano ampie variazioni di temperatura media della cella (fino a 100°C), che sollevano preoccupazioni riguardo alla degradazione della cella e hanno aperto la strada a un'analisi dinamica del transitorio di commutazione dell'rSOC. I cambi di modalità più rapidi richiedono circa 70 minuti, impiegando una variazione a gradino della corrente per aggirare la regione endotermica. A livello di sistema, l'analisi ha evidenziato compromessi tra la velocità di switch e il consumo energetico aggiuntivo del BoP. Nell'analisi delle applicazioni SOC, l'attenzione è stata posta sul tema dell'integrazione termica per preservare l'efficienza di sistema: nel caso DRI tramite il recupero del calore dal processo stesso, e nel caso rSOC-MES tramite l'accoppiamento termico tra le modalità di funzionamento a cella a combustibile e a elettrolisi. L'integrazione termica SOC-DRI riduce il consumo annuo di elettricità del 30% rispetto all'elettrolisi a bassa temperatura (LTEC), conseguendo riduzioni di costo del 7-14% nonostante un Capex più elevato. La competitività con il DRI a gas naturale con CCS è raggiungibile solo nel lungo periodo (2050+) in contesti con abbondanti fonti rinnovabili e prezzi del gas superiori a 30 $/MWh (es. Australia, Egitto). Nel contesto MES, i SOC possono apportare valore non solo attraverso una potenzialmente maggiore efficienza di produzione di H₂, ma anche grazie alla capacità di soddisfare parte della domanda elettrica. Tuttavia, un'efficiente produzione di H₂ è condizionata dal grado di integrazione termica tra le modalità operative, che dipende dal sovradimensionamento dell'rSOC ed è in ultima analisi limitata dal Capex. L'rSOC-MES è stato confrontato con un sistema MES più semplice basato su LTEC operante a pressione più elevata. L'rSOC-MES riduce sistematicamente i costi di installazione delle batterie rispetto all'LTEC-MES, ma questo vantaggio è interamente compensato dai maggiori costi di compressione dell'H₂ e di accumulo termico. Tenendo conto dell'energia aggiuntiva richiesta durante la commutazione tra modalità, la penalità sul costo annuo rimane trascurabile (<1%). Queste analisi suggeriscono che un funzionamento SOC ad alta efficienza è conseguibile quando è possibile una piena integrazione termica con un processo industriale (SOC-DRI). Al contrario, sebbene la piena integrazione termica sia in linea di principio ottenibile con gli rSOC, essa non rappresenta necessariamente la soluzione a minor costo e la competitività con la LTEC risulta più incerta.