Desarrollo y validación de un modelo para la simulación de sistemas de electrólisis alcalina para la producción de hidrógeno a partir de energías renovables

Sánchez Delgado, Mónica (2019). Desarrollo y validación de un modelo para la simulación de sistemas de electrólisis alcalina para la producción de hidrógeno a partir de energías renovables. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.62567.

Description

Title: Desarrollo y validación de un modelo para la simulación de sistemas de electrólisis alcalina para la producción de hidrógeno a partir de energías renovables
Author/s:
  • Sánchez Delgado, Mónica
Contributor/s:
  • Clemente-Jul, Mª Carmen
  • Rodríguez Mayor, Lourdes
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM)
Department: Energía y Combustibles
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Las energías renovables, son una de las principales alternativas para afrontar muchos de los desafíos que se plantean a futuro como mitigar el cambio climático mediante la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, reducir la fuerte dependencia energética con otros países y desarrollar un tejido industrial. Sin embargo, hay que tener en cuenta que, actualmente, el sistema energético no está diseñado para la entrada masiva de estas fuentes de energía, ya que el aumento en el uso de energías renovables trae consigo ventajas, pero también ciertas complicaciones. Entre ellas, la aleatoriedad en la generación de energía, que dificulta su ajuste y puede afectar a la estabilidad de la red. En este contexto, el hidrógeno podría jugar un papel clave en el desarrollo de un nuevo sistema energético y en la integración de grandes cantidades de energías renovables, principalmente solar y eólica, a través de la electrólisis. De esta manera, el uso del hidrógeno no solo reducirá el volumen de emisiones, sino que además reducirá la dependencia de los combustibles fósiles y permitirá almacenar la electricidad procedente de energías renovables intermitentes, resolviendo así este problema y ofreciendo la posibilidad de transportar esa energía. Actualmente la electrólisis alcalina es la tecnología más madura de todos los procesos electrolíticos, siendo sus ventajas claves su disponibilidad comercial para la producción de hidrógeno a gran escala y su bajo coste especifico respecto al resto de tecnologías de electrólisis existentes. Sin embargo, el estado del arte revela que, aunque se encuentra totalmente desarrollada, todavía es necesario trabajar en la mejora de la eficiencia, la durabilidad y la reducción de costes para su implantación definitiva. Los esfuerzos de I+D se han centrado principalmente en las celdas electrolíticas. Sin embargo, aunque las celdas de electrólisis son el corazón del sistema porque en ellas tienen lugar las reacciones electroquímicas, hay que tener en cuenta que el balance de planta representa aproximadamente entre un 20-35 % del coste total de un electrolizador alcalino y reduce la eficiencia del stack considerablemente. Por lo tanto, el desarrollo de balances de planta optimizados es un punto clave en el camino hacia la disminución de costes y el aumento de la eficiencia de plantas de electrólisis para la producción de hidrógeno. Una de las principales herramientas para el diseño y optimización de sistemas es la modelización. Hasta la fecha, no existe ningún modelo en la literatura que incluya todos los componentes de un sistema de electrólisis, por lo que, en este trabajo se ha desarrollado un modelo estacionario que permita simular una planta de electrólisis alcalina considerando tanto el stack/celdas como el balance de planta. Para la implementación del modelo se ha utilizado Aspen Plus. El problema es que Aspen Plus, como otros simuladores químicos destinados principalmente a la industria petroquímica, no cuenta con los códigos necesarios para llevar a cabo la simulación de las celdas de electrólisis. Por ello, ha sido necesario previamente desarrollar un modelo matemático capaz de describir el comportamiento electroquímico y termodinámico del stack de electrólisis alcalina. El modelo electroquímico implementado para el stack está basado en una serie de ecuaciones semi-empíricas que permiten determinar el voltaje de celda, la eficiencia de Faraday y la pureza de los gases producidos como una función de la densidad de corriente, usando tanto principios físicos relacionados con los procesos de electrólisis como métodos estadísticos. Los diferentes parámetros definidos en las ecuaciones del modelo han sido calculados con MATLAB en función de los datos experimentales obtenidos en un banco de ensayos de electrólisis alcalina desarrollado en el marco de este trabajo. Este modelo propio se ha integrado en Aspen Plus como una subrutina. El resto de componentes del balance de planta se modelizan con las unidades de operación standard incluidas en Aspen Plus. El modelo final ha sido validado experimentalmente, cuantificándose las desviaciones que se producen y el error cometido. Los resultados muestran que se ha alcanzado una correlación muy buena entre los datos experimentales y los obtenidos mediante el modelo propuesto. Por lo tanto, el modelo presentado en este trabajo permite simular la operación de una planta de electrólisis en diferentes puntos de operación, realizando los balances de materia y energía tanto de cada componente como del sistema completo, de una manera rápida (debido a la relativa sencillez que ofrece trabajar con simuladores como Aspen Plus) y con elevada precisión (ya que se ha modelado el stack de electrólisis utilizando ecuaciones propias basadas en datos experimentales). En base a esto, ha sido posible analizar el comportamiento termodinámico del sistema en detalle, identificando las fuentes de pérdidas e ineficiencias del sistema (balances energéticos y exergéticos) y, de esta manera, minimizar los costes (costes de inversión, CAPEX) y optimizar la eficiencia (costes operativos, OPEX). Además, como el modelo es aplicable en un amplio rango de operación, puede ser usado para llevar a cabo estudios paramétricos, con el objetivo de evaluar el efecto de las diferentes variables del proceso y cuáles deberían ser modificadas para mejorar el funcionamiento del electrolizador. Los resultados obtenidos demuestran que el modelo en Aspen Plus desarrollado en el marco de esta tesis, constituye una herramienta con un gran potencial para el diseño, mejora y optimización de electrolizadores alcalinos, especialmente cuando son alimentados mediante energías renovables, permitiendo integrar el sistema de electrólisis alcalina con otros procesos para el desarrollo de estudios de viabilidad técnico-económica. ----------ABSTRACT---------- Renewable energies have had a spectacular development in recent years. However, a massive penetration of renewable energy sources can affect adversely to the grid stability due to its variability and unpredictability. In this context, hydrogen could play a key role as largescale energy storage, through the water electrolysis. Currently, alkaline water electrolysis is the most mature technology and it is commercially available for large-scale hydrogen production. The key of this technology is, therefore, its availability and low specific cost compared to other electrolysis technologies. For last years, R&D efforts have been mainly focused on improving the design and the performance of electrolysis cells. Although the stack is considered the core of the system because the electrochemical reactions are carried out in it, the balance of plant (BoP) represents approximately 20-35% of the capital cost in an alkaline electrolyzer and can considerably reduce the stack efficiency. Thus, the development of balances of plant optimized is a key issue to reduce costs and increase the efficiency of the electrolysis plants. One of the most interesting tools for the electrolysis system development is modeling since it enables the design and optimization of technology by spending less time and efforts than experiments. So far, none of the works found in the literature considers the electrolysis system, including stack and balance of plant. In this work, a steady state model of an alkaline electrolysis plant is proposed considering both alkaline water electrolysis cell stack and all the components of the balance of plant. Due to the difficulty of implementing mathematical model at a level system in a flexible way, Aspen Plus software has been used in this work. Aspen Plus is one of the most widely used software in the industry for process modelling, equipment design and system optimization. However, Aspen Plus does not include codes for modelling the electrochemical cells, so a custom model for the stack has been previously developed and integrated in Aspen Pus as a subroutine. The rest of components in the electrolysis plant have been modelled with standard operation units included in it. This proposed stack model is based on semi-empirical equations that describe the voltage cell, Faraday efficiency and gas purity as a function of the current density, using both physical principles related to the electrolysis process and statistical methods. The different parameters defined in the equations of the proposed model have been calculated by MATLAB, using a non-linear regression based on experimental data from different experiments developed in the alkaline electrolysis test bench also designed in the present work. Finally, the proposed model has been experimentally validated. In order to ensure its accuracy, the error and deviations have been evaluated. The results show an excellent correlation between the experimental data and the data calculated by the proposed model. Therefore, the model presented in this work enables to simulate the performance of an alkaline electrolysis plant at different partial loads, obtaining mass and energy balances of each subcomponent and the entire system in a fast and accurate way. On the basis of this, it will be possible to analyse the thermodynamic system behaviour and identify the energy losses sources, though energy and exergy balances. Also, since the model developed is applicable for a wide operating range, parametric studies can be conducted, in order to investigate the influence of different process variables on the global performance of the alkaline electrolysis plant. The results show that this Aspen model will constitute a powerful tool for the design and optimization of alkaline electrolysis plants. It can further be used to perform technoeconomic assessment of alkaline electrolysis systems integrated with other processes.

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Item ID: 62567
DC Identifier: http://oa.upm.es/62567/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:62567
DOI: 10.20868/UPM.thesis.62567
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 07 May 2020 07:00
Last Modified: 07 May 2020 07:00
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