Experimental analysis and mathematical modeling of pressurized alkaline water electrolysis powered by renewable energy
Die Eindämmung des Klimawandels erfordert eine deutliche Verringerung der Treibhausgasemissionen. Dieses Ziel kann durch den Übergang von fossilen Energieträgern zu nachhaltigen Alternativen erreicht werden und Wasserstoff ist ein zentraler Bestandteil des Power-to-X-Konzepts zur Speicherung großer Mengen erneuerbarer Energie. Daher muss bei der nachhaltigenWasserstofferzeugung Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit im Vordergrund stehen, um eine überzeugende Alternative zu den herkömmlichen fossilen Wertschöpfungsketten zu schaffen. Außerdem werden Elektrolyseverfahren für die großtechnische Anwendung bevorzugt, da Energie aus verschiedenen erneuerbaren Energiequellen in Wasserstoff umgewandelt werden kann. Die erfolgreiche Implementierung von Elektrolyseprozessen hängt jedoch wesentlich von der Höhe der Wasserstoffproduktionskosten ab, welche auf den Kosten für die erneuerbaren Energien, der Effizienz des Elektrolyseurs und der Verfügbarkeit des Systems beruhen. Die alkalische Wasserelektrolyse wird häufig aufgrund ihrer Robustheit und hohen Wirtschaftlichkeit bevorzugt, da keine Edelmetalle benötigt werden und eine lange Lebensdauer erwartet werden kann. Die erforderliche Zirkulation eines flüssigen alkalischen Elektrolyten führt jedoch zu einem größeren Platzbedarf und zu potenziellen Sicherheitsrisiken. Außerdem können die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff explosionsfähige Gemische bilden und Elektrolyseure werden in der Regel beim Erreichen höherer Gasverunreinigungen heruntergefahren. Folglich ist der Teillastbetrieb von alkalischen Wasserelektrolyseuren limitiert, da die Gasverunreinigung mit abnehmender Stromdichte zunimmt. Während die Diffusion von gelösten Produktgasen durch den Separator zu einer Gasverunreinigung führt, wird der Hauptanteil der Gasverunreinigung durch das direkte Vermischen der Elektrolytkreisläufe verursacht, welche die gelösten Produktgase enthalten. Daher können der Systemaufbau und die Betriebskonzepte angepasst werden, um die Gasverunreinigungsmechanismen abzuschwächen. In dieser Dissertation wurde der aktuelle Stand der Technik von alkalischen Wasserelektrolyseuren, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, untersucht, um typische Betriebsszenarien zu ermitteln und die wichtigsten Optimierungspunkte zu identifizieren. Darüber hinaus wurden vorkommerzielle Diaphragmen und Membranen als Separatoren für die alkalische Wasserelektrolyse unter Betrachtung der Gasverunreinigung und der ohmschen Verluste bewertet, um die wesentlichen Materialparameter zu ermitteln. Zusätzlich wurden Betriebsstrategien, wie die dynamische Umschaltung der Elektrolytkreislaufführung und die Anpassung des Volumenstroms, experimentell unter realistischen, fluktuierenden Betriebsbedingungen mit synthetischen Stromdichteprofilen mit Windkraft- und Photovoltaikcharakteristik bewertet. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden zusammen mit verschiedenen anderen Experimenten für die Entwicklung und Validierung eines dynamischen Systemmodells für einen druckbetriebenen alkalischen Wasserelektrolyseur verwendet. Dieses ganzheitliche Modell umfasst die Simulation der Gasverunreinigung, der Elektrolytkonzentration, der Zellspannung und der Systemtemperatur. Abschließend wurden modellgestützte Studien durchgeführt, um den Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Gasverunreinigung zu ermitteln und dynamische Betriebskonzepte zu optimieren.
Climate change mitigation necessitates the significant reduction of greenhouse gas emissions. This objective can be accomplished by transitioning from fossil-based energy sources to sustainable alternatives, and hydrogen is pivotal in the Power-to-X concept for storing large amounts of renewable energy as a versatile energy carrier. Therefore, sustainable hydrogen production must prioritize safety, efficiency, and reliability to establish a compelling alternative to traditional fossilbased value chains. Furthermore, electrolysis processes are preferred for large-scale applications, as energy from diverse renewable power sources can be converted into hydrogen. However, the successful implementation of electrolysis processes depends mainly on managing hydrogen production costs, which correspond to renewable energy expenses, electrolyzer efficiency, and system availability. Alkaline water electrolysis is often favored for its robustness and costeffectiveness, as precious metals are not required, and a long system lifetime can be expected. Nevertheless, the necessity for liquid alkaline electrolyte circulation results in large system footprints and potential safety concerns. Moreover, the product gases hydrogen and oxygen can form explosive mixtures, and electrolyzers are typically shut down when approaching high gas contamination levels. Consequently, part-load operation of alkaline water electrolyzers is limited as the gas impurity rises with decreasing current density. While the diffusion of dissolved product gases through the separator leads to gas contamination, the main share of the gas impurity is caused by direct mixing of the electrolyte cycles that contain the dissolved product gases. Hence, the system design and operating concepts can be adapted to mitigate the gas contamination mechanisms. This doctoral thesis reviewed the current state of the art of alkaline water electrolyzers powered by renewable energy to understand typical operating scenarios and identify the most relevant optimization points. Furthermore, pre-commercial diaphragms and membranes were evaluated as separators for alkaline water electrolysis, considering gas contamination and ohmic losses to determine the main material parameters. Additionally, operating strategies, such as dynamic electrolyte flow mode switching and volume flow rate adaption, were assessed experimentally under realistic fluctuating operating conditions using synthetic renewable current density profiles with wind and photovoltaic power characteristics. The insights gained from these findings, along with various other experiments, were employed in the development and validation of a dynamic system model for a pressurized alkaline water electrolyzer. This comprehensive model encompasses the simulation of gas contamination, electrolyte concentration, cell potential, and the system temperature. Finally, model-based studies were conducted to determine the influence of the operating conditions on gas contamination and to optimize dynamic operating concepts.
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