Design of a PEM electrolyzer test station for experimentation on power quality induced efficiency loss and cell degradation
Järvinen, Lauri (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120899854
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120899854
Tiivistelmä
High percentages of renewable energy sources are expected to be connected to the power grid. These energy sources have a disadvantage in that the production is not constant due the intermittent and seasonal nature of renewable energy. Renewable hydrogen is needed to store excess energy in chemical form as hydrogen gas and to produce carbon neutral fuels for transportation, as well as to produce raw materials for the chemical industry. Hydrogen is thus seen as the most promising pathway to meet the emission targets set by international agreements to limit the climate warming to under 2 °C . Adoption of water electrolysers in industrial scale offers a pathway to tackle these challenges.
Water electrolyzers are currently used for only around 4% of the global hydrogen production while the rest is produced using other methods such as steam reforming which produces CO2 emissions. Still combining hydrogen production with renewable energy using water electrolyzers is attracting more interest because of sustainability and increased flexibility of the resulting energy system. The increased interest has brought up many questions especially regarding the energy efficiency, lifetime, and degradation of the electrolyzers. Power quality been brought up as one of the potential factors affecting both efficiency and degradation of water electrolyzers. These topics have still seen only very limited amounts of research because of very slow nature of electrolyzer degradation mechanisms. Yet research into these phenomenons is required to improve the lifetime of water electrolyzers and to improve their competitiveness.
In this thesis, different factors of instability affecting the water electrolyzer systems are studied. The electrolyzer degradation mechanisms and effects are described and measurement methods are presented. Finally other electrolyzer test stations are investigated to design a test station to study how power quality affects the energy efficiency and degradation of electrolyzers which can be used to verify the literature claims presented in this thesis. Uusiutuvan energian osuuteen sähköverkon tuotannosta on odotettavissa suurta kasvua tulevaisuudessa. Näiden energian lähteiden ongelma on, että niiden tuotanto ei ole tasaista vaan se riippuu ajoittaisista ja kausittaisista muutoksista niiden olosuhteissa. Uusiutuvalla vedyn tuotannolla ylimääräinen energia saadaan talteen kemialliseen muotoon vety kaasuksi, jota voidaan käyttää hiilineutraaleiksi polttoaineiksi liikenteseen sekä kemianteollisuuden raaka-aineeksi. Tämän takia vety nähdään yhtenä lupaavimmista keinoista täyttää emissio tavoitteet, jotta ympäristön lämpeneminen saataisiin rajoitettua alle 2 °C. Veden elektrolyysin käyttöönotto teollisuusmittakavassa tarjoaa mahdollisuuden vastata näihin haasteisiin.
Veden elektrolyysillä tuotetaan tällä hetkellä vain noin 4% maailman käytetystä vedystä kun taas loput on valmistettu käyttäen kaasun reformointia, josta syntyy hiilidioksidi päästöjä. Nykytilanteesta huolimatta vedyn tuotannon yhdistäminen uusiutuvan energian tuotannon kanssa käyttäen veden elektrolyysereitä on saanut osakseen kasvavaa mielenkiintoa lopullisen energia järjestelmän joustavuuden ja kestävyyden takia. Tämä on nostanut esille myös paljon kysymyksiä liittyen elektrolyysereihin, varsinkin niiden käyttöiästä ja degradaatiosta haluttaisiin lisää tietoa. Sähkönlaadun on havaittu vaikuttavan näihin osa-alueisiin ja olisinkin tärkeää ottaa se huomioon parempien elektrolysaattorien suunnittelun kannalta. Tämän takia tutkimusta näihin ilmiöihin kaivataan, jotta elektrolyysereiden elinaikaa saitaisiin pidennettyä ja niiden kilpailukykyä näin parannettua.
Tässä tutkielmassa eri tekijöitä elektrolyyseri järjestelmien epävakauteen tutkitaan. Elektrolyysereiden degradaatio mekanismit ja vaikutukset selitetään sekä niiden mittaustavat esitetään. Viimeisenä kolme elektrolyyseri testipenkkiä kuvataan ja niiden pohjalta suunnitellaan testipenkki veden elektrolyysereiden testaamiseen, jolla sähkönlaadun vaikutuksia degradaatioon ja energia tehokkuuteen voidaan tutkia.
Water electrolyzers are currently used for only around 4% of the global hydrogen production while the rest is produced using other methods such as steam reforming which produces CO2 emissions. Still combining hydrogen production with renewable energy using water electrolyzers is attracting more interest because of sustainability and increased flexibility of the resulting energy system. The increased interest has brought up many questions especially regarding the energy efficiency, lifetime, and degradation of the electrolyzers. Power quality been brought up as one of the potential factors affecting both efficiency and degradation of water electrolyzers. These topics have still seen only very limited amounts of research because of very slow nature of electrolyzer degradation mechanisms. Yet research into these phenomenons is required to improve the lifetime of water electrolyzers and to improve their competitiveness.
In this thesis, different factors of instability affecting the water electrolyzer systems are studied. The electrolyzer degradation mechanisms and effects are described and measurement methods are presented. Finally other electrolyzer test stations are investigated to design a test station to study how power quality affects the energy efficiency and degradation of electrolyzers which can be used to verify the literature claims presented in this thesis.
Veden elektrolyysillä tuotetaan tällä hetkellä vain noin 4% maailman käytetystä vedystä kun taas loput on valmistettu käyttäen kaasun reformointia, josta syntyy hiilidioksidi päästöjä. Nykytilanteesta huolimatta vedyn tuotannon yhdistäminen uusiutuvan energian tuotannon kanssa käyttäen veden elektrolyysereitä on saanut osakseen kasvavaa mielenkiintoa lopullisen energia järjestelmän joustavuuden ja kestävyyden takia. Tämä on nostanut esille myös paljon kysymyksiä liittyen elektrolyysereihin, varsinkin niiden käyttöiästä ja degradaatiosta haluttaisiin lisää tietoa. Sähkönlaadun on havaittu vaikuttavan näihin osa-alueisiin ja olisinkin tärkeää ottaa se huomioon parempien elektrolysaattorien suunnittelun kannalta. Tämän takia tutkimusta näihin ilmiöihin kaivataan, jotta elektrolyysereiden elinaikaa saitaisiin pidennettyä ja niiden kilpailukykyä näin parannettua.
Tässä tutkielmassa eri tekijöitä elektrolyyseri järjestelmien epävakauteen tutkitaan. Elektrolyysereiden degradaatio mekanismit ja vaikutukset selitetään sekä niiden mittaustavat esitetään. Viimeisenä kolme elektrolyyseri testipenkkiä kuvataan ja niiden pohjalta suunnitellaan testipenkki veden elektrolyysereiden testaamiseen, jolla sähkönlaadun vaikutuksia degradaatioon ja energia tehokkuuteen voidaan tutkia.