The effects of pressure and temperature on alkaline electrolysis
Mukiza, Eliezel (2024)
Lataukset:
Diplomityö
2024
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024061352036
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024061352036
Tiivistelmä
Green hydrogen offers a sustainable energy solution that significantly lowers greenhouse gas emissions and helps reduce the consequences of climate change. Unlike fossil fuels, green hydrogen production does not emit polluting gases, aligning with global decarbonization goals. Alkaline electrolysis is crucial for the production of green hydrogen and the storage of electrical energy.
This study investigates strategies to improve the efficiency of alkaline electrolysis by optimizing operating conditions such as pressure and temperature to minimize energy consumption. By improving the electrochemical performance and reducing overvoltage potentials, significant energy savings can be achieved, making green hydrogen production more economically viable and scalable. Lower energy consumption maximizes the utilization of renewable energy sources, reducing reliance of fossil fuels and decreasing hydrogen production costs.
A system efficiency of 69-85% at a current density of 0.35 A/cm² was achieved for the simulated process, based on hydrogen high heating value, at temperatures between 60°C and 150°C. Energy consumption was 57.20 kWh/kg H2 at 60°C and 46.49 kWh/kg H2 at 150°C, demonstrating the significant impact of high temperature on energy consumption in alkaline electrolysis. The influence of pressure on alkaline electrolysis was also investigated by simulating the process at various pressures. The results indicated that pressure has a minimal impact on stack performance. However, its effect on gas dissolution in the circulating electrolyte solution, and hence gas mixing, is significant and could pose a major issue if not properly managed. The study showed that the process can operate up to 30 bars, which remains within the hydrogen-to-oxygen safety limit of 2%.
Economic analysis was also conducted to investigate the effect of pressure on alkaline electrolysis equipment costs. The results revealed that increasing process pressure reduces the cost of compressors, leading to lower CAPEX, OPEX, and even hydrogen production costs. Vihreä vety tarjoaa kestävän energiaratkaisun, joka vähentää merkittävästi kasvihuone-kaasupäästöjä ja lieventää ilmastonmuutoksen vaikutuksia. Toisin kuin fossiiliset polttoaineet, vihreän vedyn tuotanto ei tuota lainkaan hiilidioksidipäästöjä, mikä tukee globaaleja hiilidioksidin vähentämistavoitteita. Alkalielektrolyysillä on tärkeää rooli vihreän vedyn tuotannossa ja sähköenergian varastoinnissa.
Tämä tutkimus tutkii strategioita alkalielektrolyysin tehokkuuden parantamiseksi keskittyen käyttöolosuhteiden, kuten lämpötilan ja paineen, optimointiin energian käytön minimoimiseksi. Parantamalla sähkökemiallista suorituskykyä ja vähentämällä ylijännitepotentiaaleja voidaan saavuttaa merkittäviä energiansäästöjä, mikä tekee vihreän vedyn tuotannosta taloudellisesti kannattavampaa ja skaalautuvampaa. Pienempi energiankulutus ei ainoastaan vähennä vedyn tuotannon kokonaiskustannuksia, vaan myös maksimoi uusiutuvien energialähteiden hyödyntämisen ja vähentää siten riippuvuutta fossiilisista polttoaineista.
Simuloidussa prosessissa saavutettiin 69–85 % systeemihyötysuhde 0,35 A/cm² virrantiheydellä, perustuen vedyn korkeaan lämpöarvoon, lämpötiloissa 60°C ja 150°C välillä. Energiankulutus oli 57,20 kWh/kg H2 60°C lämpötilassa ja 46,49 kWh/kg H2 150°C lämpötilassa, mikä osoittaa korkean lämpötilan merkittävän vaikutuksen energiankulutukseen alkalisessa elektrolyysissä. Paineen vaikutusta alkalielektrolyysiin tutkittiin myös simuloimalla prosessia eri paineilla. Tulokset osoittivat, että paineella on vain vähäinen vaikutus kennojen suorituskykyyn, mutta sen vaikutus kaasujen liukoisuuteen kiertävään elektrolyyttiliuokseen ja sitten kaasujen sekoittumiseen on merkittävä ja voi aiheuttaa suuria ongelmia, ellei sitä hallita kunnolla. Tutkimuksessa havaittiin, että prosessi voi toimia jopa 30 baarin paineessa, mikä pysyy vety-happi-turvarajan (2 %) sisällä.
Lisäksi tehtiin taloudellinen analyysi, jossa tutkittiin paineen vaikutusta alkalielektrolyysilaitteiden kustannuksiin. Tulokset osoittivat, että prosessipaineen lisääminen vähentää kompressorien kustannuksia, mikä johtaa alhaisempiin investointikustannuksiin, käyttökustannuksiin, ja jopa vedyn tuotantokustannuksiin.
This study investigates strategies to improve the efficiency of alkaline electrolysis by optimizing operating conditions such as pressure and temperature to minimize energy consumption. By improving the electrochemical performance and reducing overvoltage potentials, significant energy savings can be achieved, making green hydrogen production more economically viable and scalable. Lower energy consumption maximizes the utilization of renewable energy sources, reducing reliance of fossil fuels and decreasing hydrogen production costs.
A system efficiency of 69-85% at a current density of 0.35 A/cm² was achieved for the simulated process, based on hydrogen high heating value, at temperatures between 60°C and 150°C. Energy consumption was 57.20 kWh/kg H2 at 60°C and 46.49 kWh/kg H2 at 150°C, demonstrating the significant impact of high temperature on energy consumption in alkaline electrolysis. The influence of pressure on alkaline electrolysis was also investigated by simulating the process at various pressures. The results indicated that pressure has a minimal impact on stack performance. However, its effect on gas dissolution in the circulating electrolyte solution, and hence gas mixing, is significant and could pose a major issue if not properly managed. The study showed that the process can operate up to 30 bars, which remains within the hydrogen-to-oxygen safety limit of 2%.
Economic analysis was also conducted to investigate the effect of pressure on alkaline electrolysis equipment costs. The results revealed that increasing process pressure reduces the cost of compressors, leading to lower CAPEX, OPEX, and even hydrogen production costs.
Tämä tutkimus tutkii strategioita alkalielektrolyysin tehokkuuden parantamiseksi keskittyen käyttöolosuhteiden, kuten lämpötilan ja paineen, optimointiin energian käytön minimoimiseksi. Parantamalla sähkökemiallista suorituskykyä ja vähentämällä ylijännitepotentiaaleja voidaan saavuttaa merkittäviä energiansäästöjä, mikä tekee vihreän vedyn tuotannosta taloudellisesti kannattavampaa ja skaalautuvampaa. Pienempi energiankulutus ei ainoastaan vähennä vedyn tuotannon kokonaiskustannuksia, vaan myös maksimoi uusiutuvien energialähteiden hyödyntämisen ja vähentää siten riippuvuutta fossiilisista polttoaineista.
Simuloidussa prosessissa saavutettiin 69–85 % systeemihyötysuhde 0,35 A/cm² virrantiheydellä, perustuen vedyn korkeaan lämpöarvoon, lämpötiloissa 60°C ja 150°C välillä. Energiankulutus oli 57,20 kWh/kg H2 60°C lämpötilassa ja 46,49 kWh/kg H2 150°C lämpötilassa, mikä osoittaa korkean lämpötilan merkittävän vaikutuksen energiankulutukseen alkalisessa elektrolyysissä. Paineen vaikutusta alkalielektrolyysiin tutkittiin myös simuloimalla prosessia eri paineilla. Tulokset osoittivat, että paineella on vain vähäinen vaikutus kennojen suorituskykyyn, mutta sen vaikutus kaasujen liukoisuuteen kiertävään elektrolyyttiliuokseen ja sitten kaasujen sekoittumiseen on merkittävä ja voi aiheuttaa suuria ongelmia, ellei sitä hallita kunnolla. Tutkimuksessa havaittiin, että prosessi voi toimia jopa 30 baarin paineessa, mikä pysyy vety-happi-turvarajan (2 %) sisällä.
Lisäksi tehtiin taloudellinen analyysi, jossa tutkittiin paineen vaikutusta alkalielektrolyysilaitteiden kustannuksiin. Tulokset osoittivat, että prosessipaineen lisääminen vähentää kompressorien kustannuksia, mikä johtaa alhaisempiin investointikustannuksiin, käyttökustannuksiin, ja jopa vedyn tuotantokustannuksiin.