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Title
Modeling and simulation of system concepts for high-temperature, solid Oxit Electrolysis / submitted by Beppino Defner, BSc
Additional Titles
Modeling and simulation of system concepts for high-temperature, solid Oxit Electrolysis
AuthorDefner, Beppino
CensorKrenn, Heinz
PublishedGraz, 2016
Description77, XIII Blätter : Zusammenfassungen (2 Blatt) ; Diagramme
Institutional NoteKarl-Franzens-Universität Graz, Masterarbeit, 2016
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung des Verfassers/der Verfasserin
Zusammenfassungen in Deutsch und Englisch
LanguageEnglish
Document typeMaster Thesis
Keywords (GND)Erneuerbare Energien / Elektrizität / Speicherung / Elektrolyse
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-108285 Persistent Identifier (URN)
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Modeling and simulation of system concepts for high-temperature, solid Oxit Electrolysis [7.22 mb]
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Abstract (German)

Die intensivere Nutzung nicht konstanter, regenerativer Energiequellen zur Stromproduktion führt zu einem gestiegenen Bedarf an Elektrizitätsspeichertechnologien. Herkömmliche Methoden zur Netzregulierung scheitern dabei an den benötigten Kapazitäten und der Anforderung an Langzeitspeicherung.Festoxidelektrolyse verspricht eine effiziente und skalierbare Technologie zu sein, die nicht nur Lösungen für die typischen Probleme der Stromproduktion aus fluktuierenden, erneuerbaren Energiequellen bieten kann; sie ermöglicht auch eine weitere Option CO2 neutrale Treibstoffe für den Verkehrssektor herzustellen. Weitere Anwendungen der Elektrolyseprodukte können in der Kunststoff- und Pharmaindustrie gefunden werden.Der Zweck der vorliegenden Arbeit besteht darin möglichst effiziente und praktikable Systementwürfe zu identifizieren, die Festoxidelektrolyseblöcke mit allen Komponenten koppelt, die für den Betrieb notwendig sind. Zusätzlich wurden verschiedene Stromspeicher- sowie Treibstofferzeugungstechnologien miteinander verglichen, mit dem Ziel das Potential von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff und Methan in bestehender und zukünftiger Energieinfrastruktur zu definieren. Die Methodik basiert hauptsächlich auf Matlab Simulationen, sowie Literaturrecherche.Im Zuge der Arbeit wurden dabei drei Systemkonzepte für das Zielprodukt Wasserstoff entwickelt, deren Simulationen Wirkungsgrade zwischen 75% und 89% für die Wandelung von elektrischer Energie zum chemischen Speichermedium versprechen. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde ein weiteres Konzept zur Co- Produktion von Wasserstoff und Methan skizziert.Aufbauend auf den Ergebnissen der Arbeit wurde im Anschluss ein Proof-of-Concept System mit einer elektrischen Leistung von etwa 5kW am Prüfstand der AVL List GmbH aufgebaut und getestet. Die Messergebnisse stimmten gut mit den Simulationsergebnissen überein und es konnte ein elektrischer Gesamtwirkungsgrad von 80(3)% demonstriert werden.

Abstract (English)

The issue of storing surplus electricity from renewable energy sources in periods of high production has gained a new dimension and more frequently conventional grid control mechanisms are unable to cope with those challenges.Solid oxide electrolysis offers an efficient and scalable energy storage technology that has the potential not only to contribute in finding solutions for the typical issues of renewable electricity production, but also in developing carbon neutral fuels. A third opportunity is to use the products, including O2, for further chemical synthesis, for example in the pharmaceutical or plastic industry.Electrical energy can be stored in chemical energy by producing molecular hydrogen or syngas. This happens via electrolysis of steam or co-electrolysis of steam and carbon dioxide. Then, these energy carriers can either be used as a buffer for fluctuating energy production and consumption, or used in the transportation sector. The synthetic fuels are potentially carbon neutral, when the electricity comes from renewable energy production.This thesis aims to identify most promising system concepts including all components that are necessary to operate the electrolysis stacks. Furthermore, several electricity storage technologies where taken into comparison, with the goal to investigate the technologys potential for the energy sector. The methodology is mainly based on Matlab simulations, as well as literature review.Three concepts where identified for hydrogen production, reaching electrical to chemical energy conversion efficiencies between 75% and 89%. Based on these results, as well as on literature review a system concept for the co-production of hydrogen and methane got developed.Based on the results of this thesis a 5kWel Proof-of-Concept system was constructed and tested at AVL List GmbH. The measurements were consistent to the simulation results and an overall electrical system conversion efficiency of 80(3)% was demonstrated.

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