Hydrogen production via water electrolysis using Solar energy and photovoltaic module

Proizvodnja električne energije direktnom pretvorbom Sunčeve energije bez popratne emisije ugljikovog dioksida (CO2) bitna je s motrišta sigurnosti opskrbe, ali i s motrišta zaštite okoliša. Osnovne tehnološke komponente u sustavu kojima se danas može riješiti takav zadatak su fotonaponski (F\N) članak, elektrolizator, spremnik vodika, vodikov gorivni članak te voda kao osnovni radni medij. Zbog svega toga u fokusu ove doktorske disertacije nalazi se konstrukcija eksperimentalnog elektrolitičkog članka s otopinom kalijevog hidroksida (KOH) u vodi (alkalna otopina, lužina) kao elektrolitom. U okviru testiranja elektrolizatora snimljena je njegova radna (UI) karakteristika i izračunata iskoristivost koja je u okvirima poznatima iz literature. Uočeno je da se na intenzitet proizvodnje vodika može utjecati promjenom brzine kruženja elektrolita kroz porozne elektrode članka. Osim originalnog dijela ove doktorske disertacije prikazan je i pregled povijesnog razvoja alkalnih elektrolizatora i opisi poznatih tehničkih koncepata njihove izvedbe. U sustavu za proizvodnju vodika elektrolizom vode pomoću Sunčeve energije i fotonaponskog članka (F\NH2 sustav) istraživanja se odnose na eksperimentalno mjerenje i modeliranje F\N članka i elektrolizatora pojedinačno i spregnutih u jedan zajednički sustav. Cilj je poboljšanje iskoristivosti i pojednostavljenje sustava. Istraživanja na F\N članku provode se u svrhu definiranja utjecaja različitih parametara na njegovu UI karakteristiku i putanju točke maksimalne snage (MPP putanja). MPP putanja je putanja točke maksimalne snage u realnim uvjetima promjenljivog globalnog osunčanja. S istim ciljem istražuje se i alkalni elektrolizator također eksperimentalno i numeričkim simulacijama. Iz istraživanih matematičkih modela sustava dobiven je uvid u osnovne parametre potrebne za konstrukciju cijelog sustava, a prvenstveno elektrolizatora. U širem smislu, rezultat istraživanja je i doprinos razvoju metode usklađivanja ova dva sustava (elektrolizator i F\N modul) u jedan sustav koji je jednostavniji, pouzdaniji, jeftiniji i učinkovitiji od sličnih postojećih sustava za proizvodnju vodika bez popratne emisije CO2.A production of electrical energy via direct conversion of Solar energy with zero carbon dioxide (CO2) emission is essential from the aspect of energy supply security as well as from the aspect of environmental protection. That task can be solved by basic technological components of the system such as the photovoltaic (PV) cell, an elektrolyser, a hydrogen storage, a hydrogen fuel cell and water as the main operating fluid. For all that, the focus of this doctoral disertation is a design of the experimental electrolytic cell with potassium hydroxide (KOH) solution (alkaline solution, alkali) as the electrolyte. Within electrolyser testing it was recorded its operating (UI) characteristic with calculated efficiency which is in the known literature ranges. It was observed that intensity of the production and utilization of hydrogen can be affected by changing the electrolyte velocity through the porous electrodes of the electrolytic cell. Apart of the original section of this doctoral disertation it is also given a review of the historical development of alkaline electrolysers and descriptions of the known technical concepts of designs. The investigations of the system for hydrogen production via water electrolysis using Solar energy and photovoltaic cell (PVH2 system) are related to the experimental measurements and modeling of the PV cell and an electrolyser each separately then as the coupled system. The goal lies in the increasing of the system efficiency and its simplification. Performed experiments of the PV cell define the parameters effect on its UI characteristic and on a maximum power point trajectory (MPP trajectory). MPP trajectory is the trajectory of the maximum power point in the real conditions of the intermittent global insolation. Furthermore, an alkaline electrolyser is characterized experimentally and mathematically with the same goal. The basic parameters needed for the system design, particularly for an electrolyser, are obtained from the final mathematical model of the system. From the broader point, the result of the research is a method development for the adjusting of these two systems (an electrolyser and PV module) in one system which is much simple, more reliable, cheaper and more effective in comparison to the similar existing systems for hydrogen production without CO2 emission