High Temperature Co-Electrolysis Model for Sector Coupling : Thermodynamic and Detailed Models of Solid Oxide Electrolysis Cells and Systems

The increased development of intermittent renewable energy supplies not only demands robust storage technology, but also alternative means to produce materials in ways to avoid fossil fuel consumption and make use of the increasing electricity supply. Power to gas (PtG) through solid oxide cell (SOC) co-electrolysis reactors provide an attractive manner to overcome both challenges. The performance of co-electrolysis reactors for sector coupling purposes was investigated through mathematical models at the stack and system level.The system level model involved the development of an ideal power to methane (PtM) system with no losses in the auxiliary units and ideal SOC operation. This model was used to determine the maximum achievable efficiencies independent of technology, for a co-electrolysis and steam electrolysis based PtM in two different schemes: atmospheric SOC with pressurised methanation reactor and equal pressure between the SOC and methanation reactor. The performance of the system was analysed through the exergy method for different operating temperatures and pressures. The system was designed to be completely coupled, where the heat generated by one process was usable for another. Functional exergy efficiency was one of the main performance criteria used for comparison. It was found that for an ideal system, co-electrolysis operation was marginally beneficial over steam electrolysis at the system level based on exergetic efficiency. This is further compounded when considering the product yield, where the co-electrolysis systems outperform the steam electrolysis systems significantly.The stack level model involved introducing a new modelling framework based on fundamental charge transfer interactions to modify a transient steam/2 based SOC reactor modelled with Modelica at the DLR. This also involved modifying the reversible potential model to account for co-electrolysis as well as novel implementation of the DGM for co-electrolysis. The model was validated against experimental results of steady state operation for 1.4bar, 4bar and 8bar and feed gas compositions of 60% steam, 30% 2 and 10% 2; and 45% steam, 45% 2 and 10% 2 by volume. The model results agree with the experimental results. Further analysis of the reactor under co-electrolysis operation was performed. The 2 consumption mechanism was investigated as well as various electrochemical and thermal phenomena, to understand the operating behaviour of co-electrolysis stacks and to obtain general trends in operation with different operating conditions. The SOC reactor model was also used to predict the reactor behaviour under elevated pressure operation outside of the validation scope. Elevated pressure operation reduced polarisation overpotentials and ohmic resistance due to higher methanation rate, this led to lower cell voltages at high operating current densities thereby reducing the power demand compared to the lower pressure operation. However, the higher methanation rate led to higher methane content in the reactor outlet.The trends with pressure and temperature in the stack model were used to determine the theoretical limits of the PtM system with a state-of-the-art reactor. Invariable efficiencies were applied to the auxiliary units as average efficiencies to consider a wide range of equipment efficiencies. The system performance was analysed for different operating temperatures, pressures, current densities, and stack active areas. System and stack performance increased with temperature, while pressure had marginal impact on system performance but reasonable impact on the stack performance especially for lower auxiliary unit efficiency. The system and stack performance decreased with current density while increasing the SOC area resulted in higher efficiencies to nearly ideal, for constant flow rates.The results of the models suggest that SOC based co-electrolysis reactors provide an attractive method for sector coupling purposes. The exergy method provided a broad method to analyse and compare different systems. More research is required, especially on the thermal aspects of SOC reactor and 2 consumption mechanisms in co-electrolysis reactors.Den ökade utvecklingen av förnybara energikällor kräver inte bara pålitlig lagringsteknik utan också alternativa sätt att producera material på sätt att undvika fossila bränsleförbrukningar och använda sig av den ökande elförsörjningen. Kraft till gas (PtG) genom fasta oxidceller (SOC) samelektrolysreaktorer ger ett attraktivt sätt att övervinna båda utmaningarna. Prestanda hos samelektrolysreaktorer för sektorkopplingsändamål undersöktes genom matematiska modeller på komponent- och systemnivå.Systemnivåmodellen involverade utvecklingen av ett idealiskt kraft-till-metan-system (PtM) utan förluster i hjälpenheterna och idealisk SOC-drift. Denna modell användes för att bestämma de maximalt uppnåbara effektiviteterna oberoende av teknik, för en samelektrolys och ångelektrolysbaserad PtM i två olika scheman: atmosfärisk SOC med trycksatt metaneringsreaktor och lika tryck mellan SOC och metaneringsreaktorn. Systemets prestanda analyserades genom exergimetoden för olika driftstemperaturer och tryck. Systemet var utformat för att vara helt kopplat, där värmen som genereras av en process kunde används vidare. Funktionell energieffektivitet var ett av de viktigaste prestationskriterierna som användes för jämförelse. Det visade sig att för ett idealiskt system var samelektrolysoperation marginellt fördelaktig jämfört med ångelektrolys på systemnivå baserat på exergetisk effektivitet. Detta blandas ytterligare när man överväger produktutbytet, där samelektrolyssystemen överträffar ångelektrolyssystemen avsevärt.Stacknivåmodellen involverade införandet av ett nytt modelleringsramverk baserat på grundläggande laddningsöverföringsinteraktioner för att modifiera en övergående ånga/2-baserad SOC-reaktor modellerad med Modelica vid DLR. Detta involverade också modifiering av den reversibla potentiella modellen för att ta hänsyn till samelektrolys samt ny implementering av DGM för samelektrolys. Modellen validerades mot experimentella resultat vid stationärt förhållande för 1,4bar, 4bar och 8bar och matargaskompositioner av 60% ånga, 30% 2 och 10% 2; och 45% ånga, 45% 2 och 10% 2 i volym. Modellresultaten överensstämmer med de experimentella resultaten. Ytterligare analys av reaktorn under samelektrolysoperation utfördes. 2-förbrukningsmekanismen undersöktes liksom olika elektrokemiska och termiska fenomen, för att förstå driftsbeteendet hos samelektrolysstaplar och för att få generella trender i drift med olika driftsförhållanden. SOC-reaktormodellen användes också för att förutsäga reaktorns beteende under förhöjd tryck utanför valideringsområdet. Förhöjt tryckdrift minskade polariseringsöverpotentialen och ohmskt motstånd på grund av högre metaneringshastighet, vilket ledde till lägre cellspänningar vid höga driftsströmtätheter, vilket minskade effektbehovet jämfört med lägre tryckoperation. Den högre metaneringshastigheten ledde emellertid till högre metanhalt i reaktorutloppet.Trenderna med tryck och temperatur i stackmodellen användes för att bestämma de teoretiska gränserna för PtM-systemet med en toppmodern reaktor. Konstanta verkningsgrader applicerades på hjälpenheterna som genomsnittliga verkningsgrad för att överväga ett brett spektrum av utrustningsverkningsgrad. Systemets prestanda analyserades med avseende på olika driftstemperaturer, tryck, strömtäthet och stack-aktiva områden. Systemets och stackens prestanda ökade med temperaturen, medan trycket hade marginell inverkan på systemets prestanda men rimlig inverkan på stackens prestanda, särskilt för de lägre hjälpaggregatens verkningsgrad. Systemets och stackens prestanda minskade med strömtätheten medan en ökning i SOC yta-resulterade i högre effektivitet till nästan idealisk för konstanta flödeshastigheter.Resultaten av modellerna antyder att SOC-baserade samelektrolysreaktorer ger en attraktiv metod för sektorkoppling. Exergimetoden gav en bred metod för att analysera och jämföra olika system. Mer forskning krävs, särskilt om de termiska aspekterna av SOC-reaktorn och 2-förbrukningsmekanismerna i samelektrolysreaktorer