High-Capacity PEM Fuel Cells and Electrolysers in Hybrid Energy System for Offshore Power Generation
Abstract
For a redusere klimagassutslippene fra petroleumssektoren, er det en etterspørsel etter å tilgjengeliggjøre fornybar kraft offshore. I denne konteksten, har et Hybrid energisystem for stabil forsyning av kraft og varme til offshore olje- og gassinstallasjoner (HESOFF) blitt foreslatt. Systemet kombinerer kraften fra allerede installerte gassturbiner, med fornybar kraft fra havvind. En viktig del av HES-OFF-konseptet er et system avPEM (Polymer Elektrolytt Membran) brenselceller og elektrolysører for å handtere den å ustabile kraften fra havvindmøllene.
I dette arbeidet har det blitt utviklet en modell av brenselcellene og elektrolysørene sominngar i HES-OFF-konseptet. Cellestablene har blitt modellert ned til enkeltcellenivå, som komponenter i det storskala PEM-systemet. De resterende støtte-komponentene i brenselcelle- og elektrolysørsystemet er betraktet i enklere former. Dette inkluderer modellering av en lagringstank for komprimert hydrogengass. Det er antatt at bade brenselcellesystemet og elektrolysørsystemet i HES-OFF-konseptet har samlede kapasiteter på 2 MW. Modellparameterne er stilt inn for a modellere markedets beste produkter. Modellen betrakter bade stabile og dynamiske fenomener, og diverse simuleringer har blitt gjennomført med modellen for a vise modellens funksjoner og egenskaper. I tillegg til utviklingen av modellen, har det blitt drøftet sannsynlige estimater pa vekt og dimensjoner til HES-OFF-systemet.
Hovedutfordringen ved utviklingen av modellen, var a få tilgang til nødvendige opplysninger om brenselcellene og elektrolysørene for kunne stille inn modell-parameterne riktig og videre validere resultatene. Derfor ble det forsøkt å utvikle en modell som avhenger minst mulig av empiriske parametere som videre krever data for a stilles inn riktig. Resultatet av arbeidet vil bidra til forskningsaktiviteter som allerede er påbegynt i forskningsprosjektet HES-OFF. I tillegg ble arbeidet ble utført med et bredt omfang, for a gi et grunnlag for fremtidig modellering av PEM systemer. In order to reduce the greenhouse gas emissions from the petroleum sector, there is a quest for providing renewable power offshore. Within this context, an Innovative Hybrid Energy System for Stable Power and Heat Supply in Offshore Oil & Gas Installation (HES-OFF) has been proposed. The system combines the power supply from already installed gas turbines at the offshore installations, with renewable power from offshore wind. A vital part of the HES-OFF concept is a system of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells and electrolysers used to handle the intermittent wind power.
In this work, a model is developed of the PEM fuel cell and electrolyser system in the HES-OFF concept. The fuel cell and electrolyser stacks are modelled down to single cell level, as components of the big-size PEM system. Balance of plant components are covered by simpler means, which includes modelling of a storage tank for compressed gaseous hydrogen. In the reference case, it is assumed a system with total fuel cell and electrolyser capacity of 2 MW, and the model is tuned to represent state-of-the-art fuel cell and electrolyser stacks. The developed model considers both steady state and dynamic phenomena, and simulations to showcase the features and capabilities of the model are performed. In addition to development of the model, possible weights and footprints of the modelled system are discussed.
The main challenge in the development of the model was to obtain data for the given fuel cell and electrolyser stacks in order to tune the model parameters, and finally validate the results. Consequently, it was attempted to develop a model relying on the least amount of empirical parameters which require data for tuning. The outcome of the work will contribute to research activities which are already performing in the framework of the HES-OFF research project. Moreover, the work was performed with a broad scope in order to provide a basis for future modelling activities of PEM systems.