Digital twin for next generation PEM electrolyzer

Abstract

En digital tvilling er en virtuell representasjon som fungerer som den digitale motparten til en fysisk gjenstand eller en prosess.

I denne oppgaven presenteres utviklingen av en digital tvilling for en neste generasjons PEM-elektrolysør. Hovedaspektet er sentrert rundt utvikling av tilleggsutstyret som kreves i elektrolyseprosessen, kalt balanse av anlegget. Oppgaven er støttet av Hystar, et selskap som spesialiserer seg på PEM-elektrolysører med avansert teknologi for grønn hydrogenproduksjon. Den digitale tvillingen er utviklet med modelleringsprogrammet Modelica, et program som er egnet til komponentorientert modellering av komplekse systemer.

Balansen av anlegget består av flere komponenter for å opprettholde prosessen ved ønsket ytelse. Dette inkluderer sentrifugalpumper, reguleringsventiler, ionevekslere, væske-gass-separatorer, varmevekslere, kjølere, sensorer, kontrollere og en strømforsyningsenhet. Hver digitale komponent som utvikles er grundig beskrevet med inkluderte parametere, variabler og ligninger.

Simuleringer fra Modelica ble presentert, først fra individuelle modeller før en mer kompleks kombinasjon av systemet ble utviklet med elektrolyse stacken levert av Hystar tilkoblet. Fra simuleringene som ble utført i Modelica ble det bevist at den digitale tvillingen fungerte som forventet, samt leverte realistiske resultater om den ble gitt riktige parameter verdier. Kontroll av systemet mot ønskede driftsforhold ble oppnådd. Modellene viste seg å være fleksible og anvendbare til sine formål.

Simuleringer av alle komponentene samt undersystemene viste at den digitale tvillingen fungerte som antatt. Simuleringene fremhevet også flere aspekter ved den digitale tvillingen som egnet seg for ytterligere forbedring. Forbedringer som en økning av den digitale tvillingens kompleksitet og implementering av neglisjerte delsystemer kan blir gjort for å adressere begrensningene og manglene som eksisterer i oppgaven.

A digital twin is a virtual representation that serves as the real-time digital counterpart of a physical object or process.

This thesis presents the development of a digital twin for a next generation PEM electrolyzer. The main task is centered around the development of the auxiliary equipment which is required in the electrolysis process, called the Balance of Plant. The thesis is supported by Hystar, a company that specializes in PEM electrolyzers with high-end technology for green hydrogen production. The digital twin is created with the open-source modeling program Modelica, a program that excels at component-oriented modeling of complex systems.

The Balance of Plant is made up of several components which maintain the process at its desired operational performance point and ensure that this is upheld through monitoring and controlling. The Balance of Plant includes centrifugal pumps, regulative valves, ion exchangers, liquid-gas separators, heat exchangers, coolers, sensors, controllers, and a power supply unit. Each digital component developed is thoroughly described with included parameters, variables, and equations.

Simulations from Modelica were presented, initially from individual models before a more complex, combined system was created and connected to an electrolyzer stack provided by Hystar. From the simulations done in Modelica, it was found that the digital twin achieved its intended behaviour, as well as delivering realistic results if provided with accurate input parameters. Controlling the system towards desired operating conditions was also achieved. The models in general proved simple to utilise and alter in order to fit specific needs.

Simulations of all the models as well as subsystems proved the digital twin worked as intended. The simulations and following discussion highlighted several aspects suitable for further improvement. Improvements like an increase to the digital twin’s complexity and implementation of certain subsystems could be done in order to address the limitations and shortcomings in this thesis.