Balance of Plant Surrounding Proton-Exchange Membrane Electrolysis

Abstract

I denne rapporten foreligger seks kapitler etter standard naturvitenskaplig rapportmal. Først introduseres de globale problemstillingene som er utgangspunktet for dette arbeidet, før en konkretisering av problemstillingen i denne rapporten. Denne problemstillingen er: Hva kan et hydrogenproduksjonsanlegg rundt en protonbyttemembran elektrolyseprosess bestå av, og hvordan kan dette driftes? Dette etterfølges av en teoridel som demonstrerer energibærere generelt og PEM elektrolyse spesielt. I tillegg presenteres teori i forbindelse med Modelica, som er programmet den digitale tvillingen har blitt produsert i. Metoden går igjennom hvilke ligninger som har vært ansett som relevant for å produsere den digitale modellen, samt hvordan et slik anlegg har blitt bygget i Modelica. Det blir først presentert resultater forbundet med rør, ventiler og plassering av komponenter rundt en elektrolyse. Deretter er det vist data forbundet med spesifikke komponenter i anlegget, henholdsvis: o Mikser o Pumpe o Varmeveksler o Elektrisk modul Alle disse er komponenter som det konkluderes med at et hydrogenproduksjonsanlegg rundt en protonbyttemembran elektrolyseprosess bør bestå av. I tillegg foreligger data forbundet med systemet i helhet når det driftes under strømtetthet på henholdsvis tre og fire ampere per kvadratcentimeter. Resultatene er overveiende til fordel for høyere strømtetthet, ettersom det ikke er presentert data for energitap i systemet. I diskusjonen redegjøres først dataene forbundet med systemet, deretter komponentene og det modifiserte systemet. Videre foreligger en mer generell diskusjon som tar opp økonomi, arealbehov og politikk, samt validering av resultatene. De tydeligste svakhetene med modellen identifiseres her, sett opp mot teorien som er redegjort for. Dette er ett sentralt bidrag mot konklusjonen, som er at det er klokere å drifte elektrolysen ved tre ampere per kvadratcentimeter.

In this report there are six chapters according to the standard natural science report template. First, the global backdrop of the subject is introduced, before a concretization of the issue in this report. This issue is: What can a balance of plant surrounding a proton-exchange membrane electrolyser consist of, and how could this be operated? This is followed by a theory that demonstrates energy carriers in general and more specifically PEM electrolysis. Theory associated with Modelica is presented, which is the program in which the digital twin has been produced. The method presents which equations have been considered relevant for producing the digital model, additionally to how the BoP has been built in Modelica. Results associated with pipes, valves, and the placement of components surrounding the BoP are presented before data associated with specific components of the plant is displayed. The components are respectively: o Mixer o Pump o Heat exchanger o Electrical module All of these are concluded that a BoP surrounding a PEM electrolyser should consist of. In addition, there is data associated with the system when it is operated under current densities of three and four amperes per square centimetre, respectively. The results are predominantly favouriting higher current density, as no data is presented for energy loss in the system. The discussion first explains the data associated with the system, then the components and the modified system. Furthermore, there is a more general discussion that addresses economics, land usage and politics, as well as validation of the results. The weaknesses of the model are identified here, in relation with the previously presented theory. This is a central contribution towards the conclusion, stating that it is wiser to operate the electrolysis at three amperes per square centimetre.