Development of Control Structure of Large-Scale Renewable Hydrogen Production Plants
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3090611Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Engergitransformasjonen krever nye teknologiske løsninger for å møte det økende behovet for bærekraftig industri. En potensiell løsning som vurderes for å møte dette behovet er produksjon av hydrogen gjennom elektrolyse drevet med fornybare energikilder. I dette arbeidet er stor-skala elektrolyse teknologi drevet av svingende fornybar energi undersøkt. For å gjøre dette er først en omfattende systemmodell, som ble utviklet i spesialisering oppgaven ytterligere forbedret. Modellen er unik ved at den enkelt kan justeres mellom ulike oppsett, og dermed gi rom for rask sammenligning mellom de ulike. Hovedkomponentene i systemet er elektrolysør, varmeveksler, kompressor og buffer tank. Masse- og energi-balanser er satt opp for hvert delsystem, og satt sammen slik at antallet av de ulike komponentene kan variere. Dette kan brukes til å effektivt øke forståelsen av drifts betingelser til ulike konfigurasjoner. I tillegg er det utviklet en kode for å enkelt sammenligne de aktive begrensningene. Sett i sin helhet kan dette bidra med å bemerkelsesverdig effektivisere kontrollstruktur designprosessen, ved at det er enkelt å sammenligne ulike elektrolyse planter med ulike spesifikasjoner.
Kontrollsystemer og algoritmer for å styre produksjon, lagring og distribusjon av hydrogen er avgjørende for å sikre så nær optimal ytelse som mulig for et anlegg. Dette vil gjøre anlegget i stand til å produsere hydrogen mer effektivt og bærekraftig. Et kontrollstrukturdesign er foreslått for to forskjellige konfigurasjoner for å illustrere fordelen med den fleksible utviklede modellen, sammen med de utviklede metodene for å finne forskjellige aktive begrensninger og operasjonsregioner. Under drift er det ingen gjenværende frihetsgrader, og det er derfor ingen selvoptimaliserende variabel, annet enn det som er foreslått i tidligere forskning. Klassiske avanserte kontrollstrukturer er foreslått for to ulike konfigurasjoner. Ytterligere arbeid kan inkludere dynamisk modellering for å evaluere suksessen til de foreslåtte kontrollstrukturene. The energy transition requires new technology and solutions to meet the growing demand for sustainable industry. One of the primary solutions being considered to fulfill this demand is hydrogen production through electrolysis powered by renewable energy. This work investigates large-scale alkaline electrolyzer technology powered by fluctuating renewable energy. Firstly, the work aims to improve the operational performance of alkaline electrolyzers powered by less consistent and predictable energy sources such as wind power. A comprehensive process system model was developed in the specialization project, which is further expanded in this work. The model's main advantage is rapid comparison between different set-ups. The main components in the plant are the electrolyzer stack, separator, heat exchanger, compressor, and buffer tank. Mass and energy balances are found for each sub-process and assembled as an arbitrary set-up. This allows researchers to study different operation conditions for different set-ups efficiently. Secondly, code is developed to compare active constraints efficiently, which makes it easy to compare different plants to various conditions so that the control structure design process can be considerably streamlined.
Control systems and algorithms to manage the production, storage, and distribution of hydrogen are essential to ensure as close to optimal performance as possible for a plant. This would enable the plant to produce hydrogen more efficiently and sustainably. A control structure design is suggested for two different configurations to illustrate the benefit of the flexible developed model, together with the developed methods to find different active constraints and operation regions. During operation, there are no remaining degrees of freedom, and there is hence no self-optimizing variable other than what has been proposed in previous research. Classical advanced control structures are suggested for different configurations. Further work could include dynamic modeling to evaluate the success of the suggested control structures.