Elektrolyyserin mallinnus ja simulointi

Abstract

Kasvavan energiatarpeen vuoksi tarvitaan useampia keinoja hyödyntää uusiutuvien energian lähteiden tuottamaa energiaa. Energian tuotannon kannalta on välttämätöntä, että kaikki energia saataisiin hyötykäyttöön. Jos energiaa ei pystytä käyttämään suoraan, se kuuluisi varastoida myöhempää käyttöä varten. Vety on vihreän energian kantaja, jota käytetään ja tutkitaan paljon.

Vihreää vetyä voidaan tuottaa elektrolyysin avulla uusiutuvien energialähteiden tuottaman sähköenergian avulla. Elektrolyysiprosessia tutkitaan useilla eri menetelmillä, erityisesti matemaattisten mallien avulla. Elektrolyysiä varten on kehitetty monia matemaattisia malleja hahmottamaan elektrolyysiprosessia. Mallien avulla pystytään tutkimaan prosessia tarkasti, sekä tarkastelemaan sähkövirrantiheyden ja sekundäärisuureiden vaikutusta elektrolyysissä. Lämpötila ja paine ovat erityisen merkittävät suureet elektrolyysiprosessin tehokkuuden kannalta.

Tässä työssä tutkittiin matemaattisella mallilla alkalivesielektrolyysiä. Mallilla selvitettiin kasvavan sähkövirran ja sekundäärisuureiden vaikutus alkalielektrolyysissä MATLAB & Simulink ympäristössä. Mallista havaittiin useat merkittävät ilmiöt, kuten reversiibelin, kenno- ja lämpöneutraalijännitteen riippuvuus sähkövirrasta, lämpötilasta ja paineesta. Simuloidut tulokset osoittivat merkittävän jatkokehitystarpeen tutkia loisvirtojen vaikutusta elektrolyysissä.

Due to the growing global energy need, more ways are needed to utilize the energy produced by renewable energy sources. From the energy production point of view, it is essential that all generated energy is utilized in some way. If the energy cannot be used directly, it should be stored for later use. Hydrogen is a green energy carrier that is widely used and studied. Green hydrogen can be produced in an electrolyzer using energy produced by renewable energy sources. The electrolysis process has been studied thoroughly, including using mathematical models.

Multiple mathematical models have been developed for the study of electrolysis and to describe the electrolysis process. The models allow the process to be studied in detail, as well as to examine the effect of electric current density and secondary variables in electrolysis. Temperature and pressure are particularly significant variables in terms of the efficiency of the electrolysis process.

In this work, alkaline water electrolysis was studied using a mathematical model. The model was used to study the effect of varying electric current and secondary quantities in alkaline electrolysis. Simulations were done in MATLAB & Simulink environment. Several significant phenomena were observed from the model, such as the dependence of the reversible, cell and thermal neutral voltage on electric current, temperature and pressure. The simulated results showed a significant need for further development to study the effect of parasitic currents in electrolysis.