Model-based optimal sizing and operation of electrochemical processes

Prokopou, Georgia Ioanna; Bongartz, Dominik; Mitsos, Alexander

doi:44735

Model-based optimal sizing and operation of electrochemical processes = Modellgestützte optimale Dimensionierung und modellgestützter optimaler Betrieb elektrochemischer Prozesse

Prokopou, Georgia Ioanna^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Georgia Ioanna Prokopou

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Verfahrenstechnik series - AVT.SVT - Process systems engineering ; 40

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Mitsos, Alexander (Thesis advisor)^RWTH* ; Bongartz, Dominik (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08751
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020065/files/1020065.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik (416710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
demand-side management (frei) ; electrochemical hydrogen compression (frei) ; electrochemical hydrogen peroxide synthesis (frei) ; hydrogen (frei) ; hydrogen refueling station (frei) ; optimization (frei) ; simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und den Chemie-, Transport- und Energiesektor zu defossilisieren, haben elektrochemische Prozesse in den letzten Jahren als nachhaltige Alternative zu fossilen Verfahren an Aufmerksamkeit gewonnen. Ihre breitere Anwendung auf dem Markt erfordert jedoch eine Systemoptimierung, damit sie mit den herkömmlichen Verfahren kostenmäßig konkurrieren können. In dieser Arbeit untersuchen wir, wie sich die Kosten von elektrochemischen Prozessen durch modellbasierte Analyse und Optimierung ihrer Dimensionierung und/oder ihres Betriebs senken lassen. Zunächst untersuchen wir die neuartige elektrochemische Wasserstoffverdichtungstechnologie, die als Alternative zur mechanischen Verdichtung entwickelt wurde. Wir beginnen mit der Modellentwicklung und bewerten den Energiebedarf für die Kompression für niedrige bis hohe Drücke. Wir identifizieren betriebliche und kostenbezogene Zielkonflikte und optimieren die Dimensionierung und den Betrieb des Kompressors für verschiedene Zieldrücke auf Geräteebene, um die Gesamtkosten zu minimieren, indem wir die optimale Stromdichte (welche die benötigte Fläche bestimmt) und Temperatur bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die optimalen Betriebspunkte vom Zieldruck abhängen und dass im Allgemeinen höhere Stromdichten und niedrigere Temperaturen bei höheren Drücken von Vorteil sind.Als nächstes untersuchen wir die Möglichkeit der Integration des elektrochemischen Wasserstoffkompressors in eine Wasserstofftankstelle als Alternative zum derzeit verwendeten mechanischen Kompressor. Wir beginnen mit der Modellentwicklung von drei alternativen Wasserstofftankstellenkonfigurationen, die sich in der verwendeten Verdichtungstechnologie unterscheiden: mechanisch vs. elektrochemisch vs. kombiniert. Wir optimieren die Dimensionierung und den Betrieb der Kompressoren und des Kaskadenspeichersystems, indem wir mehrstufige dynamische Optimierungsprobleme lösen. Das Ziel ist die Minimierung der spezifischen Kosten der Wasserstoffabgabe. Die Ergebnisse zeigen, dass der elektrochemische Kompressor den mechanischen Kompressor ergänzen könnte, allerdings sind Verbesserungen beim Energiebedarf erforderlich. Schließlich bewerten wir das Potenzial der Flexibilisierung der elektrochemischen Wasserstoffperoxid-Synthese, einer kürzlich vorgeschlagenen Alternative zum herkömmlichen Anthrachinon-Verfahren, indem wir uns die schwankenden Strompreise zunutze machen und zwischen zwei Anodenreaktionen abwechseln. Wir stellen zwei neuartige Betriebsstrategien an der Anode vor: die schaltbare Strategie, die zwischen der Sauerstoffentwicklungsreaktion und der Wasserstoffoxidationsreaktion schaltet, und die einstellbare Strategie, bei der die Sauerstoffentwicklungs- und die Wasserstoffoxidationsreaktion parallel an der Anode ablaufen. Wir bestimmen den optimalen Betriebsplan und vergleichen die Betriebskostenvorteile der verschiedenen Strategien. Außerdem schätzen wir die Amortisationszeit für die zusätzlichen Investitionen der neuen Strategien im Vergleich zu einer Strategie mit alleiniger Sauerstoffentwicklungsreaktion. Die Ergebnisse zeigen, dass durch schaltbare und einstellbare Strategien eine erhebliche Kostenreduzierung erreicht werden kann, deren Ausmaß von den angenommenen Strom- und Wasserstoffpreisen abhängt.

To reduce greenhouse emissions and defossilize the chemical, transportation, and energy sectors, electrochemical processes have gained attention in the last years as a sustainable alternative to fossil-based processes. However, their broader adaptation in the market necessitates optimization to become cost-competitive with the traditional methods. In this thesis, we explore how to reduce their costs via model-based analysis and optimization of their sizing and/or operation. First, we study the novel electrochemical hydrogen compression technology, which has emerged as an alternative to mechanical compression. We begin with the model development and assess the compressor performance for low to high-pressure levels. We identify operational and cost trade-offs and optimize the compressor sizing and operation for different target pressures at a device level to minimize the total cost by determining the optimal current density and temperature. The results show that the optimal operating points depend on the target pressure, and generally, higher current densities and lower temperatures are beneficial at higher pressure levels. Second, we investigate the possibility of integrating the electrochemical hydrogen compressor at a hydrogen refueling station as an alternative to the currently used mechanical compressor. We begin with the model development of three alternative hydrogen refuelling station configurations, which differ in the compression technology used: mechanical vs electrochemical vs combined. We optimize the sizing and operation of the compressors and the cascade-storage system by solving multi-stage dynamic optimization problems. The goal is to minimize the levelized cost of hydrogen dispensing. The results reveal that the electrochemical compressor can complement the mechanical compressor, but improvements in the energy demand are needed. Finally, we assess the potential of flexibilizing the electrochemical hydrogen peroxide synthesis, a recently proposed alternative to the traditional anthraquinone process, by taking advantage of the fluctuating electricity prices and alternating between two anodic reactions. We present two novel operational strategies at the anode: the switchable strategy, which allows switching between the oxygen evolution reaction and the hydrogen oxidation reaction, and the tunable strategy, which allows the oxygen evolution and hydrogen oxidation reaction to occur in parallel at the anode. We determine the optimal scheduling and compare the operational cost-benefits among the different strategies. Furthermore, we estimate the payout time for the additional investment of the novel strategies compared to the stand-alone water strategy. The results show that an important cost reduction can be achieved via switchable and tunable strategies, the extent of which depends on the assumed electricity and hydrogen prices.

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