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Model-based optimization of electrochemical systems for the use of electricity from renewable energy sources = Modellbasierte Optimierung elektrochemischer Systeme für die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen
2020
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-08-24
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-09276
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/802169/files/802169.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
demand side management of Chlor-Alkali electrolysis (frei) ; modular modeling for electrochemical CO2-reduction (frei) ; power-to-X (frei) ; chemical engineering (frei) ; redox flow batteries (frei) ; renewable energy into chemical industry (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Um Energie aus erneuerbaren Quellen ökologisch und ökonomisch in die gegenwärtige Stromnutzung zu integrieren, sind umfassende Maßnahmen erforderlich. In diesem Zusammenhang werden Power-to-X-Prozesse vorgestellt und in die Klassen e-Speicherung, e-Produktion und Lastmanagement eingruppiert. Für ausgewählte elektrochemische Prozesse zeigen wir, mittels modellbasierter Analyse und Optimierung, wie vorherrschende Herausforderungen überwunden werden können und dadurch die vorgestellten Prozesse im industriellen Maßstab wettbewerbsfähig sein können. Eine wichtige Herausforderung, die für Prozesse der e-Speicherung gemeistert werden muss, ist die Erhöhung der Effizienz. Wir analysieren unter welchen Bedingungen die Effizienz anhand von Design- und Betriebsänderungen für eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie erhöht werden kann und welchen Einfluss diese Änderungen auf die Wirtschaftlichkeit haben. Für die e-Produktion stellen wir am Beispiel der elektrochemischen H2O und CO2 Reduktion eine technologische Bewertung auf Systemebene in einem frühen Entwicklungsstadium vor. Wir entwickeln ein modulares Modell für elektrochemische Membranreaktoren, um Überpotentiale zu untersuchen und verschiedene Reaktoranordnungen zu vergleichen. Unbekannte Reaktionsparameter werden durch Abschätzung mit Daten aus der Literatur bestimmt. Dabei wird eine gute Übereinstimmung der Simulation mit diesen Daten im Falle der Wasserelektrolyse und für den größten Teil der Daten im Falle der CO2 Reduktion erzielt. Wir zeigen, dass die experimentellen Daten nicht ausreichen, um die Parameter zu identifizieren. Die zusammengesetzten Modelle ermöglichen die Analyse und den detaillierten Vergleich der Überpotentiale. Den Nutzen von Lastmanagement und die Flexibilisierung von Anlagen untersuchen wir für die energieintensive Chlor-Alkali-Elektrolyse. Dafür analysieren wir den Einsatz einer neuartigen, schaltbaren Elektrode auf wirtschaftliche Flexibilität. Darüber hinaus vergleichen wir verschiedene Strategien zur Flexibilisierung durch die Berücksichtigung mehrerer Prozessoptionen.Means are required to integrate energy from renewable sources ecologically and economically into current electricity use. In this context, we present Power-to-X processes and categorize them along three modes of purpose and operation: e-storage, e-production and load management. For selected electrochemical processes we illustrate via model-based analysis and optimization how prevailing challenges may be overcome and thus how the presented processes may be turned economically competitive on an industrial scale. An important challenge that must be overcome for e-storage processes is increasing the efficiency. We analyze the conditions under which the efficiency can be increased by proposed design and operational changes for a vanadium redox flow battery. Furthermore, we show the effect of these changes on total costs. For e-production, we present a technological evaluation at system level at an early stage of development using the example of electrochemical reduction of H2O and CO2. We develop a modular model for such reactors to investigate overpotentials and to compare different reactor setups. We determine unknown reaction parameters by estimation and achieve good agreement of the simulation with data from literature in the case of water electrolysis and for most of the data in the case of CO2 reduction. We show that the typically collected experimental data is not sufficient to fully identify the parameters. The modular models allow the analysis and detailed comparison of the overpotentials. We investigate the benefits of demand side management for the energy-intensive chlor-alkali electrolysis. We show and analyze the economic benefit of flexible operation realized with a new type of switchable electrode. Furthermore, additional strategies for flexibility provision are then compared by considering six more process options.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020637706
Interne Identnummern
RWTH-2020-09276
Datensatz-ID: 802169
Beteiligte Länder
Germany
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