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

Brée, Luisa Carola; Mitsos, Alexander (Thesis advisor); Wessling, Matthias (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.SVT - Process systems engineering 9 (2020)
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (XVI, 178 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

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.