Υπολογιστική προσομοίωση αναμόρφωσης υγρών και αέριων καυσίμων για χρήση σε κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την βελτιστοποίηση της διαδικασίας αναμόρφωσης αέριων συμβατικών και εναλλακτικών καυσίμων για την παραγωγή υδρογόνου προς χρήση του σε κυψέλες καυσίμου στερεών οξειδίων SOFC σε ολοκληρωμένα συστήματα παραγωγής ενέργειας. Η εργασία είναι διαρθρωμένη σε πέντε κεφάλαια. Το πρώτο εξ’ αυτών παρουσιάζει το ενεργειακό πρόβλημα, το οποίο λόγω των διαρκώς αυξανόμενων απαιτήσεων για ενέργεια, παράλληλα με την περιορισμένη παραγωγή ορυκτών καυσίμων γίνεται όλο και εντονότερο. Παρουσιάζονται οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας και μέθοδοι με τις οποίες μπορούν να αντικατασταθούν τα συμβατικά καύσιμα, τα οποία συμβάλουν στην μόλυνση του περιβάλλοντος και ταυτόχρονα εξαντλούνται. Το υδρογόνο είναι ένα από τα πιο αποδοτικά και αποτελεσματικά εναλλακτικά καύσιμα για θέρμανση, κίνηση και παραγωγή ηλεκτρισμού. Η αποτελεσματικότητα της χρήσης του υδρογόνου, εξαρτάται από τις τεχνολογίες εκμετάλλευσης του. Μια από αυτές είναι η τεχνολογία των κυψελών καυσίμων, οι οποίες χρησιμοποιούν το υδρογόνο για παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας παράγοντας ως ΄’ρύπο΄΄ το νερό. Ακολουθεί περιγραφή όλων των τύπων των κυψελών καυσίμου και σύγκριση τους για την καταλληλότητα τους για χρήση σε υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται λεπτομερής περιγραφή της τεχνολογίας και λειτουργίας των κυψελών SOFC. Οι SOFC κυψέλες είναι μια ιδιαίτερα ελκυστική και φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας τους ευνοεί την χρήση τους σε υβριδικά συστήματα συμπαραγωγής. Επιπλέον γίνεται περιγραφή ενός ολοκληρωμένου και λειτουργικού συστήματος ενέργειας που χρησιμοποιεί συστοιχία SOFC κυψελών καυσίμου. Τα κύρια μέρη του είναι το σύστημα επεξεργασίας καυσίμου, η συστοιχία κυψελών και το σύστημα επεξεργασίας της παραγόμενης ενέργειας. Οι βασικές τεχνολογίες αναμόρφωσης που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανική κλίμακα και περιγράφονται αναλυτικά στο τρίτο κεφάλαιο είναι η αναμόρφωση με ατμό (steam reforming) και η μερική οξείδωση (partial oxidation). Επιπλέον ο συνδυασμός αυτών των δύο μπορεί να θεωρηθεί ως μία ακόμη βασική τεχνολογία, εξίσου σημαντική, που ονομάζεται αυτόθερμη αναμόρφωση (autothermal reforming). Στο τέταρτο κεφάλαιο μοντελοποιείται θερμοχημικά ένα πρότυπο σύστημα κυψέλης καυσίμου SOFC, χρησιμοποιώντας ως καύσιμο αναμορφωμένη αιθανόλη και φυσικό αέριο. Η μοντελοποίηση του αναμορφωτή καυσίμου γίνεται με έναν PFR (plug flow reactor) αντιδραστήρα, ο οποίος μεν είναι απλός στην δομή και την κατασκευή του, και με χρήση λεπτομερούς χημείας. Οι υπολογισμοί που πραγματοποιούνται γίνονται με την χρήση του εμπορικού υπολογιστικού πακέτου χημικής κινητικής CHEMKIN 4.1 (CHEMKIN 4.1 Users Manual) με την βοήθεια ειδικών χημικών μηχανισμών (ΝTUAMECH 1.0, GRI 3.0. Τέλος, η υπολογιστική διερεύνηση του τρόπου σύγκρισης της αιθανόλης και του μεθανίου ως προς την αποδοτικότητα και καταλληλότητα τους για χρήση τους σε συστήματα παραγωγής ενέργειας με συστοιχία κυψελών SOFC γίνεται στο πέμπτο κεφάλαιο. Δημιουργήθηκε μια πρώτη βάση δεδομένων που να καλύπτει ένα τυπικό εύρος λειτουργίας των κυψελών SOFC, για να μπορεί να γίνει σύγκριση των αποτελεσμάτων που θα προκύπτουν από τα δύο καύσιμα.

The present dissertation deals with the optimisation of process of reforming gaseous, conventional and alternative, fuels for the production of hydrogen for the use in solid oxide fuel cells - SOFC in completed systems of production energy. The dissertation is structured in five chapters. The first of these presents the energy problem, which becomes more intense because of the permanently increasing requirements for energy, in step with the limited production of mining conventional. Furthermore, in this chapter are presented the alternative sources of energy and methods that can replace the conventional fuels, which contribute in the pollution of environment and simultaneously their reserves are decreased. The hydrogen is one of the most efficient and effective alternative fuel for heating, movement and production of electricity. The effectiveness of the use of hydrogen depends on its technologies exploitation. One of them is the technology of fuel cells, which uses hydrogen for production of electricity and heat realising water as pollutant. It follows description of all types of fuel cells and their comparison for their appropriateness for use in hybrid systems of production energy. In the second chapter follows a detail description of the technology and operation of SOFC. The SOFC are a particularly attractive and friendly to the environment technology of producing electric energy and their high operation temperature encourage their use in hybrid systems of co-production. Additionally is included the description of a completed functional system of energy that uses a stack of SOFC. Its main parts are the system of fuel reforming, the stack of SOFC and the system of elaboration of the produced energy. The basic technologies of reforming that are used in industrial scale and are described analytically in the third chapter are the steam reforming (SR) and the partial oxidation (POX). Moreover the combination of these two can be considered as one still basic technology, equally important, that is named autothermal reforming (ATR). In the fourth chapter is described a thermochemical simulation of the SOFC stack, using as fuel reformed ethanol and natural gas. The modelling of the fuel reformer is achieved with a PFR (plug flow reactor) reactor using detailed chemistry. The calculations are completed with the use of the commercial calculating program of chemical kinetics CHEMKIN 4.1 (CHEMKIN 4.1 Users Manual) with the help of special chemical mechanisms (NTUAMECH 1.0, GRI 3.0). It is also included a comparison between the experimental and the calculating results and a conduct of conclusions and comments on the correct operation of chemical mechanisms. Finally, the calculating investigation of the way of comparison of ethanol and methane as for their efficiency and appropriateness for their use in systems of production energy with SOFC stack is carried out in the fifth chapter. It was created a data base that covers a formal range of operating temperatures of a SOFC stack, in order to compare the results of ethanol and methane