Μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση λειτουργίας PEM ηλεκτρολυτών μέσω σεναρίων ανάκτησης θερμότητας

Παπάζογλου, Μιχαήλ; Papazoglou, Michail

dc.contributor.author	Παπάζογλου, Μιχαήλ	el
dc.contributor.author	Papazoglou, Michail	en
dc.date.accessioned	2025-05-30T10:22:26Z
dc.date.available	2025-05-30T10:22:26Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61978
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29674
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	ORC	en
dc.subject	Υδρογόνο	el
dc.subject	PEM	en
dc.title	Μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση λειτουργίας PEM ηλεκτρολυτών μέσω σεναρίων ανάκτησης θερμότητας	el
dc.title	Modeling and optimization of PEM electrolyzer operation through heat recovery scenarios	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Παραγωγή υδρογόνου	el
heal.classification	Ανάκτηση θερμότητας	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-02-20
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στο θέμα της ανάκτησης απορριπτόμενης θερμότητας από έναν ηλεκτρολύτη με μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Electrolyser) ισχύος 10 MW, ο οποίος προορίζεται για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου. Στο πλαίσιο αυτό, επιχειρείται η κατάστρωση ενός μαθηματικού μοντέλου για την προσομοίωση της λειτουργίας του ηλεκτρολύτη, στο οποίο η ηλεκτροχημική και θερμοδυναμική ανάλυση του, επιτρέπουν την εκτίμηση της παραγόμενης θερμότητας υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Εν συνεχεία, διερευνάται το σενάριο αξιοποίησης αυτής της θερμότητας μέσω ενός Οργανικού Κύκλου Rankine (Organic Rankine Cycle), με στόχο τη βελτίωση της συνολικής ενεργειακής απόδοσης του συστήματος. Ένα από τα κύρια σημεία της ανάλυσης αποτελεί ο σχεδιασμός της μονάδας ORC εφαρμόζοντας μια θερμοοικονομική βελτιστοποίηση του, κατά την οποία λαμβάνεται υπόψιν η στοχαστική φύση της τροφοδοσίας του ηλεκτρολύτη από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Ο στόχος της βελτιστοποίησης είναι ο καθορισμός των λειτουργικών και σχεδιαστικών χαρακτηριστικών του ORC που θα αποδώσουν το ελάχιστο Ειδικό Κόστος Επένδυσης (Specific Investment Cost), υπολογισμένο για την ετήσια μέση παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, το πρόβλημα κατακερματίζεται σε δύο διαφορετικά επίπεδα βελτιστοποίησης, με το ανώτερο να επικεντρώνεται στον καθορισμό των σχεδιαστικών συνιστωσών του ονομαστικού φορτίου λειτουργίας, και το κατώτερο να αφορά τον έλεγχο της λειτουργίας υπό μερική φόρτιση. Στο κεφάλαιο των αποτελεσμάτων λαμβάνει χώρα μια παραμετρική ανάλυση για τα μαθηματικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν και τα οποία περιγράφουν τη λειτουργία του ηλεκτρολύτη και τη θερμοοικονομική συμπεριφορά του ORC, εξάγοντας χρήσιμα συμπεράσματα για την επίδραση των διαφορών λειτουργικών και σχεδιαστικών συνιστωσών. Τέλος, εξετάζονται έξι σενάρια τροφοδότησης του συστήματος με ηλεκτρική ενέργεια παραγόμενη από φωτοβολταϊκά και ανεμογεννήτριες, για διάφορους λόγους εγκαταστημένης ισχύος ΑΠΕ – ηλεκτρολύτη (1:1, 2:1, 5:1) και για κάθε ένα από αυτά εφαρμόζεται η βελτιστοποίηση του ORC, μελετώντας επίσης την επίδραση της χρήσης διαφορετικών εργαζόμενων μέσων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ενσωμάτωση του ORC μπορεί να βελτιώσει την ενεργειακή αξιοποίηση του απορριπτόμενου θερμικού φορτίου του ηλεκτρολύτη, μειώνοντας ταυτόχρονα το συνολικό κόστος ανά μονάδα παραγόμενου υδρογόνου. Επιπλέον, η βελτιστοποίηση ανέδειξε τις συνθήκες λειτουργίας στις οποίες το ORC παραμένει αποδοτικό παρά τις διακυμάνσεις στην παρεχόμενη θερμότητα, γεγονός που καθιστά τη μεθοδολογία εφαρμόσιμη σε πραγματικά συστήματα παραγωγής υδρογόνου. Η παρούσα εργασία συμβάλλει στην κατανόηση της θερμικής συμπεριφοράς των PEM ηλεκτρολυτών και των δυνατοτήτων ανάκτησης θερμότητας σε εφαρμογές ηλεκτρολυτικής παραγωγής υδρογόνου, παρέχοντας χρήσιμα δεδομένα για τη βελτιστοποίηση μελλοντικών υβριδικών ενεργειακών συστημάτων.	el
heal.abstract	This thesis investigates the recovery of waste heat from a 10 MW Proton Exchange Membrane Electrolyser (PEMEL) designed for green hydrogen production. To this end, a mathematical model is developed to simulate the electrolyzer’s operation, incorporating electrochemical and thermodynamic analyses to estimate heat generation under various operating conditions. The study then explores the potential utilization of this heat through an Organic Rankine Cycle (ORC) to enhance the system's overall energy efficiency. A key aspect of the analysis is the design of the ORC unit through thermo-economic optimization, considering the stochastic nature of the Renewable Energy Sources (RES) supplying the electrolyser. The objective is to determine the optimal operational and design parameters of the ORC that minimize the Specific Investment Cost (SIC), calculated based on the annual average power generation. To achieve this, the optimization is structured into two levels: the upper level focuses on defining the design parameters for nominal operation, while the lower level manages part-load operation. The results section includes a parametric analysis of the developed mathematical models, examining both the electrolyzer’s operation and the thermo-economic behavior of the ORC. This analysis provides valuable insights into the impact of different operational and design parameters. Additionally, six scenarios are considered, where the system is powered by photovoltaic (PV) and wind energy at different RES-to-electrolyzer power ratios (1:1, 2:1, 5:1). For each scenario, the ORC optimization is performed, evaluating the impact of different working fluids. The findings demonstrate that integrating an ORC enhances the utilization of waste heat from the electrolyzer, reducing the overall cost per unit of hydrogen produced. Furthermore, the optimization identifies the conditions under which the ORC remains efficient despite fluctuations in heat supply, highlighting the practical applicability of this approach in real-world hydrogen production systems. This study contributes to a deeper understanding of the thermal behavior of PEM electrolysers and the potential for heat recovery in electrolytic hydrogen production, offering valuable insights for optimizing future hybrid energy systems.	en
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Κακαράς, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Χουντάλας, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	139 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false