Ανάπτυξη και εφαρμογή λεπτομερών εργαλείων χημείας για την αξιολόγηση της απόδοσης και των εκπομπών οικιακών συστημάτων κυψελών καυσίμου στερεών οξειδίων

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή υπολογιστικών εργαλείων λεπτομερούς χημείας για την προσομοίωση και ανάλυση της ενεργειακής απόδοσης και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σύγχρονων συστημάτων κυψελών καυσίμου στερεών οξειδίων (SOFC). Κίνητρο για την έρευνα αποτελούν οι αυξανόμενες ανησυχίες σχετικά με την παγκόσμια κλιματική αλλαγή και τη ρύπανση του περιβάλλοντος, σε συνδυασμό με την προφανή ανάγκη για πιο αποτελεσματική παραγωγή ενέργειας, η οποία επιτυγχάνεται τόσο μέσω της χρήσης των νέων καυσίμων όσο και πιο αποδοτικών συστημάτων μετατροπής ενέργειας Η αποτελεσματική και φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία των συστημάτων παραγωγής ενέργειας απαιτεί τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας μετατροπής καυσίμου κάτω από ένα ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τις δυνητικά επιβλαβείς εκπομπές. Η ακριβής ποσοτικοποίηση της απόδοσης του συστήματος και ο προσδιορισμός των εκπεμπόμενων ρύπων απαιτεί μια ολοκληρωμένη περιγραφή της χημείας υψηλών θερμοκρασιών των υδρογονανθράκων αέριας φάσης που μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσα από μια λεπτομερή προσέγγιση χημικής κινητικής. Στην παρούσα εργασία, αρχικά αναπτύσσεται ένα λεπτομερές μοντέλο χημικής κινητικής για την οξείδωση και την καύση συμβατικών και εναλλακτικών C1-C6 καύσιμων, το οποίο είναι επίσης ικανό να περιγράφει την χημεία των ρυπαντών αέριας φάσης (άκαυστοι υδρογονάνθρακες – UHCs, πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες – PAH, οξείδια του αζώτου και θείου – NOx, SOx, πτητικές οργανικές ενώσεις – VOCs), λαμβάνοντας υπόψη τις πρόσφατες θεωρητικές και πειραματικές έρευνες σε επίπεδο στοιχειωδών χημικών αντιδράσεων και τις σχετιζόμενες θερμοδυναμικές τους ιδιότητες. Στην συνέχεια διαμορφώνονται δίκτυα ιδανικών αντιδραστήρων για την μοντελοποίηση και ανάλυση πρακτικών θερμο-χημικών συστημάτων, όπως αντιδραστήρες μερικής θερμικής οξείδωσης (TPOX) και αεριοποιητές σταθεροποιημένης ψυχρής φλόγας (SCFV), για χρήση σε συστήματα κυψέλων καυσίμου υψηλών θερμοκρασιών. Η ανάπτυξη των δικτύων βασίζεται σε κατάλληλες πληροφορίες από την εφαρμογή εργαλείων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Η αναπτυσσόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται και για την θερμο-χημική μοντελοποίηση ενός ολοκληρωμένου συστήματος SOFC, ενώ τα υπολογιστικά αποτελέσματα χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των στοιχειωδών χημικών πτυχών που σχετίζονται με την μερική οξείδωση του καυσίμου και τις διεργασίες αύξησης μοριακού βάρους και σχηματισμού ρυπαντών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία αποτελεί ισχυρό εργαλείο σχεδιασμού και παραμετροποίησης (π.χ. αξιολόγηση της χρήσης αεριοποιητή ψυχρής φλόγας έναντι ενός τυπικού θερμικού αεριοποιητή) τόσο σε επίπεδο συνιστώσας όσο και συστήματος.

The scope of the present thesis is to develop and implement detailed thermo-chemical tools, suitable for the accurate and thorough performance and emission assessment of high temperature thermo-chemical systems of fuel conversion for power production based on Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Research is motivated by the growing concerns about energy security and environmental pollution in tandem with the apparent need for more efficient energy production. The latter is achieved both through the use of novel fuels and more efficient engines. Efficient and clean operation of energy production systems requires optimization of the fuel conversion process under a wide range of operating conditions while minimizing potentially harmful emissions. An accurate quantification of system efficiency and performance and pollutant emissions requires a comprehensive description of intermediate and high temperature gas-phase hydrocarbon chemistry that can only be performed through a detailed kinetics approach. First, a detailed kinetic model for conventional and alternative C1-C6 fuels, also capable to deal with the gas phase chemistry of combustion pollutants (UHCs, NOx, VOCs), is developed and optimized in a systematic manner, taking into account recent theoretical and experimental investigations of elementary reaction kinetics and thermodynamics. In particular, detailed kinetic schemes for the combustion of ethanol, allene and propyne, and benzene have been developed and extensively validated against laminar flame speeds, ignition time delays and species data from laminar premixed flames, turbulent flow reactors and stirred reactors. A PAH sub-model from the literature has also been incorporated in the mechanism. The resulting model comprises of 1014 reactions among 163 species. The mechanism is then utilized for the thermo-chemical assessment of SOFC components and systems in the framework of a reactor network approach. Equivalent reactor networks for SOFC components, namely a prototype thermal partial oxidation (TPOX) reactor and a stabilized cool flame vapourizer (SCFV) reactor, have been formulated through use of suitable CFD information. Extensive numerical assessment of the TPOX reforming potential of common fuels, namely methane, methanol, ethanol and bio-gas, has also been performed. The study supports design guidelines aiming towards identification of optimum operating conditions, for specific applications and fuels. The analysis reveals that the extent of coupling between syngas formation and molecular growth processes is strongly dependent on fuel and operating conditions choice and identifies windows of efficient operation, for each case. The developed methodology is then extended at a system level so as to predict the fate of fuel, oxidizer and reformate, and potential pollutants along the system, enabling thus a quick and accurate parametric investigation of system thermo-chemical performance and efficiency. The achieved results can support decisions of the system designer on the geometric and operational parameterization of the SOFC components and system in order to enhance performance and reduce emissions, contributing to sustainability of resources.