Energikonvertering ved Solid Oxide Electrolyser Cells
Energikonvertering ved Solid Oxide Electrolyser Cells Energikonvertering ved Solid Oxide Electrolyser Cells
KAPITEL 4. SOEC-ANLÆG Prisniveauet for trefasede 10 kV transformere på 100-200 kVA er på omkring 200 DKK pr. kVA [Nielsen og Nielsen, 2000]. En 140 kVA transformer koster derfor omkring DKK 28.000. Ensretning Figur 4.13: Trefaset ensretter [Mohan et al., 2003]. På figur 4.13 ses systemet efter transformeren, der ensretter AC til DC. For at ensrette strømmen benyttes dioder, der ideelt set kun kan lede strøm i én retning. Dioder kan analogt anskues som envejsventiler. For høje spændinger, kan dioder tilnærmes at være ideele, da der kun er en lille spænding over virkelige dioder. For lave spændinger har diodens spænding derfor indflydelse. Da der er tre faser, må der benyttes seks dioder, to til hver fase. I den øverste gruppe vil dioden D1 modtage den første fase og lede strømmen, indtil den anden fase når næste diode D2 og tager over. D2 overtager, når spændingen overgår spændingen i D1. D1 lukker da der ideelt set ikke kan løbe en strøm baglæns i en diode. D3 overtager, når den tredje fase kommer. Således vil den ene fase afløse den anden fase efter 1/3 af fasernes periode (120 ◦ ), når den ene fase overstiger den anden. Dioderne i den nedre gruppe vil også afløse hinanden med 120 ◦ fasedrej, forskudt 1/6 af fasen, pga. at strømmen vil forsøge på at løbe modsat grundet AC-påvirkningen. På højre side af ensretteren er der placeret en kondensator, der udjævner de ujævnheder i jævnspændingen. Jo større kapacitor, jo mindre ujævnheder. Værdien af jævnspændingen fås ved Vdc = 1,35·VLL [V ] (4.21) Vdc betegner jævnspændingen, VLL betegner spændingsforskellen mellem højeste og laveste fase, dvs. den målelige Vr ms af AC-signalet. Konstanten 1,35 er lig med 3 π 2, som afhænger af dioderne og AC-signalet. Jævnspændingen bliver altså 1,35 gange større end vekselspændingen, idet der skal være energibevarelse over ensretteren. I praksis er der tab forbundet med at ensrette, da der er tab i de elektriske komponenter. Ensretteren på figur 4.13 er simuleret i LTspice, se figur 4.14. Den trefasede AC spænding er på VAC = 848V (4.22) 56
4.4. ELEKTRISK ENERGIKONVERTERING i forhold til at Strømmen gennem elektrolysestakken er VDC = 500celler· 1,346V / celle = 673V (4.23) I = 2,1A/cm 2 ·100cm 2 = 210A (4.24) Se afsnit 5.4. Elektrolysecellens modstand er fra Ohms lov som følger R = VDC I 673V = = 3,204Ω (4.25) 210A Med en kapacitor på C = 1 F svinger VDC med ca. 11 V. Sættes tre kapacitorer på C = 1 F i parallel, som illustreret på figur 4.14, svinger spændingen ca. 8 V fra 662 V til 670 V, se figur 4.15. Flere kapacitorer kan sættes i parallel, men dette gør ikke effekten mere udtalt. At sætte én større kapacitor ind ville gøre det samme som tre mindre pga. af det er DC. Den ensrettede strøm svinger mellem 209 A til 211,6 A, se figur 4.16. At strøm og spænding svinger ca. 1 % er umiddelbart ikke noget problem [Jakobsen, 2008]. Virkningsgrad for ensretter For at regne virkningsgraden for ensretteren ud, skal effekten ind (Ei n) og effekten ud (Eout ) beregnes. Da det er trefaset AC som input, skal hver fases effekt i samme tidsrum integreres op: Ei n = P1(t)d t + P2(t)d t + P3(t)d t [J] (4.26) Da DC’en er en smule svingende efter ensretteren, integreres denne effekt også op: Eout = PDC (t)d t [J] (4.27) Data fra simulationen eksporteres fra LTspice og bruges som .csv-fil i MATLAB, hvor Simulink udregner integralet af Pi n og Pout , og beregner virkningsgraden ved: η = Eout Ei n = 84% [·] (4.28) 84 % er en tilfredsstillende virkningsgrad for en trefaset ensretter i forhold til kilden [Mathew, 2007], som forudsætter en virkningsgrad på 82 %. Prisen for en trefaset ensretter, som opfylder de givne strømme og spændinger, koster DKK 1.133 [Semikron, 2008]. 57
- Page 5: Forord Denne rapport er udarbejdet
- Page 8 and 9: - forsat fra foregående side Symbo
- Page 10 and 11: INDHOLDSFORTEGNELSE 7 Konklusion 79
- Page 12 and 13: eguleres. Der er derfor lagrings- o
- Page 14 and 15: KAPITEL 1. INDLEDNING kan indgå i
- Page 16 and 17: KAPITEL 1. INDLEDNING mulere flere
- Page 19 and 20: Kapitel 3 SOEC-teknologi Som muligh
- Page 21 and 22: 3.3. ELEKTROLYSE AF KULDIOXID OG VA
- Page 23 and 24: 3.3. ELEKTROLYSE AF KULDIOXID OG VA
- Page 25 and 26: 3.3. ELEKTROLYSE AF KULDIOXID OG VA
- Page 27 and 28: 3.4. ELEKTRISK MODSTAND I CELLEN 3.
- Page 29 and 30: 3.5. TERMODYNAMIK I SOEC Tabel 3.2:
- Page 31 and 32: 3.5. TERMODYNAMIK I SOEC Da energio
- Page 33 and 34: 3.6. VIRKNINGSGRADER kan distrueres
- Page 35 and 36: 3.7. ANVENDELSE AF ELEKTROLYSEPRODU
- Page 37 and 38: 3.7. ANVENDELSE AF ELEKTROLYSEPRODU
- Page 39 and 40: Kapitel 4 SOEC-anlæg I dette afsni
- Page 41 and 42: 4.1. OPBYGNING AF SOEC-ANLÆG Ved (
- Page 43 and 44: 4.2. PRODUKTIONSPRIS FOR BRINT Figu
- Page 45 and 46: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID • D
- Page 47 and 48: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID Dette
- Page 49 and 50: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID hvor
- Page 51 and 52: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID 4.3.1
- Page 53 and 54: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID Af fi
- Page 55: 4.4. ELEKTRISK ENERGIKONVERTERING T
- Page 59 and 60: Kapitel 5 Modellering af SOEC Dette
- Page 61 and 62: 5.3. MODEL FOR ELNETTET 5.3 Model f
- Page 63 and 64: 5.3. MODEL FOR ELNETTET I den førs
- Page 65 and 66: 5.4. MODEL AF SOEC-ANLÆG 5.4.1 Opb
- Page 67 and 68: 5.4. MODEL AF SOEC-ANLÆG Figur 5.8
- Page 69 and 70: 5.4. MODEL AF SOEC-ANLÆG ved en ma
- Page 71 and 72: 5.6. SYSTEMVIRKNINGSGRAD Det ses fr
- Page 73 and 74: Kapitel 6 Økonomisk betragtning Ø
- Page 75 and 76: 6.2. INDTÆGTER fra 15 ◦C til 400
- Page 77 and 78: 6.4. RESULTATDISKUSSION Ud fra form
- Page 79 and 80: Kapitel 7 Konklusion I rapportens i
- Page 81 and 82: Kapitel 8 Perspektivering I 1960’
- Page 83: 8.2. PLACERING Tabel 8.1: Fordele o
- Page 86 and 87: Energistyrelsen 1 [2008]. Elprodukt
- Page 88 and 89: LITTERATUR Steele [2000]. Steele, B
- Page 90 and 91: v_stack = 0.0158 m^3 A.1.3 Densitet
- Page 92 and 93: A. APPENDIKS - BEREGNINGER %Effektt
- Page 94 and 95: A.2 Udregninger af ∆H i EES Figur
- Page 97 and 98: B Appendiks - Supplerende materiale
- Page 99 and 100: B.1. SOFC B.1.2 Cellernes reaktion
- Page 101 and 102: B.2. METANOLBRÆNDSELSCELLER B.2 Me
- Page 103: B.3. HÅNDTERING AF STOFFER B.3 Hå
KAPITEL 4. SOEC-ANLÆG<br />
Prisniveauet for trefasede 10 kV transformere på 100-200 kVA er på omkring 200 DKK pr. kVA [Nielsen<br />
og Nielsen, 2000]. En 140 kVA transformer koster derfor omkring DKK 28.000.<br />
Ensretning<br />
Figur 4.13: Trefaset ensretter [Mohan et al., 2003].<br />
På figur 4.13 ses systemet efter transformeren, der ensretter AC til DC. For at ensrette strømmen<br />
benyttes dioder, der ideelt set kun kan lede strøm i én retning. Dioder kan analogt anskues som envejsventiler.<br />
For høje spændinger, kan dioder tilnærmes at være ideele, da der kun er en lille spænding<br />
over virkelige dioder. For lave spændinger har diodens spænding derfor indflydelse.<br />
Da der er tre faser, må der benyttes seks dioder, to til hver fase. I den øverste gruppe vil dioden D1<br />
modtage den første fase og lede strømmen, indtil den anden fase når næste diode D2 og tager over.<br />
D2 overtager, når spændingen overgår spændingen i D1. D1 lukker da der ideelt set ikke kan løbe en<br />
strøm baglæns i en diode. D3 overtager, når den tredje fase kommer. Således vil den ene fase afløse<br />
den anden fase efter 1/3 af fasernes periode (120 ◦ ), når den ene fase overstiger den anden. Dioderne i<br />
den nedre gruppe vil også afløse hinanden med 120 ◦ fasedrej, forskudt 1/6 af fasen, pga. at strømmen<br />
vil forsøge på at løbe modsat grundet AC-påvirkningen.<br />
På højre side af ensretteren er der placeret en kondensator, der udjævner de ujævnheder i jævnspændingen.<br />
Jo større kapacitor, jo mindre ujævnheder.<br />
Værdien af jævnspændingen fås <strong>ved</strong><br />
Vdc = 1,35·VLL [V ] (4.21)<br />
Vdc betegner jævnspændingen, VLL betegner spændingsforskellen mellem højeste og laveste fase,<br />
dvs. den målelige Vr ms af AC-signalet. Konstanten 1,35 er lig med 3<br />
<br />
π 2, som afhænger af dioderne og<br />
AC-signalet. Jævnspændingen bliver altså 1,35 gange større end vekselspændingen, idet der skal være<br />
energibevarelse over ensretteren.<br />
I praksis er der tab forbundet med at ensrette, da der er tab i de elektriske komponenter. Ensretteren<br />
på figur 4.13 er simuleret i LTspice, se figur 4.14. Den trefasede AC spænding er på<br />
VAC = 848V (4.22)<br />
56
Change language