Submitted by Fellipe Sartori da Silva null (fellipe_sartori@yahoo.com) on 2018-03-20T14:29:37Z No. of bitstreams: 1 Determinação do custo de energia gerada através da utilização de células a combustível de carbonato fundido e turbina a vapor em um ciclo combinado.pdf: 3065864 bytes, checksum: 1b28d8ca48a059ab95292517f0d2d616 (MD5) / Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2018-03-21T13:25:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_fs_me_guara.pdf: 3065864 bytes, checksum: 1b28d8ca48a059ab95292517f0d2d616 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-21T13:25:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silva_fs_me_guara.pdf: 3065864 bytes, checksum: 1b28d8ca48a059ab95292517f0d2d616 (MD5) Previous issue date: 2018-02-07 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Os modelos energéticos atuais são baseados majoritariamente na utilização de combustíveis fósseis, os quais, além de serem fontes finitas, ainda geram gases poluentes que contribuem para o efeito estufa e, consequentemente, para o aquecimento global. As células a combustível, por possuírem alta eficiência de conversão, baixa emissão, simplicidade de operação e flexibilidade em sua utilização, vêm sendo estudadas como opção mais limpa de geração. A célula a combustível de carbonato fundido, em particular, além de ter vantagens estruturais por operar a alta temperatura, possui calor residual que pode ser aproveitado para cogeração. O presente trabalho propõe uma configuração de ciclo combinado de uma célula a combustível de carbonato fundido de 10 MW, que possui reforma interna de gás natural, com um ciclo a vapor que aproveita o calor residual da célula. A reforma a vapor do gás natural, simulada pelo software STANJAN Chemical Equilibrium Solver, apresentou valores satisfatórios de produção de H2 na temperatura de operação da célula. As análises energética e exergética, simuladas através do software Engineering Equation Solver (EES), apontaram aumentos nas respectivas eficiências globais de 4,8 e 4,6%, respectivamente. A análise exergoeconômica indicou custo de geração de 0,4679 USD/kWh, valor acima das tarifas nacionais. Entretanto, a análise de sensibilidade mostrou que plantas de grande porte com essa configuração podem ser economicamente competitivas em diferentes cenários. / Current researches point to a significant increase in energy demand over the next few years. Energy models are mostly based on fossil fuels, which generates greenhouse gases that contribute to global warming. Thus, it becomes necessary to develop equipment and cycles that operate with greater efficiency, as well as new technologies of energy generation with both fossil and renewable sources. Fuel cells are being widely investigated due to their high conversion efficiency, low emissions, structural simplicity and flexibility. Among several fuel cell types, molten carbonate fuel cell has advantages such as fuel flexibility and high operating temperature, which leads to high thermal energy residue. This residue can be used for cogeneration and combined cycles, in order to enhance the global efficiency. This study aimed to introduce a 10 MW internal reforming molten carbonate fuel cell and steam turbine combined cycle. Steam reforming of natural gas was simulated by STANJAN Chemical Equilibrium Solver and presented satisfactory H2 production at MCFC operating temperature. Simulation in Engineering Equation Solver (EES) of energetic and exergetic analysis showed efficiency increases of 4,8 and 4,6%, respectively. Exergoeconomic analysis pointed to a 0,4679 USD/kWh power cost. However, sensitivity analysis showed that higher plants can achieve economic viability in different scenarios

Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Reaktor und wandelt chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie um. In der stationären Energieerzeugung ist der Brennstoffzellenstapel selbst nur ein kleiner Bestandteil des vollständigen Systems. Die Integration aller zusätzlichen Bestandteile, der Peripheriegeräte (Balance-of-Plant) (BoP), ist eine der Hauptaufgaben in der Studie der Brennstoffzellenkraftwerke. Diese Untersuchung betrifft die Systemstudie des auf der Schmelz-Karbonat-Brennstoffzelle (MCFC) basierten Kraftwerks. Die Systemstudie ist mit dem Simulationprogramm Aspen PlusTM durchgeführt worden. Artikel I beschreibt die Implementierung eines in Aspen PlusTM entwickelten MCFC Stapelmodells, um ein MCFC Kraftwerk zu studieren, das Erdgas als Brennstoff verwendet. Artikel II beschreibt, wie unterschiedliche Prozeßparameter, wie Brenngasnutzung und dieWahl des Brennstoffes, die Leistung eines MCFC Kraftwerks / A fuel cell is an electrochemical reactor, directly converting chemically bound energy to electrical energy. In stationary power production the fuel cell stack itself is only a small component of the whole system. The integration of all the auxiliary components, the Balance-of-Plant (BoP), is one of the main issues in the study of fuel cell power plants. This thesis concerns the systems studies of molten carbonate fuel cell (MCFC) based power plants. The system studies has been performed with the simulation software Aspen PlusTM. Paper I describes on the implementation of a developed MCFC stack model into Aspen PlusTM in order to study an MCFC power plant fueled with natural gas. Paper II describes how different process parameters, such as fuel cell fuel utilization, influence the performance of an MCFC power plant. / Bränslecellen är en elektrokemisk reaktor som kan direkt omvandla kemiskt bunden energi till elektrisk energi. I stationär kraftproduktion är själva bränslecellsstapeln endast en mindre komponent i systemet. Integrationen av kringutrustningen, den s.k. Balance-of-Plant (BoP), som tex. pumpar, kompressorer och värmeväxlare är en av huvudfrågeställningarna i studierna av bränslecellskraftverk. Denna avhandling avser systemstudier av mältkarbonatbränslecellsbaserade (MCFC) kraftverk. Systemstudierna har utförts med processimuleringprogramet Aspen PlusTM. Artikel I beskriver en utvecklad MCFC-cellmodell, som implementeras som "user model" i Aspen Plus, för att studera ett naturgasbaserat bränslecellskraftverk. Artikel II beskriver hur olika processparametrar, som tex bränsleutnyttjande och val av bränsle, påverkar ett MCFC-kraftverks prestanda. / QC 20101129

A goal of the Swedish government is to increase the usage of renewable fuels and biomass-based fuels. Fuel cells, and especially the MCFC, are useful for these types of fuels. The Swedish market may benefit from the MCFC in two ways: increased efficiency of the biofuels and also utilisation of produced heat in district heating. Most of the commercial MCFC systems today are optimised for use with methane. The possibility to utilise biomass in Sweden makes it important to study how the MCFC may be adapted or optimised for good performance and low degradation with gas produced from biomass or other renewable fuels. This thesis is focused on methods that may be used to investigate and evaluate MCFC electrodes and electrolytes with renewable fuels i.e. CO2-containing gases. The methods and results are both experimental and mathematically modelled. The objectives of this thesis are to better understand how the performance of the anode is dependent on different fuels. Anode kinetics and the water-gas shift reaction have been investigated as well as the possibility to increase cell lifetime by increasing the initial electrolyte amount by having the anode as a reservoir. The effect of segregation of cations in the electrolyte during operation has also been studied. It was found that if the gas composition at the current collector inlet is in equilibrium according to the water gas-shift reaction the gas composition inside the electrode is almost uniform. However, if the gas is not in equilibrium then the concentration gradients inside the current collector have a large effect on the gas composition inside the electrode. The conversion of the gas in the gas flow channels according to the water-gas shift reaction depends on the gas flow rate. For an anode used in a gas mixture of humidified hydrogen and carbon dioxide that are not in equilibrium some solubility of Ni in a (Li/Na)2CO3 mixture was found. To have the anode act as an electrolyte reservoir to prolong cell lifetime the anode pore size should be carefully matched with that of the cathode and a bimodal pore-size distribution for the anode is preferable to have as good performance as possible for as large electrolyte filling degree interval as possible. Modelling results of segregation of cations in the electrolyte during operation indicate that the electrolyte composition changes during operation and that the lithium ions are enriched at the anode for both types of electrolyte used for the MCFC. The electrolyte composition changes are small but might have to be considered in long-time operation. The results from this thesis may be used to better understand how the MCFC may be used for operation with renewable fuels and how electrodes may be designed to prolong cell lifetime. / Ett av den svenska regeringens mål är att öka användandet av förnyelsebara bränslen och bränslen från biomassa. Bränsleceller och framförallt MCFC är användbara för dessa typer av bränslen. Den svenska marknaden kan dra fördelar av MCFC på två sätt; ökad bränsleutnyttjandegrad och utnyttjande av producerad värme för fjärrvärme. De flesta kommersiella MCFC-systemen idag är optimerade för användning av metan. Möjligheten att använda biomassa på den svenska marknaden gör det viktigt att studera hur MCFC kan anpassas eller optimeras för bra prestanda och låg degradering för användning med gas från biomassa eller andra förnyelsebara bränslen. Fokus i denna avhandling är på metoder som kan användas för att undersöka och utvärdera MCFC-elektroder och -elektrolyter med förnyelsebara bränslen, dvs. gaser innehållande CO2. Metoderna och resultaten är både experimentella och matematiskt modellerade. Målet med denna avhandling är att bättre förstå hur anodens prestanda beror på användningen av olika bränslen. Anodens kinetik och vattengasskiftreaktionen har studerats liksom möjligheten att förlänga cellens livstid genom att öka den initiala mängden elektrolyt medelst användning av anoden som reservoar. Effekten av segregation av katjoner i elektrolyten under last har också undersökts. Om gassammansättningen är i jämvikt enligt vattengasskiftreaktionen vid inloppet till strömtilledaren kommer gassammansättningen att vara nära uniform inuti elektroden. Om ingående gas inte är i jämvikt kommer stora koncentrationsgradienter uppkomma i strömtilledaren och påverka gassammansättningen i elektroden. Omsättningen med avseende på vattenskiftreaktionen av gasen i flödeskanalen verkar vara beroende av gasens flödeshastighet. För en anod som används i en uppfuktad blandning av vätgas och koldioxid som inte är i jämvikt befanns det att Ni har en viss löslighet i (Li/Na)2CO3. För att kunna använda anoden som reservoar för elektrolyt för att förlänga livstiden för MCFC skall anodens porstorleksfördelning överensstämma med katodens och ha en bimodal porstorleksfördelning för att ge en tillräckligt god prestanda i ett så stort elektrolytfyllnadsgradsintervall som möjligt. Modelleringsresultat för segregering av katjoner i elektrolyten under drift visar att litiumjoner anrikas i anoden för båda typerna av elektrolyt som används i MCFC. Elektrolytkoncentrationsförändringarna är små men kan behövas tas i beaktande vid långa driftstider. Denna avhandlings resultat kan användas för att bättre förstå hur MCFC skall anpassas för drift med förnyelsebara bränslen och hur elektroder kan utformas för att förlänga livstiden. / QC 20100630

Hydrogen has the potential to become an important energy carrier in the future with many areas of applications, as a clean fuel for transportation, heating, power generation in places where electricity use is not fit, etc. Already today hydrogen plays a key role in numerous industries such as petroleum refineries and chemical industries. There are different production methods for hydrogen. Today, natural gas reforming is the most commonly used. With the growing importance of green production paths, hydrogen production by electrolysis is expected to grow. Two main electrolyzer technologies are used today; alkaline and polymer electrolyte membrane electrolyzer. High-temperature electrolyzers are also interesting techniques, where solid oxide is under development and molten carbonate electrolyzers is researched. In this thesis, a comparative life cycle analysis was performed on the alkaline and molten carbonate electrolyzer. Due to inaccurate inventory data for the molten carbonate electrolyzer, those results are excluded from the published thesis. The environmental performance of the alkaline electrolyzer technology was compared to that of the solid oxide and the polymer electrolyte membrane electrolyzers. The system boundaries were set as cradle to gate. Thereby, the life cycle steps included in the study are raw material extraction, electrolyzer manufacturing, hydrogen production, and transports in between these steps. The functional unit was chosen as 100 kg produced hydrogen gas. The results show that the polymer electrolyte membrane electrolyzer has the lowest environmental impact out of the compared technologies. It is also determined that the lifetime and the current density of the electrolyzers have significant impact on their environmental performance. Moreover, it is established that electricity for hydrogen production has the highest environmental impact out of the electrolyzers life cycle steps. Therefore, it is important to make sure that the electricity used for hydrogen production derives from renewable sources. / Vätgas har potential att spela en viktig roll som energibärare i framtiden med många användningsområden, såsom ett rent bränsle för transporter, uppvärmning, kraftförsörjning där elproduktion inte är lämpligt, med mera. Redan idag är vätgas ett viktigt inslag i flera industrier, där ibland raffinaderier och kemiska industrier. Det finns flera metoder för att producera vätgas, där reformering av naturgas är den största produktionsmetoden idag. I framtiden spås vätgasproduktion med elektrolys bli allt viktigare, då hållbara produktionsprocesser prioriteras allt mer. Idag används främst två elektrolysörtekniker, alkalisk och polymerelektrolyt. Utöver dessa är högtemperaturelektrolysörer också intressanta tekniker, där fastoxidelektrolysören är under utveckling och smältkarbonatelektrolysören är på forskningsstadium. I det här examensarbetet har en jämförande livscykelanalys utförts på alkalisk- och smältkarbonatelektrolysören. På grund av felaktiga indata för smältkarbonatelektrolysören har dessa resultat uteslutits från den publika rapporten. Miljöpåverkan från den alkaliska elektrolysören har sedan jämförts med miljöpåverkan från fastoxid- och polymerelektrolytelektrolysörerna. Systemgränserna sattes till vagga till grind. De livscykelsteg som inkluderats i studien är därmed råmaterialutvinning, elektrolysörtillverkning, vätgasproduktion och transporter mellan dessa steg. Den funktionella enheten valdes till 100 kg producerad vätgas.  Resultaten visar att polymerelektrolytteknologin har den lägsta miljöpåverkan utav de tekniker som jämförts. Resultaten påvisar också att livstiden och strömtätheten för de olika teknikerna har signifikant påverkan på teknikernas miljöpåverkan. Dessutom fastslås att elektriciteten för vätgasproduktion har högst miljöpåverkan utav de studerade livscykelstegen. Därför är det viktigt att elektriciteten som används för vätgasproduktionen kommer ifrån förnybara källor.