Jakub Kupecki

Analysis of micro-combined heat and power unit with solid oxide fuel cells

Abstract:

W rozprawie dokonano analizy mikro-elektrociepłowni z ogniwami paliwowymi z elektrolitem w postaci tlenków stałych (ang. SOFC – solid oxide fuel cell).

Celem badań zawartych w rozprawie doktorskiej było przeprowadzenie analizy numerycznej układu zasilanego eterem dwumetylowym. Prace realizowano dwutorowo; z wykorzystaniem platformy symulacyjnej – modelu numerycznego kompletnego układu energetycznego, oraz w zakresie badań eksperymentalnych. Podstawowym celem prac eksperymentalnych było dostarczenie danych do walidacji modeli matematycznych wybranych komponentów badanego układu energetycznego.

      W platformie symulacyjnej, która została zaimplementowana w środowisku Aspen HYSYS, zawarto modele matematyczne głównych komponentów układu, w tym nowatorski model stosu ogniw SOFC o znamionowej mocy 1,3 kW_el oraz dedykowany model kompaktowego wymiennika ciepła z płytami ożebrowanymi. Pozostałe elementy instalacji energetycznej to mikro dmuchawa powietrza, wysokotemperaturowa dmuchawa recyrkulacyjna, dopalacz zubożonego paliwa, parowy reformer paliwa, zasobnik ciepłej wody, układ regulacyjno-kontrolny, system rurociągów rozprowadzających gazy oraz elementy izolacji.

      Przeprowadzono analizę pracy instalacji mikro-CHP w nominalnym punkcie pracy oraz poza nim. Zmieniano wartości obciążenia prądowego, oraz wartość współczynników wykorzystania paliwa i utleniacza. Wyznaczono sprawność elektryczną i ogólną układu dla każdego z badanych stanów pracy. Dokonano analizy wrażliwości sprawności elektrycznej układu na zmianę parametrów ogniw SOFC – może być to szczególnie istotne w przypadku konieczności wymiany stosu ogniw SOFC w układzie mikro-CHP, po znaczącym pogorszeniu parametrów eksploatacyjnych wskutek degradacji. Komponenty układu mikro-CHP zostały zamodelowane w oparciu o specyfikację istniejących na rynku maszyn i urządzeń, mogących mieć zastosowanie w rzeczywistej jednostce energetycznej.

      Uzyskane wyniki, zarówno na poziomie pojedynczych modeli komponentów, jak i kompletnego układu energetycznego są w zgodzie z dostępnymi w literaturze danymi, w ujęciu ilościowym i jakościowy. Dla stosu ogniw SOFC, modelu kompaktowego wymiennika ciepła oraz procesu wydzielania węgla uzyskano zgodność z danymi eksperymentalnymi.

Wyniki obliczeń symulacyjnych układu mikro-CHP z ogniwami SOFC stanowiły podstawę opracowania koncepcji i założeń konstrukcyjnych pierwszej instalacji tego typu, obecnie konstruowanej w Instytucie Energetyki.

Prace zrealizowane podczas przygotowania rozprawy doktorskiej były systematycznie publikowane w uznanych czasopismach (3 posiadające współczynnik IP, 6 z listy MNiSW, 4 inne), w formie monografii, 4 rozdziałów w książkach oraz zaprezentowane zostały podczas 16 konferencji i seminariów naukowych, głównie zagranicznych.