Emre 2012 Msth Sum Gl Cmugerin

7/28/2019 Emre 2012 Msth Sum Gl Cmugerin

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C o m p a r a t i v e s t u d y o f t h e p e r f o r m a n c e o f a C V P P w i t h n a t u r a l

g a s - p o w e r e d I C E a n d F C

C s a r M u g e r i n

M i n e s P a r i s T e c h - E U R E C E M R E

R u e C l a u d e . D a u n e s s e B P 2 0 7 0 6 9 0 4 S o p h i a A n t i p o l i s c e d e x ( F r a n c e )

A b s t r a c t : O n e a p p r o a c h t o m o d e l a f u e l c e l l s y s t e m

i s t h e g r e y m o d e l w i t h c o e c i e n t s c o m i n g f r o m c a l i -

b r a t i o n a n d v a l i d a t i o n s t u d i e s . A n o t h e r a p p r o a c h i s t o

d i r e c t l y m o d e l t h e p h y s i c a l p r o c e s s e s . B e s i d e t h e l i t e r a -

t u r e r e v i e w a n d a n a l y s i s o n C H P s i m u l a t i o n , a m o d e l

o f a p o l y b e n z i m i d a z o l e h i g h - t e m p e r a t u r e P E M F C h a s

b e e n i m p l e m e n t e d u n d e r t h e S c i l a b / X c o s e n v i r o n m e n t

c o m b i n i n g g r e y m o d e l s a n d p h y s i c a l m o d e l i n g t o

s t u d y t h e f e a s a b i l i t y o f s u c h a p r o j e t .

K e y w o r d s : m i c r o - C H P ; H T - P E M F C ; s t e a m r e -

f o r m e r ; w a t e r - g a s - s h i f t

1 I n t r o d u c t i o n

T h e C H P a v a i l a b l e t o d a y o n t h e m a r k e t w h e t h e r

b a s e d o n F C , I C E , o r S E h a v e f a r l e s s , f u e l c o n v e r -

s i o n r a t i o t h a n t h e o r e t i c a l l y e x p e c t e d [ 1 ] . G i v e n t h a t

t h e t r u e e l e c t r i c a l e c i e n c i e s o f t h e s e s y s t e m s a r e r e l -

a t i v e l y l o w c o m p a r e d t o c o m b i n e d - c y c l e c e n t r a l p o w e r

p l a n t s , i t i s i m p e r a t i v e t h a t t h e t h e r m a l p o r t i o n o f t h e

c o g e n e r a t i o n d e v i c e ' s o u t p u t b e w e l l u t i l i z e d . O t h e r -

w i s e r e s i d e n t i a l c o g e n e r a t i o n t e c h n o l o g i e s c a n n o t c h a l -

l e n g e t h e b e s t a v a i l a b l e c e n t r a l g e n e r a t i o n t e c h n o l o g i e s .

T h e p o t e n t i a l d e s i g n a n d o p e r a t i o n a l c o m b i n a t i o n s

o f a c o g e n e r a t i o n s y s t e m i s v i r t u a l l y l i m i t l e s s . T h e d e -

v e l o p m e n t o f t h e a c e C H P s y s t e m b a s e d o n t h e l o a d

p r o l e o n l y i s n o t s t r a i g h t f o r w a r d . I n d e e d , t h e a n a l -

y s i s o f t h e r m a l e n e r g y u t i l i z a t i o n i n b u i l d i n g s i s c o m -

p l i c a t e d b y s t r o n g c o u p l i n g b e t w e e n t h e c o g e n e r a t i o n

u n i t , o t h e r h e a t i n g , v e n t i l a t i o n a n d a i r c o n d i t i o n i n g

( H V A C ) c o m p o n e n t s , a n d t h e b u i l d i n g ' s t h e r m a l a n d

e l e c t r i c a l d e m a n d s . C o n s e q u e n t l y , s i m u l a t i o n m o d e l s

a r e n e c e s s a r y t o a s s e s s t h e t e c h n i c a l , e n v i r o n m e n t a l

a n d e c o n o m i c p e r f o r m a n c e o f t h e s e t e c h n o l o g i e s . T h e y

i n c l u d e t h e e n e r g y c o n v e r s i o n u n i t a n d t h e a s s o c i a t e d

p l a n t c o m p o n e n t s . T h e m o d e l s s h o u l d i d e a l l y b e d e -

v e l o p e d w i t h i n e x i s t i n g w h o l e - b u i l d i n g s i m u l a t i o n p r o -

g r a m s t o c o n s i d e r t h e c o u p l i n g b e t w e e n t h e c o g e n e r -

a t i o n d e v i c e , o t h e r h e a t i n g , v e n t i l a t i o n a n d a i r c o n -

d i t i o n i n g c o m p o n e n t s , a n d t h e b u i l d i n g ' s t h e r m a l a n d

e l e c t r i c a l d e m a n d s .

T h e s e m o d e l s n e e d s t o b e m o r e e l a b o r a t e d t h a n s i m -

p l e p e r f o r m a n c e l o o k - u p t a b l e s o n t h e o n e h a n d . T h e y

s h o u l d a l s o b e l i g h t e n o u g h t o a l l o w a h i g h t e m p o r a l

r e s o l u t i o n t o c a t c h t h e t r a n s i e n t b e h a v i o u r r e l a t e d f o r

i n s t a n c e t o c h a n g e s i n t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s .

B e s i d e t h e l i t e r a t u r e r e v i e w a n d a n a l y s i s o f C H P

s i m u l a t i o n , a m o d e l o f a p o l y b e n z i m i d a z o l e h i g h -

t e m p e r a t u r e P E M F C ( P B I H T - P E M F C ) h a s b e e n i m -

p l e m e n t e d u n d e r t h e S c i l a b / X c o s e n v i r o n m e n t c o m b i n -

i n g g r e y m o d e l s a n d p h y s i c a l m o d e l i n g .

2 S i m u l a t i o n

A l l t h e s u b - m o d u l e s o f t h e P B I H T - P E M F C s y s t e m

p r e s e n t e d i n [ 2 ] h a v e b e e n i m p l e m e n t e d u n d e r t h e

S c i l a b / X c o s e n v i r o n m e n t . I t i s c o u m p o u n d e d o f :

H e a t e x c h a n g e r s ;

A n E v a p o r a t o r a n d a c o n d e n s e r ;

A r e c u p e r a t o r ;

A s t e a m r e f o r m e r ;

A w a t e r - g a s - s h i f t ;

A b u r n e r ;

A H T P E M f u e l c e l l s t a c k ;

S o m e o f t h e s u b - m o d u l e s h a v e b e e n m o d i e d ( e v a p -

o r a t o r / c o n d e n s o r ) , r e n e d ( w a t e r - g a s - s h i f t ) o r i m p l e -

m e n t e d w i t h t h e r m o - d y n a m i c t a b l e s ( s t e a m r e f o r m e r ) .

A d e s c r i c t i o n o f t h e m f o l l o w s .

2 . 1 H e a t e x c h a n g e r s

T h e h e a t e x c h a n g e r m o d u l e ( s e e g u r e 1 t o 4 ) i s m e a n t

t o b e u s e d a s s u c h . T h o u g h m o s t o f t h e m o d u l e s i n -

c l u d e o n e o r m a n y h e a t e x c h a n g e r s .

F i g u r e 1 : M o d e l o f a h e a t e x c h a n g e r s y s t e m w i t h t w o

s t r e a m s u n d e r S c i l a b / X c o s

1


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F i g u r e 2 : M o d e l o f a h e a t e x c h a n g e r w i t h p a r a l l e l - o w

u n d e r S c i l a b / X c o s

F i g u r e 3 : M o d e l f o r h e a t t r a n s i t i o n o f a g a s s t r e a m

f r o m T

i n

t o T

o u t


F i g u r e 4 : M o d e l i n t e r n a l e n e r g y o f a g a s s t r e a m u n d e r

S c i l a b / X c o s

2 . 2 E v a p o r a t o r / C o n d e n s e r

T h e e v a p o r a t o r / c o n d e n s e r ( s e e g u r e 5 ) c a l c u l a t e s t h e

w a t e r / v a p o r f r a c t i o n i n t h e g a s s t r e a m . T w o m o d e l s

o f w a t e r s a t u r a t i o n p r e s s u r e h a v e b e e n i m p l e m e n t e d :

A S H R A E

1

m o d e l v a l i d f r o m 0 t o 1 0 0 C e l c i u s [ 3 ] ;

D u p e r r a y f o r m u l a v a l i d a b o v e 1 0 0 C e l c i u s

F i g u r e 5 : M o d e l f o r w a t e r f r a c t i o n u n d e r S c i l a b / X c o s

1

A m e r i c a n S o c i e t y o f H e a t i n g , R e f r i g e r a t i n g & A i r -

C o n d i t i o n i n g E n g i n e e r s

F i g u r e 6 : G a s s t r e a m J a n a f t a b l e s u n d e r S c i l a b / X c o s

T h i s m o d u l e a l s o g i v e s t h e v a p o r i z a t i o n e n t h a l p y [ 4 ]

( s e e g u r e 6 ) .

2 . 3 R e c u p e r a t o r

T h e r e c u p e r a t o r i s a h e a t e x c h a n g e r o f w h i c h o n e o f

t h e u i d o u t p u t t e m p e r a t u r e i s x e d b y t h e s t o r a g e

t e m p e r a t u r e . A l l t h e e n e r g y d i e r e n c e i s r e l e a s e d t o

t h e w a t e r t a n k .

2 . 4 R e f o r m e r m o d e l

T h e r e f o r m e r m o d e l i n c l u d e s ( s e e g u r e 7 a n d 8 ) :

A h e a t e x c h a n g e r . T h e r e f o r m i n g r e a c t i o n i s e n -

d o t h e r m i c . T h e e n e r g y i t r e q u i r e s i s p r o v i d e d b y

t h e u e g a z f r o m t h e b u r n e r .

A l o o k - u p t a b l e ( L U T ) . B a s e d o n t h e t e m p e r a t u r e

a n d t h e m o l a r c o m p o s i t i o n o f t h e g a s s t r e a m , t h e

e q u i l i b r i u m i s d e r i v e d f r o m a m a p . T h e L U T w a s

b u i l t f r o m t h e f r e e s o f t w a r e t o o l o e r e d C h i m i c a l

E q u i l i b r i u m w i t h A p p l i c a t i o n ( C E A ) [ 5 ] .

F i g u r e 7 : M o d e l o f s t e a m r e f o r m e r u n d e r S c i l a b / X c o s

2 . 5 W a t e r - g a s - s h i f t

T h e w a t e r - g a s - s h i f t r e a c t i o n e q u i l i b r i u m ( s e e g u r e 9

a n d 1 0 ) i s n o t d e r i v e d f r o m a l o o k - u p t a b l e b u t i t c o m -

p u t e d d i r e c t l y . N o r i t i s c a l c u l a t e d b y e q u a t i o n s s o l v i n g

l i k e i n [ 2 ] . I n s t e a d , t h i s i s d o n e b y t h e m i n i m i z a t i o n o f

2


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F i g u r e 8 : S u b - m o d u l e f o r t h e r e f o r m a t e g a s e q u i l i b r i u m

c o m p o s i t i o n u n d e r S c i l a b / X c o s

G i b b s f r e e e n e r g y c o n s i d e r i n g o n l y C O , H

2

O , C O

2

a n d

H

2

. T h e o p t i m S c i l a b f u n c t i o n i s u s e f o r t h a t p u r p o s e .

F i g u r e 9 : M o d e l o f a w a t e r - g a s - s h i f t s y s t e m u n d e r

S c i l a b / X c o s

F i g u r e 1 0 : S u b - m o d u l e f o r c a l c u l a t i o n o f w a t e r - g a s -

s h i f t e q u i l i b r i u m u n d e r S c i l a b / X c o s ( u s i n g b u i l t - i n

o p t i m r o u t i n e f o r m i n i m i z a t i o n o f G i b b s ' f r e e e n e r g y ) .

2 . 6 B u r n e r

I n t h e b u r n e r ( s e e g u r e 1 1 ) , w e a s s u m e t h a t t h e r e -

m a i n i n g H

2

a n d C O a r e c o m p l e t e l y c o m b u s t e d . T h a t

i s t o s a y , t h e r e i s e n o u g h o x y g e n i n t h e a i r s t r e a m a t

l e a s t t o a s t o c h i o m e t r i c r a t i o :

x

1

H

2

+ x

2

C O + 0 : 5 ( x

1

+ x

2

) O

2

3 x

1

H

2

O + x

2

C O

2

( 1 )

T h e L o w e r H e a t i n g V a l u e ( L H V ) o f t h e c o m b u s t e d

g a s H H V i s u s e d f o r t h e i n p u t e n e r g y . T h e b u r n e r

s y s t e m i s m o d e l e d l i k e a h e a t t a n k j u s t ; i t r e - u s e s t h e

w a t e r t a n k m o d e l ( s e e n e x t s e c t i o n ) w i t h a d i e r e n t

h e a t c a p a c i t y .

F i g u r e 1 1 : M o d e l o f a b u r n e r u n d e r S c i l a b / X c o s . T h e

b u r n e r i s i t s e l f a h e a t s t o r a g e .

2 . 7 W a t e r t a n k

T h e w a t e r t a n k ( s e e g u r e 1 2 ) i s u s e f u l t h e h e a t s t o r a g e

m o d u l e f o r t h e s y s t e m t o s u p p l y t h e t h e r m a l d e m a n d .

I t a c c o u n t s f o r h e a t l o s s e s .

F i g u r e 1 2 : M o d e l o f a w a t e r s t o r a g e .

2 . 8 H i g h T e m p e r a t u r e P B I P E M F C

T h e H T - P E M F C m o d e l i s a g r e y m o d e l t h o s e c o -

e c i e n t w e r e c a l i b r a t e d f o r t h e F C u n d e r s t u d y . T h e

o v e r - p o t e n t i a l i s t h e s u m o f t h e a n o d e a n d c a t h o d e a n d

c a t h o d e o v e r - p o t e n t i a l :

T h e c a t h o d e m o d e l

c a t h

=

a c t

+

o h m i c

+

d i f f

( 2 )

a c t

=

R T

4 F

l n

i + i

0

i

0

( 3 )

o h m i c

= R

o h m i c

i ( 4 )

d i f f

=

R

d i f f

i

1

( 5 )

R

o h m i c

, R

d i f f

a n d b e i n g t h e o h m i c r e s i s t a n c e o f

t h e s t a c k , t h e e q u i v a l e n t r e s i s t a n c e f r o m d i u s i o n

a n d t h e a i r s t o c h i o m e t r i c r a t i o r e s p e c t i v e l y .

3


4/15

T h e a n o d e m o d e l . T h e a n o d e m o d e l a c c o u n t s f o r

t h e p o i s o n n i n g o f t h e c a t a l y s t b y t h e C O c o m -

p e t i n g w i t h H

2

f o r f r e e c a t a l y s t s i t e :

a n o d

=

R T

F

a r c s i n h

i

2 k

e h

H

2

( 6 )

w i t h

H

2

a n d k

e h

b e i n g t h e s u r f a c e c o v e r a g e a n d t h e

e q u i l i b r i u m c o n s t a n t o f h y d r o g e n o n t h e c a t a l y s t s u r -

f a c e . W e h a v e n a l l y :

U

c e l l

= U

0

c a t h

a n o d

( 7 )

F o l l o w i n g g r e y b o x a p p r o a c h , t h e m o d e l c o e -

c i e n t s a r e c h a r a c t e r i z e d e x p e r i m e n t a l l y :

a

0

( K

1

) a n d b

0

( ) s u c h a s

c

= a

0

T + b

0

( 8 )

a

1

( W K

1

) a n d b

1

( W ) s u c h a s

R

o h m i c

= a

1

T + b

1

( 9 )

a

2

( W K

1

) a n d b

2

( W ) s u c h a s

R

d i f f

= a

2

T + b

2

( 1 0 )

a

3

( A ) a n d b

3

( ) s u c h a s

i

0

= a

3

e x p

b

3

T

( 1 1 )

3 C o n c l u s i o n

T h e s i m u l a t i o n o f f u e l c e l l h a s r e c e i v e d a l a r g e f o c u s

o v e r t h e l a s t t e n y e a r s . T h e l i t e r a t u r e i s v e r y a b u n d a n t .

T h e d e t a i l e d m o d e l i n g o f t h e w h o l e f u e l c e l l s y s t e m i s

n e c e s s a r y a s t h e r e i s a s t r o n g c o u p l i n g b e t w e e n t h e o p -

e r a t i o n o f t h e s y s t e m a n d t h e l o a d , w h e t h e r t h e r m a l

o r e l e c t r i c a l . T h e u s e o f p e r f o r m a n c e m a p a s i t u s e d

t o b e t h e c a s e i s n o t s u c i e n t t o c a t c h t h e t r a n s i e n t

b e h a v i o u r o f t h e s y s t e m w h i c h i s r e l a t e d t o t h e h i g h

r e s o l u t i o n l o a d v a r i a t i o n . T h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e

e c i e n c y o f t h e v a r i o u s F C a n d I C E a s c o r e e n g i n e s f o r

C H P i s s t r o n g l y r e l i e s h e a v i l y o n t h e u s a g e . T h e r e

c a n n o t b e a n y a p r i o r i s t a t e m e n t o n t h e b e t t e r p e r f o r -

m a n c e o f o n e t e c h n o l o g i e o v e r o n e a n o t h e r . D i e r e n t

s t u d i e s s h o w d i e r e n t s r e s u l t s r e g a r d i n g t h e e c o n o m i c a l

a n d e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e m s u n d e r

i n v e s t i g a t i o n d e p e n d i n g o n t h e e l e c t r i c i t y m i x o n t h e

g r i d a n d t h e d i e r e n t m e c h a n i s m s t o b u y t h e p r o d u c e d

e l e c t r i c i t y . W h a t g o e s i n o n e c o u n t r y m i g h t n o g o i n

a n o t h e r o n e w i t h t h e s a m e t e c h n o l o g y .

T h i s s t r e s s e s o u t t h e r o l e o f s i m u l a t i o n w i t h m o d e l s

t h a t c a n r e v e a l t h e s u b t l e t i e s o f e v e r y s p e c i c t e c h -

n o l o g i e s . T h e g r e y b o x a p p r o a c h m i x e d w i t h s o m e

p h y s i c a l m o d e l s i s a n i n t e r m e d i a t e a p p r o a c h t h a t a l -

l o w t o q u i c k l y d e s i g n a n d t e s t n e w C H P s o l u t i o n s . T h e

s e t o f r e l e v a n t p a r a m e t e r s c a n b e s t a n d a r d i s e d s o t h a t

m a n u f a c t u r e r s c a n e n l a r g e t h e d a t a b a s e w i t h e v e r y n e w

p r o d u c t e n t e r i n g t h e m a r k e t .

4 A c k n o w l e d g e m e n t s

T h e a u t h o r i s v e r y g r a t e f u l t o S m a r t s i d e S A S

2

a n d i t s

C E O R o m a i n V A C H E R f o r t h e h o s t i n g a n d f o r t h e -

n a n c i a l s u p p o r t f o r t h i s M a s t e r T h e s i s P r o j e c t . S m a r t -

S i d e i s a n i n n o v a t i v e c o m p a n y a t t h e m e e t i n g p o i n t o f

E n e r g y a n d T e l e c o m s , a n d c o m m i t t e d t o e n s u r i n g b e t -

t e r e n e r g y m a n a g e m e n t b y o e r i n g p r o v e n s o l u t i o n s t o

i m p r o v e e n e r g y e c i e n c y a n d t h e m a n a g e m e n t o f e n -

e r g y d e m a n d .

R e f e r e n c e s

[ 1 ] I n t e r n a t i o n a l E n e r g y A g e n c y - A n E x p e r i m e n t a l

a n d S i m u l a t i o n - B a s e d I n v e s t i g a t i o n o f t h e P e r f o r -

m a n c e o f S m a l l - S c a l e F u e l C e l l a n d C o m b u s t i o n -

B a s e d C o g e n e r a t i o n D e v i c e s S e r v i n g R e s i d e n t i a l

B u i l d i n g s - F i n a l R e p o r t o f A n n e x 4 2 o f t h e I n t e r -

n a t i o n a l E n e r g y A g e n c y ' s E n e r g y C o n s e r v a t i o n i n

B u i l d i n g s a n d C o m m u n i t y S y s t e m s P r o g r a m m e -

A p r i l 2 0 0 8

[ 2 ] A n d e r s R i s u m K o r s g a a r d - D e s i g n a n d C o n t r o l o f

H o u s e h o l d C H P F u e l C e l l S y s t e m - I n s t i t u t e o f

E n e r g y T e c h n o l o g y , A a l b o r g U n i v e r s i t y - 2 0 0 6

[ 3 ] A m e r i c a n S o c i e t y o f H e a t i n g , R e f r i g e r a t i n g & A i r -

C o n d i t i o n i n g E n g i n e e r s ( A S H R A E ) - A S H R A E

H a n d b o o k - F u n d a m e n t a l s - 2 0 0 9

[ 4 ] N a t i o n a l I n s t i t u t e o f S t a n d a r d s a n d T e c h n o l -

o g y - J A N A F T h e r m o c h e m i c a l T a b l e s O n l i n e -

h t t p : / / k i n e t i c s . n i s t . g o v / j a n a f /

[ 5 ] B . J . M c B r i d e , M . J . Z e h e , a n d S . G o r d o n - " N A S A

G l e n n C o e c i e n t s f o r C a l c u l a t i n g T h e r m o d y -

n a m i c P r o p e r t i e s o f I n d i v i d u a l S p e c i e s , " - N A S A

r e p o r t T P - 2 0 0 2 - 2 1 1 5 5 6 - 2 0 0 2

2

w w w . s m a r t - s i d e . f r

4


5/15

A n n e x A E v a p o r a t o r / C o n d e n s e r

F i g u r e A 1 : J a n a f C O u n d e r S c i l a b / X c o s

F i g u r e A 2 : J a n a f H 2 u n d e r S c i l a b / X c o s

5


6/15

F i g u r e A 3 : J a n a f C H 4 u n d e r S c i l a b / X c o s

F i g u r e A 4 : J a n a f C O

2


A n n e x B R e f o r m e r m o d e l

6


7/15

F i g u r e A 5 : J a n a f N 2 u n d e r S c i l a b / X c o s

F i g u r e A 6 : J a n a f O 2 u n d e r S c i l a b / X c o s

A n n e x C W a t e r g a s s h i f t

7


8/15

F i g u r e A 7 : J a n a f H 2 O u n d e r S c i l a b / X c o s

F i g u r e A 8 : J a n a f t a b l e s s u b - m o d u l e o u t p u t u n d e r S c i l a b / X c o s

8


9/15

F i g u r e A 9 : W a t e r f r a c t i o n u n d e r S c i l a b / X c o s

F i g u r e A 1 0 : V a p o r s a t u r a t i o n p r e s s u r e u s i n g A S H R A E a n d D u p e r r a y m o d e l s u n d e r S c i l a b / X c o s

9


10/15

F i g u r e B 1 1 : M o d e l o f r e f o r m e r w i t h s t e a m t o c a r b o n r a t i o 1 u n d e r S c i l a b / X c o s


1 0


11/15



1 1


12/15



1 2


13/15

F i g u r e B 1 7 : R e f o r m a t e g a s e q u i l i b r i u m c o m p o s i t i o n a t 8 0 0 K u n d e r S c i l a b / X c o s

F i g u r e B 1 8 : R e f o r m a t e g a s e q u i l i b r i u m c o m p o s i t i o n a t 1 0 0 0 K u n d e r S c i l a b / X c o s

1 3


14/15

F i g u r e B 1 9 : R e f o r m a t e g a s e q u i l i b r i u m c o m p o s i t i o n a t 1 2 0 0 K u n d e r S c i l a b / X c o s

F i g u r e B 2 0 : R e f o r m a t e g a s e q u i l i b r i u m c o m p o s i t i o n f o r a l l t e m p e r a t u r e u n d e r S c i l a b / X c o s

1 4


15/15

F i g u r e C 2 1 : G i b b s f r e e e n e r g y o f r e a c t i o n c a l c u l a t e d u n d e r S c i l a b / X c o s

Emre 2012 Msth Sum Gl Cmugerin

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