Reversible Solid Oxide Cell System with Thermocline-Type Thermal Energy Storage

Abstract

The production of green hydrogen by electrolysis using renewable power is crucial for reducing greenhouse gas emissions. However, its potential is limited by the unstable nature of renewable power, resulting in low utilization rates for electrolysis devices and challenges such as limited economic viability and large water consumption. In this study, a novel system - a reversible solid oxide cell system with a thermocline-type thermal energy storage is proposed to address these issues. This system utilizes a solid oxide cell, operating selectively in both fuel cell and electrolysis modes. In the fuel cell mode, the system produces electricity and an enormous amount of heat that can be stored in thermal energy storage. Conversely, heat stored in the thermal energy storage during electrolysis produces steam and facilitates the electrolysis reaction to produce hydrogen. We conducted a numerical analysis and determined a design of thermocline-type thermal energy storage at representative driving load. Three alternative setups that operated under the same conditions were compared in this study: the reversible solid oxide cell system integrated with thermal energy storage, a stand-alone reversible solid oxide cell system, and a stand-alone solid oxide electrolysis system. The results indicate that the reversible solid oxide cell system with thermal energy storage outperforms the other two setups in terms of system efficiency, water consumption reduction, and greenhouse gas emissions. The proposed system achieves a 27.5% improvement in efficiency over the solid oxide electrolysis stand-alone system. The proposed system was confirmed to reduce greenhouse gas emissions from 4.18 kg-CO2-eq/kg-H2 to 0 kg-CO2-eq/kg-H2, by replacing the natural gas burner with a thermocline-type thermal energy storage. Furthermore, a techno-economic analysis was conducted for all three systems, confirming that the proposed system can reduce a hydrogen production cost from $5.15/kg-H2 to $3.03/kg-H2. ;수소 사용을 통해 온실가스 저감 효과를 극대화하기 위해서는 그린수소 사용이 반드시 필요하다. 하지만, 그린수소는 재생전력의 간헐성으로 인해 장치의 이용률이 낮기 때문에 경제성이 낮고 물 소비량이 크다는 문제가 있다. 본 연구에서는 열에너지저장장치를 고체산화물전지와 결합해 연료전지 모드로 동작할 때 남는 열을 저장하고, 수전해 모드로 운전할 때 사용할 수 있는 시스템을 새롭게 제안한다. 특히 열에너지저장장치로 제철소에서 사용되는 열풍로 타입을 새롭게 제시하였다. 열풍로는 가스의 현열을 회수할 수 있어 시스템 효율 향상에 도움이 된다는 장점과, 저렴한 재료로 이루어져 있어 경제적이라는 장점이 있다. 본 연구에서는 고체산화물전지-열에너지저장장치 연계 시스템을 제안하고 MATLAB을 활용한 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 구축한 시뮬레이션 모델을 이용하여 시스템의 운전 특성을 분석하고 시스템의 대표 운전 조건을 결정하였다. 1 MW급 고체산화물전지를 사용하는 것을 가정하여 대표 운전 조건에서 열에너지저장장치의 최적 설계안을 도출하였다. 제안한 시스템의 효과를 분석하기 위해 가역고체산화물전지 단독 시스템, 고체산화물 수전해 단독 시스템과 시뮬레이션 결과를 비교 분석한 결과, 고체산화물 수전해 이용 그린수소 생산 효율 대비 물 소비량 100% 감축 가능하고 수전해 효율을 기존의 61.4%에서 88.8%로 약 27.4% 향상할 수 있음을 확인하였다. 또한, 세 시스템에 대하여 기술경제성 분석을 진행하여 제안한 시스템이 그린수소 생산단가를 $5.15/kg-H2에서 $3.03/kg-H2로 감축할 수 있음을 보였다.