Multi-Scale Analysis of Solid Oxide Cells for Energy Applications: Experimental Characterization and System-level Simulation

In this work different aspects of SOCs (mostly in SOFC mode but also in SOEC and rSOC modes) are analysed with a multi-scale analysis approach, from cell to system level. According to the scale it is possible to analyse representative aspects of the technology at that specific domain, with focus on experimental studies at smaller scales – which is the main element of novelty of this work, respect to typical theory-driven multi-scale modelling approaches. At button-cell level the SOC physico-chemical processes can be identified and parametrized with impedance-based methods; at single-cell level the electrochemical performance and gas conversion is studied with polarization approaches and gas chromatography analyses in different operating conditions. Instead, at short-stack level the output power and efficiency maps can be obtained of the stable operation points in different conditions. The experimental analyses are carried out in the framework of different EU research projects (qSOFC, BLAZE, W2W, SO-FREE), which set the specific requirements and boundaries of the specific experimental campaigns which are reported in this work. Only at system scale the actual rSOC system is analysed coupled to RES in two different applications: in case study 1 the rSOC system is evaluated coupled to an offshore wind turbine for back-up power and hydrogen production and in case study 2 the rSOC integration in building energy systems in the residential sector is analysed, with parametric analysis according to the building type (apartment/villa), climate zone and reference year of construction of the building stock. The system integration analyses are based on a rSOC component model which leverages the experimental stack-level datasets of a stack which is integrated into an actual commercial rSOC system prototype, typically used as smart energy hub for energy storage and poly-generation solutions, in order to provide a more realistic system level output which takes into account the real operating conditions of the rSOC system as well as the actual processes occurring internally to the system, respect to most black-box approaches used in system integration modelling studies.

In questo lavoro vengono analizzati diversi aspetti del SOCs (principalmente modalità SOFC, ma anche in SOEC e Rsoc), attraverso un approccio analitico multi-scala, dalla cellula al sistema. Stando alla scala è possibile analizzare aspetti rappresentativi della tecnologia di uno specifico dominio, con un focus sugli studi sperimentali su scale minori - che è l’elemento di principale innovazione di questo elaborato, l’approccio di modello a cellula singola la performance elettrochimica e la conversione a gas sono studiate con un approccio basato sulla polarizzazione e gascromatografia in diverse condizioni operative. Invece, a livello di short-stack si possono ottenere le mappe di potenza ed efficienza di uscita dei punti di funzionamento stabili in diverse condizioni. Le analisi sperimentali sono state condotte nell'ambito di diversi progetti di ricerca dell'Unione Europea (qSOFC, BLAZE, W2W, SO-FREE), che hanno stabilito i requisiti e i limiti specifici delle campagne sperimentali riportate in questo lavoro. Solo su scala di sistema viene analizzato il sistema rSOC accoppiato alle FER in due diverse applicazioni: nel caso studio 1 viene valutato il sistema rSOC accoppiato a una turbina eolica offshore per l'alimentazione di riserva e la produzione di idrogeno, e nel caso studio 2 viene analizzata l'integrazione di rSOC nei sistemi energetici degli edifici nel settore residenziale, con un'analisi parametrica in base alla tipologia di edificio (appartamento/villa), alla zona climatica e all'anno di riferimento di costruzione del parco edifici. Le analisi di integrazione del sistema si basano su un modello di componenti rSOC che sfrutta i dati sperimentali a livello di stack di uno stack integrato in un prototipo di sistema rSOC commerciale, tipicamente utilizzato come hub energetico intelligente per l'accumulo di energia e soluzioni di poligenerazione, al fine di fornire un output più realistico a livello di sistema che tenga conto delle condizioni operative reali del sistema rSOC e dei processi effettivi che si verificano internamente al sistema, rispetto alla maggior parte degli approcci black-box utilizzati negli studi di modellazione dell'integrazione del sistema.