Designing an alkaline water electrolysis test bench
Laakso, Onni Ilari Waldemar (2024-02-13)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202402137061
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202402137061
Tiivistelmä
In this study, a design of an alkaline water electrolysis test bench is made for VTT. This design work includes making a complete process and instrumentation (P&I) diagram of the test bench, compiling two different safety analyses of the test bench, and finally choosing the necessary instruments according to both the safety analyses and the P&I diagram. Due to confidentiality reasons, the complete P&I diagram of the test bench is not provided in this study.
The purpose of this study is to strengthen Finnish know-how in alkaline electrolysis, as Finland currently lacks extensive practical know-how of this technology at an industrial scale. Utilization of the test bench offers an opportunity for interested companies to be the technology’s forerunners, providing agreed research data and educating competent personnel. Interested companies can also utilize the test bench for stack testing and development purposes.
This study is in the style of design research, which also partly involves some empirical research. The study presents the working principle of alkaline electrolysis, and the challenges encountered during the design work of the test bench. Literature and a previous P&I diagram from VTT’s earlier test bench have been used as help in the P&I diagram design. Empirical research has been used to illustrate the separation process of the two-phase flow to be able to evaluate the behavior and the amount of unwanted gas (H2 and O2) bubbles in real operating conditions. The safety analyzes performed during the design work have been made and documented according to the standards EN IEC 60079-10-1:2021, EN IEC 61511-1:2017 and EN IEC 61511-2:2017. The standards give instructions for classifying potentially explosive zones and how to ensure functional safety for the test bench.
After this study, VTT has a straightforward plan on how to implement an alkaline electrolysis test bench, and what kind of modifications would be needed in different future situations. Moreover, this thesis work will provide VTT a complete list of selected and necessary instruments, and competent personnel to develop the test bench further. The study provides an overview of the measures still needed, after which the assembly and commissioning of the test bench can be started in the upcoming months. Tutkielmassa suunnitellaan alkalielektrolyysin testipenkki VTT:lle. Suunnittelutyö sisältää täydellisen prosessi- ja instrumentaatiokaavion (PI-kaavio) teon, kahden turvallisuusanalyysin laatimisen testipenkkiä varten, ja tarvittavien instrumenttien valinnan PI-kaavion ja turvallisuusanalyysien esittämien tarpeiden mukaisesti. Salassapitovelvollisuuden vuoksi täydellistä PI-kaaviota ei esitetä tässä tutkielmassa.
Tutkielman tarkoitus on vahvistaa suomalaista osaamista alkalielektrolyysin parissa, sillä tällä hetkellä Suomesta puuttuu laaja alkalielektrolyysin käytännönläheinen osaaminen teollisuusmittakaavassa. Testipenkin käyttö tarjoaa kiinnostuneille yrityksille mahdollisuuden olla alan teknologian edelläkävijöitä, tarjoamalla etukäteen sovittua tutkimusdataa ja kouluttamalla osaavaa henkilökuntaa. Kiinnostuneet yritykset voivat myös hyödyntää testipenkkiä elektrolyysikennoston testaamiseen ja kehittämiseen.
Tutkielma on kehittämistutkimuksen tyylinen, johon liittyy myös osittain kokeellista tutkimista. Tutkielmassa esitellään alkalielektrolyysin toimintatapa, ja kyseisen teknologian testipenkin suunnitteluvaiheen haasteet. Apuna PI-kaavion suunnittelussa on käytetty kirjallisuudesta saatavaa tietoa ja yhtä VTT:n aikaisemman testipenkin PI-kaaviota. Kokeellista tutkimusta on hyödynnetty kaksifaasivirtauksen erotuksen havainnollistamisessa, jotta pystytään arvioimaan haitallisten vety- ja happikaasukuplien käyttäytymistä ja määrä oikeassa tilanteessa. Suunnittelutyön aikana tehdyt turvallisuusanalyysit ovat laadittu ja dokumentoitu standardien EN IEC 60079-10-1:2021, EN IEC 61511-1:2017 ja EN IEC 61511-2:2017 mukaisesti. Standardit ohjeistavat räjähdysvaarallisten tilojen luokitteluun ja toiminnallisen turvallisuuden varmistamiseen.
Tutkielman jälkeen VTT:llä on suoraviivainen suunnitelma, miten toteuttaa alkalielektrolyysin testipenkki, ja millaisia muokkauksia tämä tarvitsee tulevissa tilanteissa. Lisäksi tutkielma tarjoaa VTT:lle täydellisen listan valituista ja tarvittavista instrumenteista, ja teknologiaan perehtynyttä henkilöstöä kehittämään testipenkkiä pidemmälle. Tutkielma tarjoaa katsauksen vielä tarvittavista toimenpiteistä, joiden jälkeen testipenkin rakentamisen ja käyttöönoton voi aloittaa tulevina kuukausina.
The purpose of this study is to strengthen Finnish know-how in alkaline electrolysis, as Finland currently lacks extensive practical know-how of this technology at an industrial scale. Utilization of the test bench offers an opportunity for interested companies to be the technology’s forerunners, providing agreed research data and educating competent personnel. Interested companies can also utilize the test bench for stack testing and development purposes.
This study is in the style of design research, which also partly involves some empirical research. The study presents the working principle of alkaline electrolysis, and the challenges encountered during the design work of the test bench. Literature and a previous P&I diagram from VTT’s earlier test bench have been used as help in the P&I diagram design. Empirical research has been used to illustrate the separation process of the two-phase flow to be able to evaluate the behavior and the amount of unwanted gas (H2 and O2) bubbles in real operating conditions. The safety analyzes performed during the design work have been made and documented according to the standards EN IEC 60079-10-1:2021, EN IEC 61511-1:2017 and EN IEC 61511-2:2017. The standards give instructions for classifying potentially explosive zones and how to ensure functional safety for the test bench.
After this study, VTT has a straightforward plan on how to implement an alkaline electrolysis test bench, and what kind of modifications would be needed in different future situations. Moreover, this thesis work will provide VTT a complete list of selected and necessary instruments, and competent personnel to develop the test bench further. The study provides an overview of the measures still needed, after which the assembly and commissioning of the test bench can be started in the upcoming months.
Tutkielman tarkoitus on vahvistaa suomalaista osaamista alkalielektrolyysin parissa, sillä tällä hetkellä Suomesta puuttuu laaja alkalielektrolyysin käytännönläheinen osaaminen teollisuusmittakaavassa. Testipenkin käyttö tarjoaa kiinnostuneille yrityksille mahdollisuuden olla alan teknologian edelläkävijöitä, tarjoamalla etukäteen sovittua tutkimusdataa ja kouluttamalla osaavaa henkilökuntaa. Kiinnostuneet yritykset voivat myös hyödyntää testipenkkiä elektrolyysikennoston testaamiseen ja kehittämiseen.
Tutkielma on kehittämistutkimuksen tyylinen, johon liittyy myös osittain kokeellista tutkimista. Tutkielmassa esitellään alkalielektrolyysin toimintatapa, ja kyseisen teknologian testipenkin suunnitteluvaiheen haasteet. Apuna PI-kaavion suunnittelussa on käytetty kirjallisuudesta saatavaa tietoa ja yhtä VTT:n aikaisemman testipenkin PI-kaaviota. Kokeellista tutkimusta on hyödynnetty kaksifaasivirtauksen erotuksen havainnollistamisessa, jotta pystytään arvioimaan haitallisten vety- ja happikaasukuplien käyttäytymistä ja määrä oikeassa tilanteessa. Suunnittelutyön aikana tehdyt turvallisuusanalyysit ovat laadittu ja dokumentoitu standardien EN IEC 60079-10-1:2021, EN IEC 61511-1:2017 ja EN IEC 61511-2:2017 mukaisesti. Standardit ohjeistavat räjähdysvaarallisten tilojen luokitteluun ja toiminnallisen turvallisuuden varmistamiseen.
Tutkielman jälkeen VTT:llä on suoraviivainen suunnitelma, miten toteuttaa alkalielektrolyysin testipenkki, ja millaisia muokkauksia tämä tarvitsee tulevissa tilanteissa. Lisäksi tutkielma tarjoaa VTT:lle täydellisen listan valituista ja tarvittavista instrumenteista, ja teknologiaan perehtynyttä henkilöstöä kehittämään testipenkkiä pidemmälle. Tutkielma tarjoaa katsauksen vielä tarvittavista toimenpiteistä, joiden jälkeen testipenkin rakentamisen ja käyttöönoton voi aloittaa tulevina kuukausina.