Sviluppo e valutazione di un modello basato su Python per simulare le curve di polarizzazione di elettrolizzatori PEM in diverse condizioni operative.

Europe is at the forefront of a massive energy revolution that will lower carbon emissions and increase sustainability. This shift, which includes increasing energy efficiency and modernizing the grid, from fossil fuels to renewable energy sources like wind, solar, and hydropower, is essential to the EU’s plan to meet the 2030 climate targets and become carbon neutral by 2050. Nowadays, the chemical and refining industries in Europe rely heavily on hy- drogen, making it an indispensable component of their energy landscape. Future uses for it could include transportation, heating, and power generation, which could greatly aid the EU in meeting its emission reduction goals and improve overall en- ergy security. The most efficient method of producing hydrogen without emitting CO2 is through the use of electrolyzers, which enable the production of ”green hy- drogen”. Working with electrolyzers that have ever-higher efficiency values is one of the main goals of today’s green hydrogen production: getting more hydrogen with the same, or lower, amount of electric energy. Using electrolyzers that run at pres- sures greater than atmospheric ones is one of the options that are being currently explored; indeed, increasing the electrolytic cell’s operating temperature is another method of reducing the input energy consumption. Therefore, after providing a general overview of the state of hydrogen produc- tion worldwide and the global goals associated with the decarbonisation process, this study covers several different hydrogen production techniques. To analyze and forecast improvements in cell efficiency, a Polymeric Electrolyte Membrane (PEM) electrolyzer in a controlled pressure and temperature environ- ment has been considered a viable option. To predict the electrolytic cells’ behaviour, a mathematical model is developed using Python, tested, and validated with experimental data of a PEM electrolyzer. Experimental data, which have been obtained at the Westfalische Hochschule Insti- tute, are used as a baseline for the current work. In the end, the developed model showed a strong affinity with the data, mainly thanks to its adaptability and flexibility. In the future, to validate the model for higher operating pressures and subsequently forecast the system’s behavior, it is expected to use it with different data from those used in this work.

L'Europa è in prima linea in una massiccia rivoluzione energetica che ridurrà le emissioni di carbonio e aumenterà la sostenibilità. Questo cambiamento, che include l'aumento dell'efficienza energetica e la modernizzazione della rete, passando dai combustibili fossili alle fonti di energia rinnovabile come l'eolica, il solare e l'idroelettrica, è essenziale per il piano dell'UE di raggiungere gli obiettivi climatici del 2030 e diventare carbon neutral entro il 2050. Attualmente, l'industria chimica e di raffinazione in Europa dipende fortemente dall'idrogeno, rendendolo un componente indispensabile del panorama energetico. Gli usi futuri potrebbero includere il trasporto, il riscaldamento e la generazione di energia, che potrebbero notevolmente aiutare l'UE a raggiungere i suoi obiettivi di riduzione delle emissioni e migliorare la sicurezza energetica complessiva. Il metodo più efficiente per produrre idrogeno senza emettere CO2 è tramite l'uso di elettrolizzatori, che permettono la produzione di "idrogeno verde". Lavorare con elettrolizzatori che abbiano valori di efficienza sempre più alti è uno degli obiettivi principali della produzione di idrogeno verde di oggi: ottenere più idrogeno con la stessa, o minore, quantità di energia elettrica. L'uso di elettrolizzatori che funzionano a pressioni maggiori di quelle atmosferiche è una delle opzioni attualmente esplorate; infatti, aumentare la temperatura operativa della cella elettrolitica è un altro metodo per ridurre il consumo energetico di input. Pertanto, dopo aver fornito una panoramica generale dello stato della produzione di idrogeno a livello mondiale e degli obiettivi globali associati al processo di decarbonizzazione, questo studio copre diverse tecniche di produzione di idrogeno. Per analizzare e prevedere i miglioramenti nell'efficienza delle celle, un elettrolizzatore a membrana polimerica elettrolitica (PEM) in un ambiente a pressione e temperatura controllate è stato considerato un'opzione valida. Per prevedere il comportamento delle celle elettrolitiche, è stato sviluppato un modello matematico utilizzando Python, testato e validato con dati sperimentali di un elettrolizzatore PEM. I dati sperimentali, ottenuti presso l'Istituto Westfalische Hochschule, sono utilizzati come base per il lavoro attuale. Alla fine, il modello sviluppato ha mostrato una forte affinità con i dati, principalmente grazie alla sua adattabilità e flessibilità. In futuro, per validare il modello per pressioni operative più elevate e successivamente prevedere il comportamento del sistema, si prevede di utilizzarlo con dati diversi da quelli utilizzati in questo lavoro.