title: Σχεδιασμός και προσομοίωση ενός αποκεντρωμένου συστήματος ελέγχου για μονάδα ηλεκτρόλυσης τύπου PEM
title: Design and simulation of a decentralized control system for a PEM water electrolyzer
Creators: name: Δαποντης Σταυρος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: Διανύουμε μια εποχή διαρκούς αναζήτησης καθαρής ενέργειας, δηλαδή ενέργειας που να είναι όσον τον δυνατόν φιλική προς το περιβάλλον. Στόχος η αειφόρος ανάπτυξη, δημιουργώντας μία ανθρακικά ουδέτερη κοινωνία και στα πλαίσια αυτά εισάγουμε ως φορέα ενέργειας το υδρογόνο. 
Το υδρογόνο αντιπροσωπεύει έναν καθαρό και ευέλικτο φορέα ενέργειας και για τον λόγο αυτό βρίσκεται στο επίκεντρο της επιστημονικής-ερευνητικής κοινότητας αλλά και της πολιτικής. Το υδρογόνο ως ενεργειακός φορέας που είναι, έχει την ικανότητα της αποθήκευσης πλεονάζουσας ισχύος από ΑΠΕ κάνοντας μετατροπή αυτού σε υδρογόνο. Ο ποιο διαδεδομένος τρόπος παραγωγής του υδρογόνου είναι η ηλεκτρόλυση του νερού μέσω μίας μονάδας ηλεκτρόλυσης αυτού. Έτσι η παρούσα διπλωματική περιστρέφεται γύρω από την διαδικασία μοντελοποίησης και σχεδιασμού ενός συστήματος ελέγχου μιας μονάδας ηλεκτρόλυσης τύπου PEM.
Αρχικά μελετάται το θεωρητικό και εννοιολογικό πλαίσιο γύρω από τους τύπους των μονάδων ηλεκτρόλυσής που υπάρχουν δίνοντας μεγαλύτερη βάση στην μονάδα ηλεκτρόλυσης τύπου PEM. Αφού αναλυθούν τα μέρη που απαρτίζουν την μονάδα τύπου ΡΕΜ,  ξεκινάει η διαδικασία μαθηματικής μοντελοποίησης και σχεδιασμού του συστήματος ελέγχου.  Η διαδικασία του συστήματος αυτού, περιγράφεται  σε ένα μη γραμμικό μοντέλο και στην συνέχεια με την βοήθεια του αναπτύγματος Taylor πραγματοποιείται γραμμικοποίηση αυτού. Σκοπός της συγκεκριμένης μοντελοποίησης είναι η δημιουργία ενός μοντέλου χώρου κατάστασης (state-space model) μαζί με τις αντίστοιχες συναρτήσεις μεταφοράς εξόδου-εισόδου. Το μοντέλο χώρου κατάστασης χρησιμοποιείται για τον σχεδιασμό ελεγκτών ανάδρασης με σκοπό τη ρύθμιση της παραγωγής υδρογόνου μέσω του χειρισμού του ηλεκτρικού ρεύματος.
Τελικά, ελεγκτές αξιολογούνται και συγκρίνονται μεταξύ τους για την εύρεση του βέλτιστου. Μερικά σημαντικά κριτήρια της αξιολόγησης είναι: σημαντική μείωση διαταραχών γρήγορη ανταπόκριση και ελαχιστοποίηση πιθανών σφαλμάτων καθώς γίνεται αλλαγή της τιμής του ηλεκτρικού ρεύματος ή και μη. Κριτήρια αποδοτικότητας όπως ISE, IAE, ITAE και ITSE βοήθησαν προς την κατεύθυνση μιας καλύτερης επιλογής ελεγκτή. Βασικό σημείο για την εύρεση του βέλτιστου ελεγκτή είναι η προσπάθεια να κρατηθεί η χρήση του ρεύματος χαμηλή (επομένως και χαμηλής ισχύος) με ταυτόχρονη υψηλή απόδοση (παραγωγή Η_2 ανά ισχύ).

description: We are living in an era of constant search for clean energy, i.e. energy that is as environmentally friendly as possible. The aim is sustainable development, creating a carbon-neutral society, and in this context, we are introducing hydrogen as an energy carrier. 
Hydrogen represents a clean and, at the same time, flexible energy carrier and for this reason it is at the centre of the scientific-research community and of politics. Hydrogen, as the energy carrier that it is, has the ability to store surplus power from renewable energy sources by converting it into hydrogen. The most widespread way of producing hydrogen is the electrolysis of water through an electrolysis plant. Thus, this thesis revolves around the process of modeling and designing a control system of a PEM type electrolysis plant.
First, the theoretical and conceptual framework around the types of electrolysis units that exist is studied, with a greater emphasis on the PEM type electrolysis unit. Once the parts that make up the PEM type unit have been analysed, the process of mathematical modelling and design of the control system is started.  The process of this system is described in a nonlinear model and then with the help of Taylor expansion, linearization of this is carried out. The purpose of this modelling is to create a state-space model together with the corresponding output-input transfer functions. The state-space model is used to design feedback controllers for the purpose of regulating hydrogen production by manipulating the electric current.
Finally, controllers are evaluated and compared with each other to find the optimal one. Some important evaluation criteria are: significant reduction of disturbances fast response and minimization of potential errors as the value of the electric current is changed or not. Efficiency criteria such as ISE, IAE, ITAE and ITSE helped towards a better controller selection. A key point in finding the optimal controller is to try to keep the current usage low (hence low power) while maintaining high efficiency (H2 generation per power).