Computer simulations for designing green energy solutions

Julkaisun otsikon käännös: Computer simulations for designing green energy solutions

Lassi Hällström

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Hiilidioksidipäästöjen vähentäminen ja ilmastonmuutoksen hillitseminen on ihmiskunnan suurin haaste seuraavien vuosikymmenten aikana. Vety on noussut taloudellisesti kannattavaksi vaihtoehdoksi fossiilisille hiilipohjaisille polttoaineille eri teollisuudenaloilla, kuten teräksen tuotannossa, liikenteessä ja jopa biokemiallisessa elintarviketuotannossa. Jotta hiilidioksidipäästöjä voitaisiin vähentää tehokkaasti, vetyä on tuotettava elektrolyysillä vedestä, sillä teollisuudessa nykyisin käytetty vakiomenetelmä, höyryreformointi, erottaa vetykaasun fossiilisista hiilivedyistä, jolloin sivutuotteena syntyy samat hiilidioksidipäästöt kuin hiilivedyn polttamisessa suoraan. Hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä keskeistä on uusiutuvan energian tuotanto. Tässä väitöskirjassa tutkitaan, miten tietokonesimulaatioita voidaan käyttää ympäristöystävällisten energiaratkaisujen suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöskirjan perusajatus on, että minkä tahansa laitteen optimoimiseksi on ensin ymmärrettävä, miten fysiikan lait vaikuttavat sen toimintaan. Vasta sitten on mahdollista ennustaa eri muutosten vaikutuksia laitteen tehokkuuteen. Tässä väitöskirjassa tutkitaan tietokonesimulaatioita kahdesta erillisestä uusiutuvan energian tuotantomenetelmästä. Ensimmäinen on sähköntuotanto veden haihtumisesta seuraavasta vesivirtauksesta huokoisissa rakenteissa. Huokoisesta rakenteesta seuraa monifaasinen virtausdynamiikan ongelma, jossa sähköä tuottavan veden virtaus riippuu sekä materiaalin ominaisuuksista että toimintaympäristön olosuhteista. Väitöskirjassa osoitetaan, miten huolellisesti suunniteltu simulaatio voi paitsi toistaa kokeelliset tulokset joiden pohjalta malli on rakennettu, myös ennustaa käyttäytymistä, joka voidaan jälkeenpäin todentaa kokeellisesti. Toinen tapaus on valosähkökemiallinen vedyn tuotanto, jossa auringonvalo muunnetaan vedyksi yhdellä monoliittisella puolijohdekomponentilla ilman ulkoista sähköntuotantoa. Tätä tapausta simuloidaan ensin Boltzmannin kuljetusyhtälöön perustuvalla mallilla. Koska uusien materiaalien suunnittelussa ja elektrodien geometriassa hyödynnetään kuitenkin yhä enemmän nanokokoluokan ominaisuuksia, Boltzmannin yhtälön taustalla olevat klassiset oletukset eivät ole enää tarkkoja. Toinen menetelmä puolijohde-elektrodien simuloimiseksi on kvanttimekaaninen formalismi (NEGF, nonequilibrium Green's function), jota on laajalti hyödynnetty aurinkokennojen ja transistorien simuloinnissa. Tässä työssä osoitetaan, että NEGF:ää voidaan soveltaa valosähkökemiallisten laitteiden mallintamiseen, ja se kykenee tuottamaan merkittävästi parempia tuloksia kuin aiemmat menetelmät. Tulokset osoittavat, miten tietokonesimulaatiot voivat sekä auttaa ymmärtämään laitteiden toimintaa syvällisemmin, että tarjota kyvyn optimoida laitesuunnittelua tehokkuuden kasvattamiseksi.
Julkaisun otsikon käännösComputer simulations for designing green energy solutions
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Tittonen, Ilkka, Vastuuprofessori
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-1390-7
Sähköinen ISBN978-952-64-1391-4
TilaJulkaistu - 2023
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • simulaatio
  • energia
  • sähkökemia
  • puolijohde
  • kvanttimekaniikka

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Computer simulations for designing green energy solutions'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä