Center For Sustainable And Portable Electrical Power (cspep)

Center for Sustainable and Portable Electrical Power (CSPEP)  University of Toledo  Principal Investigator: Krishna Shenai; TEL: (419) 530‐8196; EMAIL: [email protected]  Co‐PI’s: A‐M Azad, A. Compaan, D‐S Kim, C. Schall, T. Stuart and S. Varanasi   

1. Abstract  The Center for Sustainable and Portable Electrical Power (CSPEP) proposes to conduct basic research  on core materials, devices and systems technologies critical for the development of next generation  of sustainable and mobile electrical power systems fueled from biomass and solar energy. Figure  1  illustrates the schematic of the proposed smart efficient electrical power system. 

  Figure 1 A schematic illustration of smart, clean, and portable electrical power system.    There  is  a  critical  need  to  develop  sustainable  and  mobile  electrical  power  for  a  wide  range  of  commercial,  military  and  space  applications  that  is  efficient,  reliable  and  economically  viable.  The  CSPEP proposes to demonstrate fundamental advances in cellulosic biomass conversion into efficient  load‐regulated  electrical  power  by  integrating  advanced  thin  film  solar  photovoltaics  and  fuel‐cell  technologies,  high‐temperature  power  electronics,  and  smart  energy  storage  and  management  concepts synergistic with DOE’s critical missions ‐ Energy Sources, Energy Efficiency and Environment.    Biomass  Conversion:  Three  UT  researchers  (Varanasi,  Schall,  and  Anderson)  are  pioneering  a  novel  cellulosic biomass conversion technique to produce sugars, and subsequent conversion of produced  sugars into ethanol using a novel fermentation process. This unique patented process results in high  ethanol production efficiency from a variety of biomass resources that include corn stalks, soybean  and canola oil, animal fats, praire grasses, hardwoods, and even algae. The process will be optimized  and biomass conversion efficiency improved by integrating advanced solar photovoltaics to enhance  the production of ethanol gas subsequently used as a feeder for the fuel cell converter.    Fuel Cell Converter: Two UT researchers (D‐S Kim and A‐M Azad) are pioneering an energy‐efficient  integrated process in which separation and conversion of bioethanol to hydrogen is performed in one  module without a distillation process. The hydrogen produced is then directly fed into a fuel cell to  1

produce electricity with an energy gain in excess of 30% compared to the existing biofuel combustion  systems.      Electrical  Power  Conversion  and  Management:  Two  UT  researchers  (Shenai  and  Stuart)  are  pioneering  breakthrough  advances  in  high‐frequency  high‐temperature  electronics  capable  of  delivering  more  efficient  and  reliable  load‐regulated  electrical  power  under  harsh  environmental  conditions based on advanced solid‐state power switching and control, cooling, thermal management  and system integration concepts. More than two‐fold increase in power density with improved field‐ reliability can be achieved using defect‐free silicon carbide (SiC) ‐based power switching electronics,  low‐loss high‐density magnetics, high‐temperature capacitors, SOI control electronics, liquid cooling,  and  advanced  packaging  concepts.  Smart  grid  connection,  efficient  energy  storage,  and  energy  management  will  be  accomplished  by  infusing  novel  wireless  control  electronics,  battery  management, and intelligent information management concepts.    2. Research Team’s Competitive Position  The  University  of  Toledo  (UT)  has  been  performing  world‐class  sponsored  research  in  solar  photovoltaics  (Wright  Center  on  PVIC,  DOE,  DOD),  biofuels  (Third  Frontier  AEP,  DOE,  USDA,  NSF),  hydrogen  production  from  bioethanol  and  fuel  cells  (Wright  Capital  Project,  DOE,  NASA  Glenn,  US  ARMY, EMTEC/DOE, NSF/STTR), and electrical power conversion and management (Wright Center on  PVIC,  Wright  Capital  Project,  DOE,  DOD,  EPRI,  NSF,  NASA).  Several  UT  researchers  are  world‐ renowned  especially  in  the  areas  of  thin  film  solar  photovoltaics  (Compaan),  cellulosic  biomass  conversion  (Varanasi  and  Schall),  hydrogen  production  from  bioethanol  (D‐S  Kim  and  A‐M  Azad),  desulfurization and fuel conversion (A‐M Azad, Lipscomb, and Coleman), hybrid vehicles (Stuart and  Abraham), and electrical power conversion and management (Shenai and Stuart). The total research  funding in this area at UT has exceeded $25M in the past decade. The UT researchers have major on‐ going  collaborations  in  these  fields  with  researchers  from  Ohio  State  University,  Youngstown  State  University,  and  Case  Western  Reserve  University.  Several  UT  researchers  have  well‐established  relationships with US DOE labs (NREL – Stuart, Compaan and Varanasi; ORNL – Shenai and Schall; PNL  – Shenai; Sandia National Lab ‐ Shenai), NASA (NASA Glenn – A‐M Azad, Shenai, Stuart), and US DOD  labs  (WPAT  –  Shenai  and  Stuart;  ARL  ‐  Shenai).  UT  has  a  newly  established  Center  for  Renewable  Energy and Energy is one of the seven thematic focus areas of research and education. Dr. Krishna  Shenai, the PI for the project, is Professor and Chair of Electrical Engineering and Computer Science  Department at UT and is an internationally renowned authority on electrical power conversion and  management. Dr. Shenai has 25+ years of combined industrial and academic experience in the field  with a proven track record of successful international collaboration and project management.     3. Actual and Potential Partners  The  CSPEP  will  be  housed  within  the  UT  College  of  Engineering.  It  will  have  the  collaboration  and  participation  of  the  following  organizations:  Ohio  Institutions  of  Higher  Education:  OARDC  ‐  Ohio  State  University  (PI:  S.  Slack),  Youngstown  State  University  (PI:  M  Abraham),  and  Case  Western  Reserve University; Government Labs: Wright Center on PVIC, EWI, EMTEC, RGP, NREL, ORNL, PNL,  LANL,  ANL,  Sandia  National  Lab,  NASA  Glenn,  WPAT,  and  ARL);  and  Ohio  Industry:  First  Energy,  American Electric Power, Emerson Electric, Rolls‐Royce, Boeing, Rockwell Automation, Crown Battery,  Whirlpool, Diamler‐Chrysler, First Solar, Xunlight Corporation, The Andersons Inc., …    2