Master's Thesis

Seasonal accumulations using power-to-gas technology

Final Thesis 4.95 MB

Author of thesis: Ing. Jan Zavadil

Acad. year: 2019/2020

Supervisor: prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D.

Reviewer: Martin Pešek (EGÚ Brno, a. s. )

Abstract:

The diploma thesis is focusing on the seasonal energy storage in synthetic fuels and the Power to Gas system (P2G). The P2G enables the conversion of electrical energy in times of electricity surplus, for example by using the surplus from renewable energy sources to produce synthetic gas, particulary hydrogen and synthetic methane. The main focus is on the technical and economic assessment of P2G of the Gazela natural gas pipeline. Furthermore, it identifies the limits of production, transportation, and storage capacities of these synthetic gases.

The technical analysis assumes the injection of hydrogen of a certain molar concentration, according to the four proposed scenarios, into the natural gas transmission system in the Gazela pipeline. The results have showen that an increase in the molar fraction of hydrogen in natural gas will cause problems in gas transport and will lead to an increase in the pressure losses, an increase in flow rate, and a decrease in the storage capacity of the pipeline.

The economic analysis examines the use of P2G technology in Czech conditions. It demonstrates the amount of production costs for the production of 1 MWh of synthetic gas depending on the electricity price and the operating time of the production facility. The sensitivity analysis has shown that neither hydrogen nor synthetic methane is competitive next to cheap natural gas unless measures like an increased price of emission allowances or a carbon tax are taken.

Keywords:

Hydrogen, methan, Power-to-Gas, Gazela pipeline, fuel cell, electrolysis, seasonal accumulation

Date of defence

20.07.2020

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student odpověděl na všechny otázky oponenta a vyjádřil se k jeho poznámkám. Dále odpovídal na otázky komise: V Německu je možno přimíchávat vodík do plynárenské soustavy, proč to v ČR nelze? Je problém s koncentrací vodíku okolo 5 %? Co je to vyšší permeace? U syntetického metanu přidáváte CO2, jedná se o náklad, nebo je to zisk? Co je konstantního, když měníte koncentraci vodíku? Čím je způsobena eroze v potrubí? Jaký je tlak v potrubí? Jak by se počítaly u plynovodu tlakové ztráty? Co znamená zkratka LCOE? Která technologie má nejnižší LCOE? Proč jste se věnoval tomuto tématu? Myslíte si, že podobná zařízení je možno realizovat v rámci ČR? Komise došla ke shodě v hodnocení obhajoby výborně, A.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Power Engineering (M-ENI)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Pavel Milčák, Ph.D. (člen)
Ing. Milan Kořista, Ph.D. (člen)
Ing. Tomáš Caha (člen)

Předložená práce je věnována hodnocení technologie power-to-gas a souvislostem spojeným s distribucí vodíku v transportním potrubí zemního plynu. Práce je rozsahem nadstandardní a těží ze spolupráce se zadavatelem z komerční sféry. Provedená vyhodnocení přináší nové originální závěry a odpovídají na dílčí otázky spojené s vodíkovou energetikou.
V průběhu zpracování diplomové práce student postupoval samostatně, zpracovával podklady a vyhledával informace k řešenému problému.

Předložená práce splňuje rozsah předepsaný zadáním. Doporučuji proto práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Martin Pešek (EGÚ Brno, a. s. )

Autorem předložená diplomová práce se zabývá progresivní technologií Power to Gas, která je výhodná zejména pro dlouhodobější akumulaci energie. Tato technologie je poměrně nová, má svá notná úskalí, ale zároveň má výraznou perspektivu ve spojení s obnovitelnými zdroji energie, zejména s větrnými a solárními parky. Autor práce měl za úkol přestavit tuto technologii vč. potřebných dílčích postupů pro výrobu zelených plynů, speciálně syntetického vodíku a metanu. Následně měl identifikovat limity těchto technologií a aplikovat nabyté znalosti na konkrétním příkladu.
Práce je velmi rozsáhlá, místy až encyklopedického charakteru, autor podrobně avšak velmi správně identifikuje jednotlivé technologie. Některé informace, které nejsou potřebné pro vlastní tvorbu, bych doporučoval zařadit do příloh práce pro lepší čitelnost. Diplomová práce v posledních dvou kapitolách přináší vlastní praktickou část, která je relativně krátká, což je způsobeno nutností chránit know-how firmy i jejich partnerů. Ekonomické srovnání v kapitole 8 je však velmi věcné a poukazuje na problémy současných zelených technologií. V rámci dekarbonizace sektoru energetiky v ČR nejsou schopny technologie P2G samostatně výrazně přispět, nicméně ve spojení s ostatními bezemisními či nízkoemisními technologiemi mohou tvořit komplexní celek, který již smysl dávat bude. Z tohoto důvodu je předložená práce cenným zdrojem informací. Tyto informace spolu s ekonomickou rozvahou výsledků, kvalitní grafickou úpravou a detailními citacemi by bylo vhodné využít jako podklad pro přiblížení těchto technologií technické veřejnosti či studentům, např. formou kapitoly ve skriptech.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V současné době je koncentrace vodíku v plynárenské soustavě ČR nulová a ani vyhláška 108/2011 vodík ve spojení se ZP nezná. Maximální teoretické množství vtláčeného vodíku do plynárenské soustavy v ČR by se nyní pohybovalo v jednotkách promile. V případě enormního rozvoje OZE během 20 let se může jednat o hodnotu do 2 procent. Má tato technologie budoucnost při zohlednění ekonomiky výroby (v rámci ČR, případně v jiných zemí)?
  2. Na straně 126 autor poukazuje na výši nákladů technologie P2G, přičemž druhy nákladů jmenuje. Následně uvádí, že:“ Vypočtená teoretická výše výrobních nákladů může i několikanásobně narůst v případě zahrnutí dalších proměnných vstupujících do výpočtu“. Může pojmenovat další proměnné, které mohou několikanásobně zvýšit cenu?
  3. Na straně 129 autor sděluje, že až 20% koncentrace vodíku v ZP by výrazně zvýšila erozi potrubí. Jaké jsou současné materiály potrubí pro ZP a jaké by byly ideální materiály pro médium vodík?
  4. Je podle autora reálné očekávat zavedení uhlíkové daně i pro sektor plynárenství, tedy pro zemní, ale i jiné plyny?
  5. Pozn. č. 1 – Seznam příloh je prázdný, některé teoretické informace, které nejsou podstatné pro vlastní praktickou část, by bylo vhodné umístit to příloh závěrečné práce.
  6. Pozn. č. 2 – Pozor na označování P2H; v některých kruzích je zavedenějším názvem Power-to-Heat, označovaný stejným způsobem, jako Power-to-Hydrogen, tedy P2H.

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová