Master's Thesis

Air expansion turbine for compressed air energy storage

Final Thesis 11.8 MB Appendix 405.81 kB

Author of thesis: Bc. Jakub Pelaj

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jiří Škorpík, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Štaffa

Abstract:

This master's thesis deals with the thermodynamic and aerodynamic design of an expansion turbine for large-scale Compressed Air Energy Storage (CAES) systems. Since the expansion efficiency is a key factor in the overall efficiency of the storage cycle, the thesis focuses on the detailed optimization of the turbine flow path. Based on a mathematical model integrating flow kinematics, modern loss models, and blade strength limits, a three-casing turbine concept was designed. This independent-shaft arrangement allows for the optimization of rotational speeds for individual pressure levels, thereby achieving maximum technical work while respecting material constraints at low temperatures. The final design was validated using available scientific literature, confirming that the achieved internal efficiency and operational stability fully correspond to the theoretical assumptions for machines in this power category.

Keywords:

energy storage, CAES system, compressed air, expansion turbine, turbine design, blade strength, Traupel loss model.

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student odprezentoval obsah své diplomové práce. Otázky oponenta byly zodpovězeny. V průběhu obhajoby byly položeny tyto doplňující otázky: Jaké teploty byly na stupních turbíny? Kde se separovala vlhkost?

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Power Engineering (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. Jiří Škorpík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jiří Škorpík, Ph.D.

Student přistupoval k vypracování práce aktivně a svědomitě konzultoval svůj postup nejen s vedoucím práce, ale především s hlavním konzultantem ze Siemens energy panem Ing. Milanem Kořistou. Student dokázal pochopit souvislosti s teorií tepelných turbín vyučovanou na Energetickém ústavu a praktickým návrhem takových strojů. Práci doplňuje množství vlastních obrázků, které potvrzují jeho schopnost se vyjadřovat i grafickým způsobem typickým pro inženýra.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
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
Ing. Petr Štaffa

Práce je přehledně a logicky strukturována, jednotlivé kapitoly na sebe plynule navazují. Úvodní část práce, věnovaná rešerši řešené problematiky, je zpracována kvalitně, čtivě a poskytuje čtenáři dobrý přehled o současném stavu dané oblasti. Pro celkový obrázek by bylo vhodné rozšířit pojednání o volbě použitých materiálů a jasněji vymezit jejich specifika a odlišnosti oproti standardním aplikacím parních turbín.

Stěžejní část práce, zaměřená na návrh expanzní turbíny, je zpracována na výborné odborné úrovni. Návrh je proveden systematicky a s využitím odpovídajících výpočtových a konstrukčních postupů. Poněkud zjednodušeně je přistoupeno k analýze kritických otáček a jejich kontroly pro stanovené provozní otáčky rotorů jednotlivých těles.

Za výrazné pozitivum lze považovat velmi kvalitní grafické zpracování výsledků a konstrukčního návrhu systému pomocí 3D modelu, které výrazně zvyšuje názornost a vypovídající hodnotu práce.

Autor práce splnil všechny zadané cíle. Pro spolupracující firmu je práce přínosem vzhledem k aktuálnímu trendu v energetice a může sloužit jako jeden ze stavebních kamenů pro další vývoj a rozvoj aplikací CAES ve firmě Siemens Energy. Práce působí uceleným a profesionálním dojmem a svědčí o dobré orientaci autora v řešené problematice. Celkově hodnotím práci jako nadprůměrnou s celkovým hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. 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
Topics for thesis defence:
  1. Autor práce zvolil akční lopatkování expanzní turbíny. Mohl by stručně vysvětlit hlavní rozdíly mezi akčním a reakčním lopatkováním, odhadnout dopad použití reakčního lopatkování na účinnost v dané aplikaci a objasnit hlavní přednosti akčního lopatkování pro systém CAES?
  2. Dokázal by autor posoudit rozdíl v celkové účinnosti systému mezi provozem s plynulým poklesem tlaku v zásobníku (a na vstupu do turbíny) a provozem, kdy je vstupní tlak do turbíny udržován škrcením? Jaké jsou hlavní zdroje ztrát v obou případech?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová