The modelling and optimization of hydrogen storage as a part of power-to-x supply chain

Abstract

Currently the nations are striving to reduce their emissions to decarbonize their industry, electricity & heat production, mobility and aviation which are the main source of all emissions globally. In EU countries a commitment has been made to reduce the emissions to 55% by 2030 and reach climate neutrality by 2050. Almost all major parties including US and China, have included hydrogen economy to their toolbox as hydrogen can be produced renewably from water via electrolysis producing zero emissions and has universally wide range of applications for the mentioned sectors. However, renewable hydrogen production, processing and storage are still rather difficult due to costs being expensive when compared to comparable fossil chain. Therefore, more research, investments and support are needed to make the technology compatible with other technologies.

In this master’s thesis these issues were covered by extensive literature review and research considering techno-economic performance of power-to-x systems was carried out for hydrogen production methods specifically electrolysis technologies, hydrogen compression, hydrogen storage methods, transportation and distribution but also the end use applications. Additionally, comparison analysis was carried out through the thesis. In the second part the most well-known method of hydrogen storage, namely the gaseous hydrogen tank storage was separately evaluated as a part of e-methanol production plant by modelling the hydrogen compression and storage costs and then conducting an optimization. For 100-800 bar storage pressure the total levelized costs were calculated to be around 0,065-11,27 €/kgH2 where compression costs were more dominant in shorter storage durations and lower capacities but overpowered by storage costs in longer durations and higher capacities. In shorter durations and capacities optimal pressure sat at <100 bar but at higher capacities and duration optimal pressure went up to ≤520 bar depending on the case. The optimized costs for the example case went somewhat in line with the values from the literature validating the results.

Tällä hetkellä valtiot tavoittelevat tavoitteellisesti päästöjensä vähentämistä teollisuudessa, sähkön- ja lämmöntuotannossa sekä liikenteessä ja ilmailussa, jotka ovatkin suurimmat päästöjen lähteet maailmanlaajuisesti. EU maissa on sitouduttu päästöjen vähentämiseen 55 % vuoteen 2030 ja hiilineutraaliuteen vuoteen 2050 mennessä. Kaikki isoimmat toimijat mukaan lukien Yhdysvallat ja Kiina ovat ottaneet vetytalouden työkalupakkiinsa, sillä vetyä voi tuottaa uusiutuvasti vedestä elektrolyysin avulla ilman päästöjä ja sillä on laajat sovellukset edellä mainituilla sektoreilla. Uusituvan vedyn tuotanto, käsittely ja varastointi on haasteellista ja kallista verrattuna vastaaviin fossiilisiin tuotantoketjuihin mikä viittaa tutkimuksen, investointien ja tuen tarpeeseen kilpailukyvyn parantamiseksi.

Tässä diplomityössä pureudutaan kyseisiin haasteisiin tutkimalla uusiutuvan vedyn tuotantoa erityisesti elektrolyysiä, vedyn kompressointia, vedyn varastointi menetelmiä, kuljetusta ja jakelua sekä loppusovelluksia laajalla kirjallisuusselvityksellä ja analyysillä teknoekonomisesta näkökulmasta vertailemalla eri vaihtoehtoja. Työn toisessa osassa tunnetuinta vedyn varastointi menetelmää, kaasumaisen vedyn painesäiliö varastoa, arvioitiin erikseen osana e-metanolin tuotantolaitosta mallintamalla ja optimoimalla kompressoinnin ja varastoinnin kustannuksia. 100–800 bar painetasolle tasatut kokonaiskustannukset asettuivat välille 0,065–11,27 €/kgH2, joissa kompressoinnin osuus oli hallitsevampi lyhyemmillä varastointi jaksoilla ja kapasiteeteilla, kun taas varastointikustannukset nousivat merkittävimmiksi pitkillä varastointi jaksoilla ja suuremmilla kapasiteeteilla. Lyhyemmillä varastointijaksoilla ja pienemmillä kapasiteeteilla optimaalinen paine taso jäi selkeästi alle 100 bar verrattuna vastakkaiseen asetteluun, joissa optimaalinen paine nousi aina 520 bar asti. Esimerkki tarkastelulle optimoitu hinta asettui, jota kuinkin linjaan kirjallisuudesta löytyvien arvojen kanssa vahvistaen saadut tulokset.