Techno-economic pricing model for carbon neutral fuels for seasonal energy storage
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2022-01-24
Department
Major/Subject
Energy Engineering
Mcode
Degree programme
Nordic Master Programme in Innovative and Sustainable Energy Engineering (ISEE)
Language
en
Pages
96
Series
Abstract
Green hydrogen produced through electrolysis of excess renewable energy is a promising seasonal energy storage solution with the potential to decarbonize the energy sector. However, it has physical properties that make it difficult to store and transport on a large scale for grid scale storage applications. An alternative to storing excess renewable energy in hydrogen is converting the hydrogen to synthetic fuel that has an industrially mature production process and an established transportation, storage and distribution infrastructure. This study aims to conduct a feasibility analysis to compare the cost and compatibility of green hydrogen, ammonia, methane and methanol as seasonal energy storage. The production of each fuel and the barriers to their commercialization as energy vectors is discussed. The hydrogen storage technologies holding the most potential are identified as salt cavern and lined rock cavern storage however type I-IV pressure vessel storage is also included in the analysis due to its prevalence within the industry The outcome of the study is a conceptual model calculating the levelized cost of storage of each fuel considering the storage system size, compression energy required and annualized CAPEX and OPEX of compression and storage. Three cases are developed to analyse the storage system, A- seasonal discharging, B-weekly discharging and C- daily discharging. The results identify that the most feasible seasonal storage option for hydrogen is utilizing a salt cavern. If building a salt cavern is infeasible due to geographical constraints, a lined rock cavern is more cost-effective as compared to utilizing pressure vessel storage. For shorter storage periods or smaller scale applications it is more beneficial to employ low pressure (200-300 bar) pressure vessel storage since geological storage becomes expensive as compared to the seasonal case. Low pressure storage is better suited for smaller applications as compression costs account for a significant share of the total annual cost of each storage system in the weekly and daily cases. The most suitable hydrogen storage option is highly dependent on the end use application. Overall, methanol storage provided the lowest levelized cost of storage in all scenarios.Ylimääräisen uusiutuvan energian elektrolyysillä tuotettu vihreä vety on lupaava kausiluonteinen energian varastointiratkaisu, joka voi vähentää energiasektorin hiilestä. Sillä on kuitenkin fysikaalisia ominaisuuksia, jotka vaikeuttavat sen varastoimista ja kuljettamista suuressa mittakaavassa verkkomittakaavassa varastointisovelluksissa. Vaihtoehto ylimääräisen uusiutuvan energian varastoimiselle vedyssä on vedyn muuttaminen synteettiseksi polttoaineeksi, jolla on teollisesti kypsä tuotantoprosessi ja vakiintunut kuljetus-, varastointi- ja jakeluinfrastruktuuri. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tehdä toteutettavuusanalyysi, jolla verrataan vihreän vedyn, ammoniakin, metaanin ja metanolin kustannuksia ja yhteensopivuutta kausittaisena energiavarastona. Tarkastellaan kunkin polttoaineen tuotantoa ja niiden kaupallistamisen esteitä energiavektoreina. Eniten potentiaalia sisältäviä vedyn varastointitekniikoita tunnistetaan suolaluolavarastoksiksi ja vuoratuiksi kallioluolavarastoksiksi, mutta myös tyypin I-IV paineastiavarastointi sisältyy analyysiin sen yleisyyden vuoksi teollisuudessa. Tutkimuksen tuloksena on käsitteellinen malli, jossa lasketaan kunkin polttoaineen varastoinnin tasokustannukset ottaen huomioon varastojärjestelmän koko, tarvittava puristusenergia sekä puristuksen ja varastoinnin vuosittaiset CAPEX ja OPEX. Varastointijärjestelmän analysointiin on kehitetty kolme koteloa: A-kausipurkaus, B-viikkopurkaus ja C-päivittäinen purkaminen. Tulokset osoittavat, että toteuttamiskelpoisin kausiluonteinen vedyn varastointivaihtoehto on suolaluolan hyödyntäminen. Jos suolaluolan rakentaminen ei ole mahdollista maantieteellisten rajoitusten vuoksi, vuorattu kallioluola on kustannustehokkaampi verrattuna paineastioiden varastointiin. Lyhyempiin varastointiaikoihin tai pienemmän mittakaavan sovelluksiin on edullisempaa käyttää matalapaineista (200-300 bar) paineastiavarastointia, koska geologinen varastointi tulee kalliiksi verrattuna kausiluonteiseen tapaukseen. Matalapainevarastointi soveltuu paremmin pienempiin sovelluksiin, koska pakkauskustannukset muodostavat merkittävän osan kunkin varastojärjestelmän vuosittaisista kokonaiskustannuksista viikoittain ja päivittäin. Sopivin vedyn varastointivaihtoehto riippuu suuresti loppukäyttösovelluksesta. Kaiken kaikkiaan metanolin varastointi tarjosi alhaisimmat varastointikustannukset kaikissa skenaarioissa.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Jokinen, MiikkaKeywords
hydrogen, seasonal storage, geological storage, carbon-neutral fuels