Transient modeling of large-scale hydrogen pipeline

Thumbnail Image

Files

master_Pakkanen_Atte_2025.pdf (2.21 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | 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

2025-04-25

Department

Major/Subject

Energy Systems and Markets

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions

Language

en

Pages

49

Series

Abstract

Creating an efficient and safe transportation system for large-volume hydrogen is one of the key enabling steps for the worldwide move to a hydrogen-based energy infrastructure. With global decarbonization goals increasing, hydrogen is being seen as a vital part of future low carbon energy networks because of its high gravimetric energy density and its capability to be produced from renewable sources. However, the safe transportation of hydrogen is a particular hurdle due to its special characteristics of physical and chemical properties regarding pressure, temperature and flow mechanics. The objective of this thesis is to study transient characteristics of hydrogen transportation through pipelines using one-dimensional hydrogen flow simulation, including temperature and pressure changes, flow pattern transition, and the transient behaviors. Particular emphasis is given to operating conditions which impact on transportation efficiency, such as the mass flow perturbations, leakages, and burst in the pipeline system. These considerations are of particular importance given hydrogen’s low volumetric energy density, the susceptibility of materials to embrittlement when in contact with hydrogen, and its high diffusivity, which pose challenges for storage and monitoring. The simulation will be presented using Aspen HYSYS which will help to shed light on the complexities of hydrogen pipeline operations. The model is validated with available empirical data and used in a case study of long-distance hydrogen transportation. These findings will help identify optimal operational strategies, pressure regulation techniques, and system design parameters for hydrogen transport systems to achieve better stability and efficiency. The results help with the larger goal of incorporating hydrogen into energy markets of the future, safely and affordably operating pipelines. In the end, the study will assist in the realization of robust hydrogen infrastructure to reveal dynamic flow features, to inform safety, and to promote cost-effective pipeline transportation. The results obtained can also be used as input to prepare for future hydrogen integration in energy markets, which can contribute to flexibilization and stabilization of renewable-based power systems.

Tulevaisuuden vetytalouden turvallinen ja tehokas kehittäminen on avaintekijä hiilineutraaleina haastemielisinä tavoitteena. Vedyn energian tunnusmerkin ansiosta se on erinomainen vaihtoehto fossiiliselle polttoaineelle. Turvallinen kuljetus tuo kuitenkin mukanaan monia uusia ajankohtaisia kysymyksiä fyysisten ominaisuuksien ja keamiallisten ominaisuuksien suhteen, jotka liittyvät paineeseen, voimaan ja lämpötilaan. Opinnäytetyö on laadittu vedyn kuljetuksen ohimenevien ominaisuuksien tutkimiseksi putkilinjojen läpi käyttämällä eri parametrejä yksiulotteisessa vedyn virtaussimulaatiossa, mukaan lukien lämpötilan ja paineen muutokset, virtauskuvion muutos ja transienttikäyttäytymiset. Opinnäytetyö on painotuksella käyttöolosuhteisiin, jotka vaikuttavat kuljetustehokkuuteen, kuten massavirtaushäiriöt, vuodot ja putkiston halkeamat. Nämä parametrit tulee ottaa huomioon vedyn alhainen tilavuusenergiatiheys, herkkyys materiaalihaurastumiselle vedyn kanssa kosketuksiin joutuessaan sekä korkea diffuusio, mikä vaikuttaa varastointiin ja seurantaan. Simulaatio suoritetaan Aspen HYSYS -sovelluksella, mikä voi valaista tehokkaasti vetyputkiston toiminnan monimutkainen luonne. Malli on validoitu saatavilla olevilla empiirisellä tiedolla ja sitä on käytetty vedyn pitkän matkan kuljetusten tapaustutkimuksessa. Nämä havainnot auttavat tunnistamaan optimaaliset toimintastrategiat, paineensäätötekniikat ja järjestelmän suunnitteluparametrit vedynsiirtojärjestelmille paremman vakauden ja tehokkuuden saavuttamiseksi. Tulokset auttavat saavuttamaan laajemman sisällyttämistavoitteen vedyn tulevaisuuden energiamarkkinoille, turvallisesti ja edullisesti toimivia putkistoja. Loppujen lopuksi tutkimus auttaa toteuttamaan vankan vetyinfrastruktuurin, joka paljastaa transientit virtausominaisuudet, tiedottaa turvallisuudesta ja edistää kustannustehokasta putkikuljetusta. Saatuja tuloksia voidaan käyttää myös valmistettaessa tulevaa vetyintegraatiota energiamarkkinoilla, mikä voi osaltaan joustaa ja stabiloida uusiutuvaan energiaan perustuvia sähköjärjestelmiä.

Description

Supervisor

Järvinen, Mika

Thesis advisor

Vuorinen, Ville

Keywords

hydrogen, pipeline, renewable energy, simulation, modeling, aspen HYSYS

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505203893

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC