Cost optimization of power-to-methane process with dynamic modelling
| dc.contributor | Aalto-yliopisto | fi |
| dc.contributor | Aalto University | en |
| dc.contributor.advisor | Karimäki, Henri | |
| dc.contributor.advisor | Piispa, Juho | |
| dc.contributor.author | Konttila, Elisa | |
| dc.contributor.school | Kemian tekniikan korkeakoulu | fi |
| dc.contributor.supervisor | Santasalo-Aarnio, Annukka | |
| dc.date.accessioned | 2022-08-28T17:08:48Z | |
| dc.date.available | 2022-08-28T17:08:48Z | |
| dc.date.issued | 2022-08-22 | |
| dc.description.abstract | Two major crisis, climate change and Russian war on Ukraine, disturb the stability of the current energy system. Alternative fuels must be developed to limit the global warming and to ensure the energy security in European countries. Synthetic natural gas (SNG) can respond to these needs because of its renewable origin and its properties that match the ones of fossil natural gas. Because of the increasing amount of fluctuating renewable energy, demand response will play a large role in the future energy system. Therefore, it is important to study the dynamic properties of the production of SNG, process called Power-to-Methane, and if the process could adjust its load according to electricity prices. In this thesis, the dynamic capabilities of Power-to-Methane were reviewed, as well as the requirements that must be fulfilled in order to the participate to demand response. It was concluded that electrolysers have the best dynamic properties of the process components and are able to participate to most of the market places in the Finnish electricity system. A Simulink model was created to study the optimal dynamic operation method of the electrolyser with regards to decreasing electricity costs of the operation. In addition, an optimal intermediate hydrogen storage size was found with which the total costs of the process were the lowest. The optimal storage size was 3100 or 4650 kg depending on the electricity price scenario that was modelled. The results of the economic analysis show that the costs of the process can be significantly reduced with dynamic operation when electricity is bought with spot market prices. However, current electricity prices are too high to be able to profit from the production even with dynamic operation. When electricity prices from the beginning of 2021 were utilized, the production was profitable. The most profitable process was achieved with steady operation with average PPA-price from Finland. Dynamic operation with the most fluctuating electricity prices resulted in the largest cost reductions. When increasing the share of renewable electricity, the prices evolve to be cheaper and more volatile due to the low generation cost and intermittent nature of renewable energy. Therefore, dynamic operation can be a more cost-effective method to produce SNG in the future. Additionally, increasing natural gas prices contribute to this process becoming more feasible. | en |
| dc.description.abstract | Kaksi merkittävää kriisiä, ilmastonmuutos ja Venäjän sota Ukrainaa vastaan, horjuttavat nykyisen energiajärjestelmän vakautta. Vaihtoehtoisia uusiutuvia polttoaineita on kehitettävä ilmaston lämpenemisen rajoittamiseksi ja Euroopan maiden energiavarmuuden varmistamiseksi. Synteettinen maakaasu (SNG) voi vastata näihin tarpeisiin uusiutuvan alkuperänsä ja maakaasua vastaavien ominaisuuksien vuoksi. Kysyntäjoustolla tulee olemaan suuri rooli tulevaisuuden energiajärjestelmässä uusiutuvan energian määrän lisääntymisen vuoksi. Sen vuoksi on tärkeää tutkia SNG:n tuotannon, Power-to-Methane prosessin, dynaamisia ominaisuuksia ja sitä, voisiko prosessin kuormaa säätää sähkön hinnan mukaan. Tässä diplomityössä tarkasteltiin mahdollisuuksia operoida Power-to-Methane prosessia dynaamisesti sekä vaatimuksia, jotka on täytettävä, jotta se voi osallistua kysyntäjoustoon. Todettiin, että elektrolyysereillä on parhaat dynaamiset ominaisuudet prosessikomponenteista ja ne pystyvät osallistumaan suurimmalle osalle Suomen sähköjärjestelmän markkinapaikoista. Simulink-mallilla tutkittiin elektrolyysilaitteen optimaalista dynaamista ajotapaa prosessin sähkökustannusten alentamiseksi. Lisäksi löydettiin optimaalinen välivarastokoko, jolla prosessin kokonaiskustannukset olivat alhaisimmat. Optimaalinen varastokoko oli 3100 tai 4650 kg riippuen mallinnetusta sähkön hintaskenaariosta. Taloudellisen analyysin tulokset osoittavat, että prosessin kustannuksia voidaan merkittävästi alentaa dynaamisella ajotavalla, kun sähköä ostetaan spot-markkinahinnoilla. Nykyiset sähkön hinnat ovat kuitenkin liian korkeat, jotta tuotanto olisi kannattavaa edes dynaamisella operointitavalla. Tuotanto oli kannattavaa, kun 2021 alun sähköhintoja hyödynnettiin. Kannattavin prosessi saavutettiin tasaisella operoinnilla Suomen keskimääräisellä PPA-hinnalla. Dynaaminen operointitapa tiheimmillä sähkön hinnanvaihteluilla johti suurimpiin kustannussäästöihin. Sähkön hinnat tulevat tulevaisuudessa muuttumaan halvemmiksi ja epäsäännöllisimmiksi uusiutuvan energian alhaisten tuotantokustannusten ja ajoittaisen luonteen vuoksi. Siksi dynaaminen ajotapa voi tulevaisuudessa olla kustannustehokkaampi tapa tuottaa SNG:tä. Myös maakaasun korkealle nousseet hinnat edesauttavat prosessin kehitystä kannattavammaksi. | fi |
| dc.format.extent | 107 | |
| dc.format.mimetype | application/pdf | en |
| dc.identifier.uri | https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/116297 | |
| dc.identifier.urn | URN:NBN:fi:aalto-202208285111 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.location | PK | fi |
| dc.programme | Master’s Programme in Advanced Energy solutions (AAE) | fi |
| dc.programme.major | Industrial Energy Processes and Sustainability | fi |
| dc.programme.mcode | CHEM3044 | fi |
| dc.subject.keyword | power-to-methane | en |
| dc.subject.keyword | dynamic modelling | en |
| dc.subject.keyword | demand response | en |
| dc.subject.keyword | electrolyser | en |
| dc.subject.keyword | hydrogen storage | en |
| dc.subject.keyword | Simulink | en |
| dc.title | Cost optimization of power-to-methane process with dynamic modelling | en |
| dc.title | Power-to-methane prosessin kuluoptimointi dynaamisella mallinnuksella | fi |
| dc.type | G2 Pro gradu, diplomityö | fi |
| dc.type.ontasot | Master's thesis | en |
| dc.type.ontasot | Diplomityö | fi |
| local.aalto.electroniconly | yes | |
| local.aalto.openaccess | yes |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
- Name:
- master_Konttila_Elisa_2022.pdf
- Size:
- 4.52 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
