The diploma thesis is focusing on the seasonal energy storage in synthetic fuels and the Power to Gas system (P2G). The P2G enables the conversion of electrical energy in times of electricity surplus, for example by using the surplus from renewable energy sources to produce synthetic gas, particulary hydrogen and synthetic methane. The main focus is on the technical and economic assessment of P2G of the Gazela natural gas pipeline. Furthermore, it identifies the limits of production, transportation, and storage capacities of these synthetic gases. The technical analysis assumes the injection of hydrogen of a certain molar concentration, according to the four proposed scenarios, into the natural gas transmission system in the Gazela pipeline. The results have showen that an increase in the molar fraction of hydrogen in natural gas will cause problems in gas transport and will lead to an increase in the pressure losses, an increase in flow rate, and a decrease in the storage capacity of the pipeline. The economic analysis examines the use of P2G technology in Czech conditions. It demonstrates the amount of production costs for the production of 1 MWh of synthetic gas depending on the electricity price and the operating time of the production facility. The sensitivity analysis has shown that neither hydrogen nor synthetic methane is competitive next to cheap natural gas unless measures like an increased price of emission allowances or a carbon tax are taken.

Im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit wurden eisenbasierte Katalysatoren für die CO2-Methanisierung untersucht. Die Katalysatoren weisen unter Synthesegasbedingungen dynamische und komplexe Strukturänderungen auf, wobei unterschiedliche Kohlenstoffspezies maßgeblich die Aktivität beeinflussen. In diesem Zusammenhang wird ein Reaktionsmodell erstellt, das die Relevanz amorpher Oberflächenkohlenstoffstrukturen als aktive Spezies während der CO2-Hydrierung zu CH4 belegt. Deren Bildung wird maßgeblich durch das Reduktionsverhalten und die Oberflächenacidität der Eisenkatalysatoren bestimmt. Zudem kommt es während der Methanisierung zur Entstehung von Eisencarbiden und graphitähnlichen Kohlenstoffablagerungen. Letztere tragen zum mechanischen Aufbrechen der Katalysatorpartikel bei, was zum einen die Aktivität der carbidischen Einheiten erhöht und zum anderen die Langzeitstabilität limitiert. Basierend auf der wissensbasierten Optimierung der Betriebsbedingungen stellt die H2/CO-Aktivierung eine vielversprechende Vorbehandlungsprozedur dar, was schließlich zur maximalen CH4-Ausbeute von 81% führt, die nahe an der Aktivität konventioneller Nickelkatalysatoren liegt. Zudem weisen Eisenkatalysatoren eine signifikant höhere H2S-Resistenz als nickelbasierte Katalysatoren auf.

Alltmer intermittent elkraft byggs idag i Sverige för att öka andelen förnybar el i energisystemet. Detta leder till mer ojämn elproduktion, vilket skapar problem i form av mer volatila och oförutsägbara elpriser. Ett sätt att dämpa effekten av den ökande intermittenta kraften är att använda förnybar vätgasproduktion som lastutjämning. På detta sätt kan vätgasen potentiellt bli en viktig del i den fossilfria energimixen. Att använda vätgas som energilager i en Power-to-Power-applikation (P2P) möjliggör även utnyttjandet av prisarbitrage på elmarknaden. Ett ökat klimatfokus har återuppväckt intresset för hur vätgasproduktion kan göras lönsamt. Några tecken på att satsningar sker är att flera länder satsar stora pengar på vätgastekniker och infrastruktur, där flertalet samarbeten över nationella gränser har etablerats.Denna studie syftar till att undersöka de tekno-ekonomiska förutsättningarna för produktion av förnybar vätgas där lönsamheten av arbitragehandel på elmarknaden Elspot bedöms. Detta innefattar en gedigen granskning av kommersiella tekniker lämpade för Linköpings energisystem, däribland elektrolys, ångreformering och bränslecell. Tre fall konstruerades med olika uppsättningar av ingående komponenter. Sedan utfördes en driftoptimering som tog fram övre och undre prisgränser för produktion respektive konvertering av vätgas mot spotpriset. Optimeringsverktyget Problemlösaren i Excel användes för att få fram dessa gränser. Visual Basic (VBA) användes sedan för att genomföra en lagersimulering som visualiserar lagersaldot för alla årets timmar. För att få fram kostnaden för varje kilogram producerad vätgas användes nuvärdesberäkningen Levelised Cost of Energy (LCOE), vilket även underlättade jämförelsen av de tre fallen. Vilka effekter i form av växthusgasutsläpp de olika anläggningarna medför utvärderades också genom beräkningssättet konsekvensanalys. Där jämfördes effekten i form av nettoutsläpp i koldioxidekvivalenter för integrering av respektive anläggning. Resultaten visar på att det finns kommersiella tekniker som kan integreras med det befintliga energisystemet på ett resurseffektivt sätt, däremot är de ekonomiska förutsättningarna inte lika bra och P2P-lösningarna är idag långt ifrån lönsamma. Anledningen tros vara en kombination av otillräckliga elprisfluktuationer samt låg total systemverkningsgrad (som högst 14%) för samtliga konstruerade fall. De årliga intäkterna från elförsäljningen motsvarar cirka 1 procent av de årliga kostnaderna för anläggningen, och LCOE landade på cirka 1500 kronor. Resultaten från investeringskalkyleringen visar på att en högre utnyttjandegrad leder till en lägre LCOE. Lagersimuleringen visar på att säsongslagring krävs för denna typ av anläggning då fluktuationerna inte är tillräcklig stora på en daglig, veckovis eller månatlig basis. Känslighetsanalys på LCOE och driftoptimeringen visar inte heller på lönsamhetsmöjligheter i P2P-fallen även vid gynnsamma justeringar på parametrarna investeringskostnad, elpris och verkningsgrad. Ur ett klimatperspektiv visar samtliga fall, med ett undantag, på en minskade växthusgasutsläpp i regionen.  Slutsatsen som dras av resultaten från fallstudien är att, trots goda tekniska förutsättningar och positiv inverkan på lokala växthusgasutsläpp, kan en P2P-applikation med vätgaslagring inte göras lönsam i en svensk kontext inom en nära framtid. Däremot visar ett Power-to-Gas-fall potential för lönsamhet, då dess investeringskostnad är mindre samt att systemverkningsgraden är högre. / More and more intermittent electric power is being built in Sweden today to increase the share of renewable electricity in the energy system. This leads to more uneven electricity generation, which creates problems in terms of more volatile and unpredictable electricity prices. One way to dampen the effect of the increasing intermittent power is to use renewable hydrogen production as load shedding. In this way, the hydrogen gas can potentially become an important part of the fossil-free energy mix. Using hydrogen as energy storage in a Power-to-Power application (P2P) also enables the use of price arbitrage in the electricity market. An increased climate focus has rekindled interest in how hydrogen production can be made profitable. Some signs that investments are taking place are that several countries are investing big money on hydrogen technologies and infrastructure, and collaborations across national borders have been established. This study aims to investigate the techno-economic prerequisites for renewable hydrogen production where the profitability of arbitrage on the Elspot market is explored. This comprises a thorough investigation of commercial technologies suited for Linköping’s energy system. Three cases where constructed with different component constellations. Then the operational strategy was optimised which generated a lower and upper price limit for production and conversion of hydrogen with input price data from Elspot. The optimisation tool in Excel was used in order to obtain these price limits. Visual Basic (VBA) was then used for storage simulation in order to get a perception of the storage development through all the hours of the year. The cost of every kilogram of hydrogen produced was then calculated through Levelized Cost of Energy (LCOE), which made the comparison of the three cases easier. The resulting greenhouse gas emissions when integrating the facilities in each case were also evaluated with a so-called impact analysis. The effect was compared in net emissions in carbon dioxide equivalents for an integration of each facility.     The results show that there are commercial technologies that can be integrated with the existing energy system in a resource efficient manner, whereas the economic prerequisites are not as good, where today’s Power-to-Power (P2P) solutions are not profitable. The reason seems to be the combination of insufficient spot price fluctuations and a low system efficiency (14% at best) for each case. The annual revenues correspond to 1 percent of the annual costs and that LCOE lands at about 1500 SEK. A higher utilization percentage of the plant shows a lower LCOE in the investment calculation. The storage simulation indicates that a seasonal storage is needed for this type of facility because of that the spot price fluctuations are not big enough on a daily, weekly or monthly basis. The sensitivity analysis made on the investment calculation and operational strategy also shows that there is no profitability in the P2P cases where parameters regarding investment cost, efficiency and electricity price were set optimistically. The Power-to-Gas case on the other hand shows potential for profitability, all because of lower total investment costs and higher efficiency. All cases except the case with steam methane reforming shows reductions in greenhouse gas emissions when integrated in the regional energy system.   The conclusion that can be drawn from the results in the case study is that, in spite of good technological prerequisites and a positive effect on local greenhouse gas emissions, a P2P-application with hydrogen storage cannot be made profitable in a Swedish context in the near future. However, a Power-to-Gas case shows potential for profitability because of its lesser investment cost and that the system efficiency is higher.

Master thesis discusses the growing need of electric energy storage and its effectivity and capacity. It describes an overview of possible technologies with their advantages and disadvantages. Greater attention is paid to the storage of energy in gas, so-called Power to Gas, which combines the electrolytic production of hydrogen from water and the Sabatier reaction to produce synthetic methane. This technology is introduced in the so-called SIT Brno cycle of Siemens Industrial Turbomachinery company. The main part of the thesis is focused on the description of this cycle and on the calculation of the steam-gas turbine (high-pressure and low pressure module). This thesis describes the methodology of turbine calculation and the composition of the steam gas mixture after combustion of methane. The carbon dioxide formed by combustion in the steam-gas mixture generator was replaced by steam. Part of the diploma thesis are drawings of cross-section of individual turbine modules.

Carbon dioxide from biogas production is currently considered to be without value and isbecause of this released into the atmosphere in the biogas upgrading process. The residualgas is a potential carbon source and can create value in the biogas manufacturing process.By finding a suitable value-creating process that utilizes carbon dioxide, it can be possibleto provide both economic and environmental incentives for companies to develop theiroperations. This project explored the possibility to create value from this CO2. Through anevaluation of the technical maturity of CCU technologies, a recommendation could be givenat the end of the project. An analysis of technical barriers, such as pollutants in the gas, aswell as barriers in the form of competence and corporate culture were examined in orderto provide a reasoned recommendation. The project mapped which value-creating systemswould be suitable for biogas producers in a Swedish context. This included established methaneand carbon dioxide upgrading techniques currently in use and suitable CCU techniquesthat can interact with the selected upgrading processes and serve as value creators. Based onthis survey, it was then possible to identify common, critical variables for these systems. Thereafter,a recommendation of an appropriate CCU technology could be given depending onthe CO2 composition produced. One conclusion from the study was that carbon dioxide concentrationsfrom the residual gas was often high (approx. 97-98 %) and did not contain anycorrosive or toxic components, and that this largely depends on how the digestion reactor ishandled in the production process. Thus, questions were raised about what the actual limitationsof the CCU are, as they did not seem to be technical. CCU techniques that proved to beof particular interest were pH regulation of sewage plants, CO2 as a nutrient substrate for thecultivation of microalgae, and manufacturing of dry-ice for refrigerated transports. All of thesetechnologies currently have a sufficiently high degree of technical maturity to be installedalready today. Other CCU techniques, such as "’Power to gas”, require a high CO2 concentrationand were discarded as the literature review did not suggest the economic potential forthem as they require additional CO2 upgrading steps. Instead, CCU techniques were chosenthat could be implemented directly with the existing CO2 quality. Furthermore, it was concludedthat one reason why CCU technologies have not been widely implemented is internalbarriers between distributors and manufacturers (or users) of CCU technologies. Thus, theuse of carbon dioxide from biogas production and implementation of CCU technologies canbe promoted by eliminating barriers in companies, such as a lack of both knowledge andfinancial incentives. / Koldioxid från biogasproduktion betraktas i dagsläget som utan värde och släpps ut i atmosfärenvid uppgradering av biogas. Restgasen är en potentiell kolkälla och kan vara värdeskapandeför biogasprocessen. Genom att finna en lämplig värdeskapande process som utnyttjarkoldioxid går det att ge både ekonomiska och miljömässiga incitament till företag att utvecklasin verksamhet. I detta projekt undersöktes möjligheten att skapa värde av denna CO2.Genom en utvärdering av den tekniska mognadsgraden hos CCU-tekniker kunde en rekommendationges vid projektets slut. En analys av tekniska hinder, såsom föroreningar i gassammansättningen,såväl som hinder i form av kompetens och företagskultur undersöktes för attkunna ge en motiverad rekommendation. I projektet kartlades vilka värdeskapande systemsom skulle passa för biogasproducenter i en svensk kontext. Detta inkluderade etableradeuppgraderingstekniker för metan- och koldioxid som används i dagsläget. I projektet undersöktesäven lämpliga CCU-tekniker som kan samverka med de valda uppgraderingsprocessernaoch och agera värdeskapande. Utifrån denna kartläggning kunde det sedan anges vilkagemensamma, kritiska variabler som finns för dessa system. Därefter kunde en rekommendationav lämplig CCU-teknik ges beroende på den producerade CO2 sammansättningen. Enslutsats i projektet var att koldioxid från restgasen ofta var av hög koncentration (ca. 97-98 %)och ej innehöll några korrosiva eller toxiska komponenter, och att detta till stor del beror påhur rötkammaren är hanterad i produktionsprocessen. Således väcktes frågor kring vilka defaktiska begränsningarna för CCU är, då de inte torde vara tekniska. CCU-tekniker som visadesig vara av särskilt intresse var pH-reglering av avloppsverk, CO2 som näringssubstratför odling av mikroalger, samt tillverkning av kolsyreis för kyltransporter. Samtliga dessatekniker har tillräckligt hög teknisk mognadsgrad för att kunna installeras i dagsläget. AndraCCU-tekniker, såsom ”Power to gas”, kräver en hög CO2-koncentration och avfärdades dålitteraturstudien inte talade för den ekonomiska potentialen i dessa eftersom de kräver ytterligareuppgraderingssteg för CO2. Således valdes istället CCU-tekniker som skulle gå attimplementera direkt med den befintliga CO2 kvalitén. Vidare drogs slutsatsen att en anledningtill att CCU-tekniker inte har blivit vida implementerade till stor del är interna hindermellan distributörer och tillverkare (eller utnyttjare) av CCU-tekniker. Således kan användandetav koldioxid från biogasproduktion och implementering av CCU-tekniker främjasgenom att eliminera hinder hos företag. I projektet yttrade sig detta som bristande ekonomiskaincitament och okunskap. Ett ökat användande av CCU-tekniker kan också uppnås genomatt införa lagar och regler som begränsar användandet av föråldrade tekniker som drivs avfossila bränslen, och som kan ersättas av klimatvänliga CCU-tekniker.

Die langfristige Speicherung von überschüssiger Energie aus regenerativen Quellen ist ein ungelöstes Problem der Energiewende. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems bietet das Power-to-Gas-Konzept, bei dem Methan aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid als Ersatz für Erdgas erzeugt wird. Da diese Reaktion kinetisch limitiert ist, ist die Verwendung eines geeigneten heterogenen Katalysators erforderlich. Aufgrund ihrer hohen Aktivität und ihres niedrigen Preises werden häufig nickelhaltige Katalysatoren eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung von Fe-Ni-Hydrotalcit-basierten Katalysatoren für dieses Konzept untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Bestimmung der Abhängigkeit der katalytischen Aktivität vom Eisengehalt lag. Dabei zeigte sich, dass geringe Mengen an Eisen die Methanausbeute verbessern. Eine Erklärung für diese Aktivitätssteigerung liefern die Ergebnisse von in-situ-DRIFTS-Untersuchungen an eisenhaltigen und eisenfreien Ni-Hydrotalcit-Katalysatoren.