Master's Thesis

Impact assessment of the use of hydrogen-enriched natural gas

Final Thesis 3.76 MB

Author of thesis: Ing. Tomáš Galík

Acad. year: 2020/2021

Supervisor: doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D.

Abstract:

The Master’s thesis reviews the topic of hydrogen in within European and Czech energy industry. Hydrogen’s usage in gas industry, heating industry and power engineering may play a significant role in meeting European Union’s ambitious goals aiming to reduce emission production. This work identifies specifications of technologies used to produce, transport, and use of hydrogen and their impact on today’s energy systems and safety. The technical, economic, and political context is emphasized.

The technical part covers the topic of injecting hydrogen into natural gas and it’s impact on physico-chemical properties of gas. The work analyses concentrations of 0, 5, 10, 15, 20 and 25 molar percent of hydrogen in real composition of natural gas measured on a handover point of transition system. Furthermore, calculations for these mixtures have been done to determine a change in characteristics of a heat exchanger. The results show, that with higher concentrations of hydrogen, the power of heat exchanger rises, while the power of a burner decreases due to lower calorific value of gas mixture.

The last chapter follows up on a economical analysis of fuel and emission allowance costs for above-mentioned concentrations of hydrogen in gas mixture. Specific values of combined cycle gas plant Počerady from year 2019 were used for calculations. The results show, that in all of the three considered scenarios of emission allowance price predictions, replacing hydrogen with natural gas did not have a positive economic impact.

Keywords:

Hydrogen, fuel cell, electrolysis, hydrogen combustion, emission allowance

Date of defence

15.06.2021

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

V průběhu obhajoby byly položeny tyto doplňující otázky: Způsoby výroby vodíku. Byla v práci uvažována produkce NOx? Byla počítána teplota nechlazeného plamene? Jaká je výhřevnost vodíku? Proč bylo vyhodnoceno, že se spalování směsi zemního plynu a vodíku oproti spalování pouze zemního plynu nevyplatí? Otázky byly uspokojivě zodpovězeny.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Power Engineering (M-ENI)

Composition of Committee

doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. (předseda)
doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Pavel Milčák, Ph.D. (člen)
Ing. Alojz Boko (člen)
Ing. Pavel Křemínský (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D.

Student Bc. Tomáš Galík se v předložené diplomové práci věnuje změnám, které přinese případné obohacování zemního plynu vodíkem, a to až do výše 25 % obsahu vodíku. Student postupně prochází změnami v energetické oblasti, zejména s důrazem na nástup obnovitelných zdrojů, potřebnou akumulaci a získávání vodíku a nakládání s ním. Dále rozebírá změnu vlastnosti směsného plynu a dopady na konkrétní vlastnosti, včetně změny na výměníku či v hořáku.
Práce je velmi zdařilá, v některých místech by mohla být více podrobná či dopracovaná, to ale příliš nesnižuje její kvalitu. Grafická a stylistická stránka je na dobré úrovni, překlepů a chyb je přiměřeně délce a typu práce.
Student pracoval samostatně, využíval konzultace. Jako vedoucí diplomové práce práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou A/výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Práce je věnována problematice obohacování zemního plynu vodíkem a z toho plynoucích změn pro spalovací proces a související technické komponenty. První polovinu práce tvoří zdařilá a informačně hodnotná rešerše zahrnující informace o trendech a závazcích energetického sektoru v ČR a EU. Následně je uveden stav využívání OZE v ČR a aktuální trendy. Navazuje rozsáhlá kapitola o principech a řešeních akumulace energie. Až do tohoto místa práce se jedná o rešeršní zpracování, které považuji za zdařilé, ale nebylo vymezeno v zadání práce mezi cíli práce. Čistě vodíku a jeho příměsi v zemním plynu se práce zabývá od kapitoly 4. Korektně a zajímavě jsou uvedena technická zařízení a prvky infrastruktury pro využívání vodíku. Tuto část práce chválím za aktuálnost a prokazuje, že student umí vyhledávat potřebné informace v literárních zdrojích a následně dokáže popis věcně formulovat. Práce se dále zabývá změnou vlastností směsi vodíku a zemního plynu při zvyšování koncentrace vodíku. Navazuje kapitola věnovaná stechiometrickým propočtům směsi s maximální podílem vodíku do 20%. Tyto kapitoly jsou v porovnání s rešeršní částí méně obsáhlé, což ale vychází z jejich podstaty. Následná kapitola zahrnuje parametrickou studii sledující přenášený tepelný výkon výměníku zapojených na spalinách směsi zemní plyn a vodík. Ve spojení s vypočteným výkonem hořáku pracujícím s uvedenou směsí řešení poskytuje odpověď na otázku „Jaké změny přinese mísení vodíku do zemního plynu pro spalovací proces“. Poslední kapitola je nákladově-technickou analýzou podmínek provozu Elektrárny Počerady. Analýza se zdá být provedena pečlivě a korektně. Vzhledem k značně proměnlivým tržní podmínkám musí být její výsledky hodnoceny ve vztahu k období zpracování práce.
Práci považuji z kvalitně zpracovanou. Student prokázal, že dokáže využít znalostí nabytých v průběhu studia a řešit zadané téma. Úvodní rešeršní část je rozsahem nad rámec zadání a mohla být zpracována stručněji. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Tab. 22 - Komentujte změnu hodnoty jednotlivých vypočtených součinitelů přestupu tepla se vzrůstajícím podílem vodíku v palivové směsi. Zaměřte se na jejich příspěvek ke změně tepleného výkonu výměníku.
  2. Na základě čeho je ve výpočtu výměníku zvolen Stupeň černosti povrchu stěn 0,8? Komentujte jakých hodnot tento součinitel může ve výměnících a kotlích nabývat.
  3. Ovlivňuje přidané množství vodíku v palivové směsi Součinitel černosti proudu spalin?
Display more

Grade proposed by reviewer: B