Power-to-X-to-Power in Combined Cycle Power Plants : A Techno-Economic Feasibility Study

• Main Author: Engstam, Linus
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) 2021
• Subjects: Power­to­X­to­power; Hydrogen; Ammonia; Combined cycle gas turbines; PEM electrolyzer; Technoeconomic analysis; Vätgas; Ammoniak; Gasturbiner; PEM elektrolysator; Teknoekonomisk analys; Engineering and Technology; Teknik och teknologier
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-303981

To support the large­scale integration of renewables in electricity grids, power­to­X­to­power (P2X2P) systems have been proposed. These systems serve to increase the flexibility of thermal power plants while potentially providing both economic and environmental benefits by allowing power from the plant to be redirected into an electrolyzer and converted to a gaseous energy carrier. In this study, the feasibility of a P2X2P system consisting of a combined cycle gas turbine (CCGT) power plant coupled with a PEM electrolyzer in the Italian power sector has been investigated. A dynamic technoeconomic model has been developed for both hydrogen and ammonia­based systems together with a profit maximizing dispatch strategy for operation in both day­-ahead and balancing electricity markets. As a part of this, a PEM electrolyzer model was also developed and validated against experimental data. Notable technical improvements were observed as a consequence of the implementation of a P2X2P system in the form of avoided shutdowns and a more even power output. However, any economic and environmental benefits of such improvements were not observed as the addition of the P2X2P system led to a reduction in net present value as well as higher specific emissions of carbon dioxide. When the gaseous energy carrier was utilized as fuel in the CCGT, similar technical performances were achieved by the hydrogen­based and ammonia­based systems. Due to the increased investment cost demanded by the ammonia production process the hydrogen­based system thus seems most suitable for this setup. === För att möjliggöra en storskalig utbyggnad av förnyelsebar energi har power­to­X­to­power­system (P2X2P) föreslagits som en potentiell lösning. Genom att omdirigera electricitet från kraftverket till en elektrolysator och därmed omvandla denna till vätgas kan dessa system förbättra den tekniska flexibiliten hos värmekraftverk samtidigt som de har potential att medföra både ekonomiska och miljömässiga fördelar. Detta examensarbete har undersökt den tekno­ekonomiska potentialen hos ett P2X2P­system bestående av ett gaskombikraftverk i anslutning till en elektrolysator i det italienska kraftnätet. En dynamisk, tekno­ekonomisk modell av både vätgas­ och ammoniakbaserade P2X2P­system samt en vinstmaximerande kontrollstrategi har utvecklats. En modell över en PEMelektrolysator har även utvecklats och validerats gentemot experimentella data. Införandet av ett P2X2P­system till kraftverket påvisade en teknisk förbättringspotential genom ett minskat antal uppstarter samt en mer jämn uteffekt. Huruvida denna tekniska förbättring också medför ekonomisk and miljömässig förbättring eller ej kvarstår att påvisa. Detta då nuvärdet minskade samtidigt som koldioxidutsläppen per producerad kilowatttimme ökade vid införandet av P2X2P­systemet. Då den producerade energibäraren, i form av vätgas eller ammoniak, enbart användes för att ersätta fossilgas som bränsle i kraftverket påvisades marginell skillnad i presetanda mellan de två systemen. De större kostnaderna som medförs av ett ammoniak­baserat system pekar därför på att ett vätgas­baserat system vore att föredra under sådana förutsättningar.