Potential applications for fuel cell technology in Finland – Case study: Economic feasibility of fuel cells as a backup power source in data centers
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
SCI3109
Degree programme
Language
en
Pages
154 + 3
Series
Abstract
Finland aims for carbon neutrality by 2035, which will require new technological solutions. Fuel cells and renewable hydrogen are one of the promising technologies to replace fossil energy sources and store renewable energy to balance day, month, and seasonal variations. In a nutshell, a fuel cell is an electrochemical device that converts the chemical energy bound in a fuel, such as hydrogen, into electricity and heat. This study has three objectives: 1) identify potential applications for fuel cell technology in Finland, 2) identify the most promising business opportunities for energy companies and 3) investigate the business potential of fuel cells as a backup power source for a Finnish data center. The research methodology follows both a qualitative and a case study approach. In identifying the applications, a comprehensive literature review was used to form a basis for the study, whereafter 9 expert interviews were conducted to collect primary data. To assess their potential for the energy company, data was collected through 2 expert workshops and 5 expert consultations. In addition, to assess the business potential of fuel cell technology, a case study was carried out comparing the total cost of ownership for fuel cell backup power systems and diesel generators in a total of 15 different fuel cell system scenarios. The results show that the potential of fuel cells in Finland is mainly found in different transport sectors as well as in power generation for both backup power and grid-support purposes. For the energy company, grid support, backup power for data centers, and support for electric car charging points with fuel cells were identified as the most promising applications. Based on the case study, the total cost of ownership of a fuel cell system is 114-119% higher than the TCO of a diesel generator with current prices. However, with the assumed price levels for 2030, a fuel cell can achieve 25% savings alone in backup power supply, and furthermore, savings of up to 196% (generates profit during its lifetime) when a fuel cell is also used in the electricity market. Thus, the multi-functionality of the equipment increases its competitiveness compared to diesel generators. The findings contribute to the knowledge of both Finland-specific fuel cell applications as well as the suitability of fuel cell technology as a backup power source for data centers. The most significant implications of this research are the identification of the marginal values for fuel cell Capex and renewable hydrogen price to reach the competitive level in overall cost-effectiveness compared to diesel generator-based systems. Moreover, the research identified that the equipment utilization rate on the electricity market has a significant influence on the overall cost efficiency of the technology and even turns the fuel cell-based backup power system into a profitable revenue-generating asset.Suomi tavoittelee hiilineutraaliutta vuoteen 2035 mennessä, jonka saavuttamiseksi vaaditaan uudenlaisia teknologisia ratkaisuja. Polttokenno ja uusiutuva vety ovat yksi potentiaalinen teknologia korvaamaan fossiilisia energianlähteitä sekä varastoimaan uusiutuvaa energiaa päivä, kuukausi ja vuodenaika vaihteluiden tasaamiseksi. Polttokenno on sähkökemiallinen laite, joka konvertoi polttoaineeseen, kuten vetyyn sitoutuneen kemiallisen energian sähköksi sekä lämmöksi. Tällä tutkimuksella on kolme tavoitetta: 1) identifioida polttokennojen potentiaaliset käyttökohteet Suomessa, 2) tunnistaa näistä lupaavimmat liiketoimintamahdollisuudet energiayhtiöille sekä 3) arvioida polttokennon liiketoiminnallista potentiaalia suomalaisen datakeskuksen varavoimalähteenä. Tutkimusmenetelmä noudattaa sekä laadullisen että tapaustutkimuksen lähestymistapaa. Käyttöhohteiden identifioimisessa tutkimukselle luotiin perusta kattavalla kirjallisuuskatsauksella, jonka lisäksi kerättiin ensisijainen aineisto 9 asiantuntijahaastattelun perusteella. Energiayhtiölle näiden potentiaalin arvioimiseksi kerättiin aineistoa 2 asiantuntijatyöpajan sekä 5 asiantuntijakeskustelun perusteella. Tämän lisäksi polttokennoteknologian liiketoiminnallisen potentiaalin arvioimiseksi toteutettiin tapaustutkimus, jossa verrattiin polttokenno-varavoimalaitteiston kokonaiskustannuksia diesel generaattoriin yhteensä 15 eri skenaariossa. Tulokset osoittavat, että polttokennon potentiaaliset käyttökohteet ovat pääosin eri liikennesektoreilla sekä sähkön tuotannossa niin varavoima kuin verkontuenta tarkoituksessa. Energiayhtiölle näistä käyttökohteista lupaavimmiksi ilmenivät sähköverkon tuenta, datakeskuksen varavoima sekä sähköautojen latauspisteiden tukeminen polttokennoilla. Tapaustutkimuksen perusteella polttokennolaitteiston kokonaiskustannus on nykyhinnoin 114 - 119 % suurempi kuin generaattorin. Kuitenkin ennustettujen hintatasojen toteutuessa polttokennolla voidaan saavuttaa 25 % kustannussäästöt varavoimatarkoituksessa sekä jopa 196 % (tuottaa kumulatiivista tuottoa elinkaarensa aikana) säästö, mikäli laitteistoa hyödynnetään myös sähkömarkkinoilla. Näin ollen laitteiston monikäyttöisyys lisää sen kilpailukykyä. Tutkimuksen tulokset edistävät aikaisempaa tietoa niin Suomi spesifeistä polttokennokäyttökohteista, kun teknologian soveltuvuudesta datakeskuksien varavoimanlähteenä. Tutkimuksen merkittävimpinä tuloksina voidaan pitää polttokennon investointikustannuksien sekä vedyn rajahinnan määrittämistä tasolle, jossa polttokennolaitteisto on kustannuksiltaan kilpailukykyinen diesel generaattoreille. Tämän lisäksi tutkimuksessa tunnistettiin sähkömarkkinoille varavoimalaitteistolla osallistumisen vaikuttavan merkittävästi polttokennolaitteiston kilpailukykyyn, muuttaen varavoimalaitteiston jopa tulosta tuottavaksi laitteistoksi.Description
Supervisor
Seppälä, TimoThesis advisor
Hartikka, TuukkaHaahtela, Tero