Optimization of hydrogen production in a wind power-intensive energy system

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-10-19
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
88 + 6
Series
Abstract
This thesis has been implemented in order to make findings about the opportunities of hydrogen production in decarbonizing different sectors of wind power-intensive societies, especially regarding energy systems and waterway traffic. The thesis researches the factors affecting the production of hydrogen and their optimization possibilities. The objective of the research is to decipher the most significant elements that need to be considered when deciding for electrolyzer cell, hydrogen storage, and transportation technology. The research has been conducted by first gathering theoretical knowledge via means of academic literature review, and then applying the knowledge in a case study of Åland islands later in the thesis. The findings include that the availability of electricity widely restricts the options for electrolyzer technology, in a way that the variability of power input and partial loads, favor the PEM-technology. Selection of a suitable hydrogen storage was found to be highly case specific depending on the state of the used hydrogen, but also on the storage period and amount. Correspondingly, the state of hydrogen affects to the feasibility of different storage solutions, but also daily hydrogen flow rate and transportation distance play significant role in selection. From the applied case study, it was found that Åland islands fill the prerequisites to produce hydrogen for the usage of two ferries and one small CHP fuel cell. There are currently two possible locations for the proposed electrolyzer plant, due to limits of the local transmission grid. In addition, a liquid hydrogen storage would be needed to support the operating of the ferries, and an old oil storage could be converted to hydrogen storage to provide flexibility and security to the system. The transportation, in this setup, was found to be most viable with tube trailers, due to low flow rate and short distances. Nevertheless, the produced hydrogen was found to be likely more expensive than the currently used fossil fuels if their externalities are not included more extensively in the future pricing. The hydrogen would probably have higher value than the market electricity, and thus it could be more lucrative to produce hydrogen from the surplus wind power, rather than to sell it to the grid. The price of the power used by the electrolyzer, together with the capital costs of the electrolyzer have the largest impact to the levelized price of hydrogen, thereby making research and development of related materials and technologies to be in key role regarding the future feasibility.

Tämä diplomityö on toteutettu, jotta saataisiin selville minkälaisia mahdollisuuksia vedyntuotannolla voisi olla tuulivoimavaltaisten yhteiskuntien eri sektoreiden dekarbonoinnissa, koskien eritoten energia ja vesiliikennettä. Työssä tutkitaan vedyn tuotantoon vaikuttavia tekijöitä, sekä näiden optimointimahdollisuuksia. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää tärkeimmät tekijät, jotka vaikuttavat elektrolyyserin, vetyvaraston ja vedyn kuljetusteknologian valintaan. Tutkimus on toteutettu hankkimalla ensin teoriapohjaista tietoa kirjallisuuskatsauksen keinoin, sekä tekemällä sen pohjalta havaintoja ja päätelmiä, joita sovelletaan myöhemmin raportissa Ahvenanmaata käsittelevässä tapaustutkimuksessa. Tehtyihin havaintoihin lukeutuu, että sähkön saatavuus pitkälti rajoittaa elektrolyyseri vaihtoehdot siten, että nopea tehovaihtelu ja osittaiset kuormat suosivat PEM-teknologiaa. Sopivan vetyvaraston valinnan puolestaan havaittiin olevan hyvin tapauskohtaista ja siihen vaikuttavan kulutettavan vedyn olomuodon lisäksi myös varastointi ajan pituus sekä varastoitavan vedyn määrä. Vastaavasti kuljetusteknologian valintaan vaikuttavat myös käytettävän vedyn olomuoto, tuotannon massavirta, sekä kuljetettava etäisyys. Soveltavasta tapaustutkimuksesta puolestaan selvisi, että maakunnalla on edellytykset vedyn tuotantoon kahden vetylautan sekä pienen yhdistetyn lämmön ja sähkön tuotantoon soveltuvan polttokennon käyttöön. Kaavailulle elektrolyyserille on nykyisellään olemassa vain kaksi mahdollista sijaintia, johtuen siirtoverkon rajoitteista. Elektrolyyserin lisäksi yksi nestevetyvarasto tarvittaisiin satamaan tukemaan vetylauttaliikenteen sujuvuutta, ja vanha maanalainen öljyvarasto tulisi muuttaa vetyvarastoksi tuomaan lisää joustavuutta ja toimitusvarmuutta järjestelmään. Vedynsiirron havaittiin tulevan tässä tapauksessa edullisimmaksi käytettäessä kaasutraileria, johtuen matalasta päiväkohtaisesta vetymassavirrasta. Tuotettavan vedyn havaittiin tulevan kuitenkin todennäköisesti kalliimmaksi kuin tällä hetkellä käytettävät polttoaineet, mikäli näiden ulkoisvaikutuksia ei jatkossakaan huomioida hinnoissa voimakkaammin. Vety olisi kuitenkin todennäköisesti arvokkaampaa kuin markkinasähkö, joten vedyn tuottaminen tuulisähköllä voisi olla kannattavampaa kuin sähkön myyminen verkkoon. Vedyn hintaan vaikuttaa eniten elektrolyyserin käyttämän sähkön markkinahinta, sekä itse tuotantolaitoksen pääomakustannukset, joten kehitystyö teknologioiden ja materiaalien saralla tulee olemaan ratkaisuasemassa tulevaisuuden kannattavuuden näkökulmasta.
Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, Annukka
Thesis advisor
Riikonen, Juhani
Haverinen, Aleksi
Keywords
hydrogen economy, hydrogen production, wind power, electrolysis, hydrogen transmission, hydrogen storage
Other note
Citation