Electricity market operation of electrolysis-based hydrogen production

Thumbnail Image

Files

master_Tikkanen_Onni_2025.pdf (1.51 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-02-24

Department

Major/Subject

Energy Systems and Markets

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions

Language

en

Pages

78

Series

Abstract

Hydrogen is seen as a promising solution in mitigating hard-to-abate emissions, for instance, from heavy transportation and industry. However, around 99 % of the current hydrogen production is fossil-based. Fossil-free hydrogen is needed not only to replace the current demand of hydrogen but also for possible future demand sources such as synthetic maritime and aviation fuels. However, a significant issue with renewable hydrogen production is its higher cost compared to its fossil-based counterpart. This thesis studies the cost of producing electrolysis-based hydrogen in Finland. Three operating models, Full Green, RFNBO, and Non-RFNBO, were implemented and modelled with PLEXOS to see how different operating principles affect the levelized cost of hydrogen (LCOH). The RFNBO model represents hydrogen production in accordance with the EU’s delegated regulation for Renewable Fuels of Non-Biological Origin (RFNBO), whereas the Full Green and Non-RFNBO models represent more and less strict operating principles, respectively. The models procure electricity via a pay-as-produced Power Purchase Agreement (PPA) and operate in the Finnish electricity markets. In addition, reserve market operation with Automatic and Manual Frequency Restoration Reserves (AFRR & MFRR) was modelled for all operating models. The results show that the Full Green model obtains an LCOH of 6.75 €/kg without reserve market operation and an LCOH of 6.71 €/kg with reserves, whereas the RFNBO model obtains LCOH values of 6.10 €/kg and 6.06 €/kg, respectively. The Non-RFNBO model obtained the lowest LCOH of 5.75 €/kg with no reserves and 5.60 €/kg with reserve market operation. Although the Non-RFNBO model was not completely RFNBO-compliant, its production was 61 % RNFBO-compliant. Thus, it would be the most cost-competitive to produce partially RFNBO-compliant hydrogen.

Vedyllä nähdään olevan tärkeä asema vaikeasti vähennettävien päästöjen, kuten raskaan liikenteen ja teollisuuden päästöjen vähentämisessä. Nykyseisestä vedyn tuotannosta 99 % on kuitenkin fossiiliperäistä. Fossiilipäästötöntä vetyä tarvitaan itsessään jo nykyisen vedyn kulutuksen korvaamiseen, mutta fossiilivapaan vedyn kysyntää tulee mahdollisesti myös lisäämään tulevaisuudessa muun muassa synteettiset meri- ja lentopolttoaineet. Keskeinen haaste uusiutuvan vedyn tuotannossa on kuitenkin sen korkeampi hinta fossiiliperäiseen vetyyn verrattuna. Tässä diplomityössä tutkittiin vetyelektrolyysillä tuotetun vedyn tuotantokustannusta Suomessa. Diplomityössä mallinnettiin PLEXOS-energiamallinnustyökalulla elektrolyyserille kolme operointimallia: Full Green, RFNBO, ja Non-RFNBO -mallit. RFNBO-malli edustaa EU:n muuta kuin biologista alkuperää olevien uusiutuvien polttoaineiden regulaation (RFNBO) mukaista elektrolyyserin operointia. Full Green -malli edustaa RFNBO-regulaatiota tiukempia operointiperiaatteita, kun taas Non-RFNBO-malli edustaa regulaatiota löyhempiä operointiperiaatteita. Kaikki operointimallit hankkivat sähköä pitkäaikaisilla pay-as-produced-sähkönostosopimuksilla (Power Purchase Agreement) ja toimivat tämän lisäksi sähkömarkkinalla. Operointimallien toimintaa mallinnettiin myös reservimarkkinoilla automaattisilla ja manuaalisilla taajuudenpalautusreserveillä (AFRR & MFRR). Mallinnuksen tulokset osoittavat, että Full Green-mallin LCOH-tuotantokustannus on 6.75 €/kg ilman reservimarkkinaoperointia ja 6.71 €/kg reservimarkkinat huomioiden. RFNBO-mallin tuotantokustannus oli 6.10 €/kg ilman reservimarkkinoita, ja 6.06 €/kg reservit huomioiden. Non-RFNBO-malli saavutti alimman tuotantokustannuksen; 5.75 €/kg ilman reservioperointia ja 5.60 €/kg reservimarkkinat huomioiden. Huomionarvoista oli, että vaikka Non-RFNBO ei noudattanut täysin EU:n RFNBO-regulaatiota, 61 % tuotetusta vedystä oli RFNBO:n mukaisesti tuotettua. Näin ollen, vain osittain RFNBO-regulaatiota noudattava vedyn tuotanto vaikuttaisi olevan kilpailukykyisin tapa tuottaa elektrolyysiperäistä vetyä.

Description

Supervisor

Jääskeläinen, Jaakko

Thesis advisor

Kirjonen, Ville

Keywords

elektrolyyseri, RFNBO, vety, PPA, sähkömarkkinat, reservimarkkinat

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202503182889

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC