Optimal electricity source mix for hydrogen production in an electrolyzer
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
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
2022-05-16
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
78
Series
Abstract
Green hydrogen is seen as one of the most potential ways to reduce greenhouse gas emissions and contribute to a fully renewable energy system. Green hydrogen can replace the current fossil hydrogen which is used widely in industry. Replacing fossil hydrogen with green hydrogen offers an opportunity for a fast green hydrogen scale up and emissions reductions. The upcoming EU legislation will set a framework for green hydrogen production which needs to be fulfilled. Especially the possible strict temporal correlation requirements make green hydrogen production challenging. The goal of this thesis is to find the most optimal VRE generation portfolio for an electrolyzer producing green hydrogen in Finland. Due to additionality requirements wind power and solar PV will be the only potential electricity generation technologies for green hydrogen production. Battery storages’ potential in green hydrogen production is also studied. The research has been conducted by first gathering all the relevant information on legislation, renewable electricity generation and electrolyzer technologies through literature review and data collection. The gathered information is applied into data models. VRE portfolio optimizations are done in annual and hourly correlation environments. Optimizations include green hydrogen profit maximization (in annual and hourly correlation), green hydrogen production maximization (in hourly correlation) and green hydrogen + Elspot electricity profit maximization (in annual correlation). Batteries’ effect on green hydrogen production output and profits are analyzed. It was found that wind power is the dominant generation technology in all cases. When profits are maximized wind power represents nearly 100\% of the total VRE capacity. Multiple MW solar PV power plants are included if green hydrogen production is maximized in hourly correlation. Additional small scale solar PV power plants which can be located onsite can increase profits in all cases. Halting green hydrogen production during high Elspot price hours in annual correlation environment is an effective way to increase profitability. Producing non-green hydrogen in hourly correlation environment with Elspot electricity can increase profits greatly. Battery storages are not competitive in green hydrogen production with current price levels. Batteries can increase green hydrogen output in hourly correlation, but not significantly. Green hydrogen prices need to increase or battery costs decrease considerably for batteries to be economically viable.Vihreä vety on yksi potentiaalisimmista tavoista vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ja osaltaan mahdollistaa täysin uusiutuva energiajärjestelmä. Vihreä vety voi korvata teollisuudessa laajasti käytetyn fossiilisen vedyn. Fossiilisen vedyn korvaaminen vihreällä vedyllä mahdollistaa vihreän vedyn tuotannon nopean kasvattamisen ja suuret kasvihuonekaasupäästöjen vähennykset. Tuleva EU-lainsäädäntö asettaa määritelmiä vihreän vedyn tuotannolle, jotka tulee täyttää. Erityisesti mahdolliset tiukat ajallisen korrelaation vaatimukset tekevät vihreän vedyn tuotannosta haastavaa. Diplomityön tavoite on löytää optimaalisin uusiutuvan sähkön tuotantoportfolio vihreän vedyn tuotantoon Suomessa. Tuuli- ja aurinkovoima ovat käytännössä ainoat mahdolliset sähköntuotantotavat vihreän vedyn tuotannossa. Akkuvarastojen potentiaali vihreän vedyn tuotannossa tutkitaan. Teoriaosuudessa käsitellään erilaisia elektrolyyseriteknologioita, uusiutuvan sähkön tuotantotapoja, sekä vihreän vedyn lainsäädäntöä. Uusiutuvan sähkön tuotantoportfolio optimoidaan vuosi- ja tuntikorrelaation vaatimuksien mukaan. Tuotantoportfolio optimoidaan vihreästä vedystä saatavan liikevoiton maksimoimiseksi (vuosi- ja tuntikorrelaatiossa), vihreän vedyn tuotannon maksimoimiseksi (tuntikorrelaatiossa), sekä vihreän vedyn ja Elspot-sähkönmyynnin liikevoittojen maksimoimiseksi (vuosikorrelaatiossa). Akkujen vaikutus vihreän vedyn tuotantomäärään ja liikevoittoihin analysoidaan. Päälöydöksenä on tuulivoiman ylivoimaisuus sähkön tuotannossa kaikissa optimointiskenaarioissa. Mikäli liikevoitto halutaan maksimoida, tuulivoiman tulisi käytännössä olla ainoa sähköntuotantomuoto. Isot aurinkovoimalat ovat hyödyllisiä, mikäli vihreän vedyn tuotantomäärä halutaan maksimoida tuntikorrelaatiossa. Pienikokoinen aurinkotuotanto, joka voidaan sijoittaa vetytuotantolaitoksen yhteyteen lisää kannattavuutta kaikissa tapauksissa. Liiketoiminnan kannattavuutta voidaan parantaa merkittävästi vuosikorrelaatiossa, mikäli korkeiden Elspot-hintojen aikana vedyn tuotanto lopetetaan. Tuntikorrelaatiossa ei-vihreän vedyn tuottaminen ostetulla Elspot-sähköllä nostaa liiketoiminnan kannattavuutta huomattavasti. Akut eivät ole kannattavia vihreän vedyn tuotannossa nykyisillä hinnoilla. Akut voivat hieman nostaa vihreän vedyn tuotantomäärää tuntikorrelaatiossa. Vihreän vedyn hinnan tulisi kallistua tai akkujen kustannusten laskea, jotta akut olisivat kannattavia.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Hartikka, TuukkaKeywords
green hydrogen, electrolyzer, temporal correlation, VRE