The flexibility offered by the hydrogen economy for the electric system
No Thumbnail Available
Files
Lempiälä_Oskar_2024.pdf (1.7 MB) (opens in new window)
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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
2024-05-26
Department
Major/Subject
Automaatio ja robotiikka
Mcode
ELEC3014
Degree programme
Sähkötekniikan kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
31
Series
Abstract
This thesis is a literature review combined with a case study, about hydrogen technologies and the hydrogen economy. In the first chapter the current hydrogen market situation is explored. The second chapter introduces the two most widely used electrolyser technologies: alkaline and proton exchange membrane. The third chapter reviews hydrogen gas storage options and the liquid hydrogen storage method. The focus of this thesis is on how the hydrogen economy could offer flexibility to the electric system. The last chapter of this paper is a case study that illustrates how hydrogen flexibility investments could be implemented and determines if they are economically feasible in Finland. Increasing dependance on variable renewable energy makes the energy market volatile because it correlates with weather. Problems including energy curtailment and more frequent energy deficits with high prices arise. The hydrogen economy can utilize the energy surplus and thus making it possible to avoid using energy during deficits. Flexibility can be offered by producing and storing hydrogen and then during high demand revert it back to electricity. Alternatively, investing into higher production capacity and hydrogen storage makes it possible to prioritize production under cheap electricity prices and store the excess hydrogen. Then under low energy availability decrease production levels and start selling the stored hydrogen to meet the hydrogen demand. The second alternative is analyzed in the case study. The case study compares three different production methods. All of them have the same level of constant demand. The first and second method use a 50MW electrolyser and produce hydrogen at a constant rate. The first method only buys spot electricity while the second method mainly buys wind power at a constant price straight from a wind power plant. The third method also buys mainly wind power electricity; however, it has a 60MW electrolyser and a larger hydrogen storage. Annual electricity costs are calculated for all the methods. Then the increased investment costs are calculated for the third method. The first method is the cheapest and most risky method, because it depends on the electricity market. The third method results in annual savings of 0.51 million euros, compared to the second method. Extended over the system lifetime of 20 years, this yields in saving of 10.69 million euros. However, the increased investment costs are 22.61 million euros, and the annual operational costs increases by 0.45 million euros. Without government subsidies this would not be economically feasible.Den här avhandlingen är en litteraturöversikt, kombinerat med en fallstudie, om väteteknologier och väteekonomi. Tillgänglighetsproblem uppstår när en större andel av energin är producerad med förnybara källor. Korrelationen med vädertillstånd orsakar volatil produktion, som leder till överskott och underskott på energimarknaden. Väteekonomi har förmågan att jämna ut energitillgängligheten, genom att utnyttja energiöverskottet genom att producera och lagra väte. Väteekonomi har också en viktig roll i att minska koldioxidutsläpp. Till exempel inom marintransport kan det användas till att tillverka gröna bränslen och inom stålindustrin kan det användas i kolneutral stålsmältning. I den här avhandlingen introduceras och jämförs de två kommersiellt tillgängliga elektrolysteknologierna, alkalier och protonväxlingsmembran. Vätelagringsmetoderna i gasform och flytande form analyseras. Det finns två metoder att erbjuda flexibilitet med väteproduktion. Båda utnyttjar överloppsenergi. Första metoden lagrar väte som omvandlas tillbaka till elektricitet vid behov. Den metoden lider av effektivitetsproblem med nuvarande teknologi. Andra metoden, som granskas i fallstudien, erbjuder flexibilitet genom vätelagring. På grund av lagringen kräver vätefabriken mindre energi under tider med låg produktion, vilket gör energin tillgänglig till andra kunder på elmarknaden. Avhandlingens fallstudie studerar om investeringar i väteflexibilitet är ekonomiskt lönsamma i Finland. Undersökningen använder äkta data om Finlands vindproduktion samt spotpriser. Tre olika modeller används: konstant produktion med spotpriser, konstant produktion med fasta vindelpriser med substitution av spotel och varierande produktion med vätelagring. Första och andra modellen använder en 50MW elektrolysanläggning, medan tredje modellen använder en 60MW elektrolysanläggning och 9606 kg vätelager. Syftet är att avgöra om besparingarna i form av lägre elpris ersätter ökade investeringskostnader och löpande kostnader under fabrikens livstid. Den tredje modellen resulterar i årliga besparingar på 0,51 miljoner euro, jämfört med den andra modellen. Totala besparingarna under systemets 20 år långa livstid är 10,69 miljoner euro. Ökade investeringskostnaderna i den tredje modellen är totalt 22,61 miljoner euro och löpande kostnaderna ökar med 0,45 miljoner euro per år. Utan statliga subventioner skulle den tredje metoden inte vara lönsam.Description
Supervisor
Forsman, PekkaThesis advisor
Lehtonen, MattiKeywords
hydrogen economy, energy curtailmen, electrolysis, hydrogen