Vätgassystem för lokal energilagring - tillvaratagande av solelsöverskott för effekttoppskapning i ett flerbostadshus

Abstract (Swedish)

Med  ökad andel intermittent elproduktion i Sveriges elproduktionsmix och ett  åldrande stamnät  ökar
behovet av flexibilitet i elsystemet. Lagring av energi, till exempel i vätgas, är ett exempel på  en sådan
flexibilitetslösning, eftersom energin kan flyttas från tidpunkter med överskott till tidpunkter med högt
energibehov. Syftet med examensarbetet  är att undersöka energisystemnyttan med ett v ägassystem för
säsongslagring av överskottsel från solceller i vätgas lokalt i ett flerbostadshus. Ett vätgassystem som det
benämns i rapporten innebär komponenter för vätgasproduktion, vätgaslagring och elproduktion. Rapporten
har ett tvådelat någorlunda kronologiskt utförande. Den första delen analyserar vilka komponenter som
vätgassystemet bör utgöras av. Resultatet för den första delen ligger sedan till grund för den andra delen som
mer undersöker vätgassystemets helhetspåverkan och lönsamhet, framför allt med avseende på att kapa husets
eleffekttoppar. Till grund för rapportens analyser ligger en litteraturstudie som kompletterades med
beräkningar på en fallstudie och vägledande diskussioner med nyckelpersoner.
Resultatet visade att vätgassystemet bör utgöras av en PEM-elektrolysör, en lagringstank av typ IV och
en PEM-bränslecell. Valet av lagringsmetod medför att även en kompressor behöver läggas till i systemet.
Detta ger upphov till en totalverkningsgrad el-till-el på 31,5 %. Bränslecellens styrstrategi som
spetslastsystem gjorde att effektgränsen för elanvändningen från huset vid vilken den startades blev 83,5 kW.
Bränslecellens effekt behövde vara 45 kW. I fallstudien användes bränslecellen som spetslastsystem under
1103 av årets timmar. Kostnadsanalysen som utfördes genom kapitalvärdesmetoden resulterade i ett
kapitalvärde på -7,35 Mkr. Både grundinvesteringskostnad, verkningsgrad och skillnader i elpris mellan
vätgas- och elproduktion behöver förändras markant för att vätgassystemet ska nå lönsamhet under den
tekniska livslängden på 20 år. Vätgassystemet
är dock ett alternativ till konventionella reservkraftsystem och
som spetslastsystem minskar det slitage på elnätet. Lönsamheten kommer eventuellt ökas i framtiden med de
effekttariffer som elnätsägare rör sig mot och om värmeåtervinning bejakas. Vätgassystemet kan även öka
acceptansgränsen för utbyggnad av solceller.
Det är fullt möjligt att implementera ett vätgassystem så som det diskuteras i rapporten. Många av dess
fördelar härstammar dock från säsongsenergilagring snarare än specifikt från ett vätgaslager. Med tanke på
den låga lönsamheten är rapportens rekommendation således att undersöka och jämföra andra lagrings- och
spetslastalternativ jämte vätgassystemet, och eventuellt använda vätgas i andra tillämpningar än det
undersökta.

Abstract

Sweden’s increasing share of intermittent electricity production and aging backbone network has given
rise to a need for flexibility in the energy system. A potential solution to this challenge is energy storage,
where hydrogen is a possible pathway. This master’s thesis aims to investigate the energy system benefits of
a hydrogen system for seasonal energy storage of excess solar electricity in a multi-apartment building. A
hydrogen system as discussed in this report contains components for on-site hydrogen production, hydrogen
storage and electricity production. Through literature review the report investigates which components are
best suited for the hydrogen system. The results are then applied to a case study and used to further analyze
the system from a holistic and financial perspective. In the case study the hydrogen system is used for shaving
power peaks in the building.
The results show that the hydrogen system should consist of a PEM electrolyzer, a tank type IV and a
PEM fuel cell. To enable storing, the hydrogen in tanks at 700 bar a compressor is required. Using these
components, the total power-to-power efficiency of the system is estimated to be 31.5 %. The peak shaving
control strategy of the fuel cell was set so that the fuel cell started to operate when the building’s energy use
exceeded 83.5 kW. The fuel cell capacity had to be 45 kW and in the case study the fuel cell was used for
peak shaving during 1103 hours of the year.
The cost analysis resulted in a life cycle capital value of approximately -7.35 MSEK. Investment cost,
efficiency and electricity price differences between hydrogen and electricity production need to change for
the hydrogen system to be profitable within the technical lifespan of 20 years. However, the hydrogen system
is an alternative for back-up power and as a peak shaving system it reduces tear on the grid. The profit may
increase with heat recovery and power tariffs. The hydrogen system could also increase the hosting capacity
for expansion of solar power.
It is fully possible to implement a hydrogen system such as discussed in the report. However, many of
the advantages stem from the seasonal energy storage rather than the hydrogen storage specifically. Regarding
the low efficiency and profit, the recommendation of this report is to investigate other storage- and peak
shaving technologies compared to the hydrogen system, and eventually use hydrogen in other applications
than the one researched in this report.

• author: Lindqvist, Elsa and von Wachenfeldt, Ebba
• supervisor: Lars J Nilsson
• organization: Environmental and Energy Systems Studies
• alternative title: Hydrogen system for local energy storage – utilizing surplus solar power for peak shaving in multiapartment buildings
• course: FMIM01 20212
• year: 2022
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Vätgas, energilagring, effekt- och kapacitetsutmaningar, solelsöverskott, elektrolysör, bränslecell, lagringstank, effekttoppar, effekttoppskapning, spetslastsystem
• report number: LUTFD2/TFEM-22/5178--SE + (1–79)
• ISSN: 1102-3651
• language: Swedish
• id: 9075502
• date added to LUP: 2022-02-17 12:23:39
• date last changed: 2022-02-18 03:39:47