Vätgas som energilager

Abstract (Swedish)

Vätgas har potential i ett energilagringssystem eftersom det är en energibärare som är väldigt energirik och kan lagras i stor skala. Vätgas kan produceras enkelt via elektrolys av vatten och lagras i stora mängd under högt tryck, vid behov kan vätgasen sedan brännas i en kraftverksprocess och generera elektricitet. Då förbränning av vätgas med syrgas enbart bildar vattenånga kan ett förnybart energilager baseras på lagring av vätgas. Där vätgasen kan produceras vid låga elpriser och brännas vid höga elpriser och fungera som balanskraft åt till exempel vindkraft.

I studien har olika vätgaseldade kraftverkscykler studerats med avseende på prestanda och en av dessa cykler har utvärderats i en ekonomisk analys. I den ekonomiska analysen studeras implementeringen av ett vätgasproducerande system i ett existerande kraftverk ur ett investeringsperspektiv. Genom att öka mängden vätgas som förbränns höjs inloppstemperaturen till turbinen, något som leder till en ökad verkningsgrad och effekt. Cykelanalysen visar konsekvent att vätgaseldade kraftverk har hög prestanda och att ur ett tekniskt perspektiv kan satsningar på vätgas vara intressanta. Den ekonomiska analysen visar dock att det sker för stora energiförluster under lagringsprocessen för att det ska vara lönsamt att lagra vätgas i förbränningssyfte, endast en tredjedel av den energi som använts för att producera vätgasen kan åter-elektrifieras i kraftverket. Detta gör att det krävs omfattande elprisvariationer för att kunna bekosta lagringssystemet.

Slutsatsen från studien är att det krävs andra tekniker och idéer för att göra vätgaslagring lönsamt i dagens energisystem. Framtida satsningar för vätgasimplementering borde läggas på att öka inblandningen av vätgas i gasturbiner.

Abstract

Hydrogen gas has potential to function as an energy storage solution due to its high energy content and its suitability for large scale storage. Hydrogen can be produced by water electrolysis and can be stored in large scale under high pressure, when needed the hydrogen can be burned in a thermal power plant to generate electricity. Since combustion of hydrogen with pure oxygen only yields steam, a renewable energy storage could be based on hydrogen, where hydrogen can be produced during hours with low electricity price and burned during hours with high prices and hence function as regulating power to renewables, such as wind power.

In the study different hydrogen fired power plant cycle have been examined with respect to their performance and one of the cycles has also been evaluated in an economical analysis. In the latter the economical feasibility of an implementation of a hydrogen producing systems in an existing power plant is studied. The cycle analysis shows consistently positive results regarding increased performance in thermal power plants from hydrogen combustion. The results from the economic analysis all tough indicates that the energy losses in the storage processes are too large for the investment to be profitable, only one third of the energy used to create the hydrogen can be re-electrified in the power plant. This means that there need to be huge fluctuations in the electricity price to be able to pay off the investment.

The conclusion of the study is that the current methods and available technology are not sufficient for a realistic investment in hydrogen storage. The study indicates that the best way to implement hydrogen gas is to increase the share of hydrogen in synthetic gases used for gas turbines.

Popular Abstract (Swedish)

Tänk om man kunde ha ett förnyelsebart energilager som kunde generera stora mängder elektricitet när vinden inte blåser eller solen inte lyser! Den här studien har undersökt möjligheten till ett lager baserat på vätgas.
Genom att köpa in billig överskottsel kan man producera vätgas och lagra denna. Vid elbrist kan sedan den lagrade vätgasen förbrännas i ett kraftverk och generera el. På så vis har ett energilager som inte släpper ut någon koldioxid skapats.
Det satsas stort på förnybar energi. Vindkraft och solkraft byggs ut samtidigt som kärnkraft och kondenskraft fasas ut. Då t.ex. vindkraft producerar elektricitet enbart när det blåser, kan det uppstå tillfällen då det inte produceras någon el alls men också tillfällen då det produceras för mycket. Därför är det viktigt att vind och sol kan balanseras av annan förnybar energi så att behovet av icke förnybar energi minskar. Variationerna i produktion påverkar elpriset på så vis att under elbrist är priset högt och vid elöverskott är priset lågt. Denna prisvariation öppnar för en lönsam satsning på ett energilager, där lagret kan fyllas på vid låga elpriser och tömmas vid höga elpriser.
Vätgas kan produceras på ett miljövänligt vis genom elektrolys av vatten, där endast el behöver tillföras för att vatten ska delas upp i vätgas och syrgas. Denna vätgas kan sedan lagras under högt tryck i t.ex. underjordiska grottor, där den kan ligga tills den behövs för att producera ny el genom att den förbränns i ett kraftverk. Vätgas är oerhört energirikt. Det frigörs faktiskt mer än dubbelt så mycket energi vid förbränning av 1 kg vätgas som vid förbränning av 1 kg naturgas. Dessutom bildas endast vattenånga när vätgas förbränns med ren syrgas. Det släpper med andra ord inte ut några växthusgaser! Detta leder till att man skulle kunna elda vätgas i kraftverk och generera stora mängder el utan att ha några utsläpp av koldioxid.
Den energirika vätgasen kan användas effektivt i kraftverk och höja verkningsgraden, eftersom vätgas tillför mycket värmeenergi som omvandlas till elektricitet i en ångturbin eller gasturbin. Det är alltså en möjlighet att på kort tid producera stora mängder el på ett miljövänligt sätt.
Målsättningen med energilagring är att med tillräckligt stora skillnader i pris mellan inköp och försäljning av elektricitet kunna få lönsamhet, eftersom den producerade elen från lagret säljs dyrare än den som köps in till lagret.
Problemet är att ju fler steg energilagringen består av desto större energiförluster kommer det att ske i processen. I detta fall ska vätgas både produceras och förbrännas, två processer med stora energiförluster. Det visar sig tyvärr i resultaten att endast en tredjedel av den el som ursprungligen köpts in för att lagras, faktiskt kan genereras från kraftverket. Två tredjedelar av den el som lagrades har alltså försvunnit i förluster. För att investeringen ska kunna bli lönsam måste den producerade elen därför säljas till ett mer än tre gånger högre pris än inköpspriset.
Prisvariationerna på elmarknaden i dagsläget är mycket för små för att ett vätgasbaserat energilager ska kunna bli lönsamt. Detta är dock något som kan komma att förändras i framtiden. Kanske kan till och med negativa elpriser uppstå i Sverige framöver?
Även om vätgas är ett väldigt potent bränsle blir det tyvärr för dyrt att producera för energilagring. I stället borde framtida satsningar fokusera på att hitta nya effektiva metoder för vätgasproduktion, och förbränningen av vätgas borde fortsätta i mindre skala för gasturbiner, då dessa kan hantera väldigt höga förbränningstemperaturer.

• author: Östberg, Pär
• supervisor: Marcus Thern; Jens Klingmann
• organization: Department of Energy Sciences
• alternative title: Om vätgasens potential som energibärare i termiska kraftverk
• course: MVK920 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Vätgas, energilager, förbränning, elproduktion, förnyelsebar energi, termiska kraftverk, H2/O2 förbränning
• report number: ISRN LUTMDN/TMHP-17/5389-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: Swedish
• id: 8907926
• date added to LUP: 2017-05-23 09:39:33
• date last changed: 2017-05-23 09:39:33