A Techno-Economic Case Study of the Implementation of Hydrogen Technology in Connection to a CHP Plant

Abstract

With climate change as the main driving force, the energy system is currently undergoing changes. Both the share of renewable resources used to produce electricity and the overall electrification is increasing. A way to handle the resulting challenges from more intermittent electricity production is by the implementation hydrogen technology. Hydrogen technology can help balance the electricity network both by operating after spot price and by providing ancillary services. This thesis investigates the techno-economic potential of the implementation of a hydrogen system with Örtofta combined heat and power (CHP) plant. More specifically, utilization of residual heat in the district heating network and the contribution of ancillary services are examined.

Two hydrogen systems are investigated, a power to gas (P2G) system and a complete hydrogen system (Hydrogen System). Hydrogen is sold from the P2G system whereas electricity is sold from the Hydrogen System. Both systems include a PEM electrolyzer, a compressor and a pressurized storage tank. A PEM fuel cell is also included in the Hydrogen System. A comparative literature review was used to choose the suitable technologies. Furthermore, the systems are modeled in Energy Optima 3, a software that optimizes production plans. Optimizations are performed on historical data between October 2021 and October 2022. The method consists of two main models, the Base Model and the Balance Model. In the Base Model, operation of the hydrogen system in connection to Örtofta CHP plant, when only trading on the spot market, is investigated. In the Balance Model, the hydrogen system's contribution with ancillary services is investigated.

The results show a Payback time of 2.86 to 3.06 years for the Hydrogen System and 2.15 to 2.39 years for the P2G system. Important to note is that the investment costs in the calculation only include the cost of the actual units, i.e. the surrounding investment costs are excluded. Moreover, with the implementation of the Hydrogen System the profit between October 2021 and October 2022 is increased by 19.9 to 21.2 percent, compared to a reference scenario without hydrogen technology at Örtofta. The increased profit for the P2G system during the same period is 13.4 to 14.8 percent. For both systems, the majority of the profit was earned from the participation on the balancing markets. The overall conclusion from the thesis is that, with the utilization of residual heat and the contribution with ancillary services, hydrogen technology in integration with Örtofta CHP plant shows both technical and economical potential.

Popular Abstract (Swedish)

Till följd av den pågående energikrisen har vi under 2022 upplevt skenande elpriser och hot om bortkoppling av kunder från elnätet. Nya lösningar som säkerställer tillgång på el och balans i elnätet är nödvändiga. En lösning som visar stor potential är lagring av energi i vätgas.

En av utmaningarna som Sveriges elnät står inför, och som det pratats mycket om den senaste tiden, är effektbrist. Effektbrist uppstår när användningen av el är större än produktionen av el vid en viss tidpunkt. Det hjälper inte att vi producerar ett överskott av el ena dagen, om det är brist nästa. Eftersom elproduktion från både sol och vind är variabel, ställer den ökade andelen förnybar elproduktion ännu högre krav på flexibilitet och balans i elnätet. En lösning som kan bidra till ökad balans i elnätet är lagring av energi. I vårt examensarbete har vi undersökt potentialen för vätgasteknik i ett kraftvärmeverk att bidra med flexibilitet och balans i elnätet.

Våra resultat visar att nyttan och potentialen för vätgasteknik är stor. Tekniken kan användas för energilagring och för att erbjuda så kallade "stödtjänster" som säkerställer balans i elnätet. Vid en jämförelse av intäkten för kraftvärmeverket utan vätgasteknik, samt intäkten för kraftvärmeverket med vätgasteknik, visar vårt resultat att den totala intäkten är mellan 13 och 21 procent högre för systemet med vätgasteknik över ett år. Sammanfattningsvis innebär detta att lösningen med ett vätgassystem kopplat till ett kraftvärmeverk visar goda möjligheter att vara lönsamt samtidigt som det bidrar med balans till elnätet.

Principen för vårt undersökta vätgassystem bygger på att en elektrolysör använder el för att omvandla vatten till syrgas och vätgas. Vätgasen lagras i en tank, för att sedan användas i en bränslecell. Bränslecellen använder vätgas och luft som omvandlas tillbaka till vatten, och elektricitet genereras. Fördelen med detta är att vätgas kan bildas när det finns överskott av el och omvandlas tillbaka till vatten för att generera elektricitet vid brist på el.

Stödtjänster kan ses som en slags beredskapstjänst och används vid behov för att skapa balans på elnätet, varje sekund. Detta behövs eftersom mängden el som produceras måste matcha mängden som används för att elnätet ska vara i balans och inte ta fysisk skada. Stödtjänster säljs antingen av konsumenter eller producenter som snabbt kan ändra sin förbrukning eller produktion av el.

Våra resultat indikerar att framtiden för vätgasteknik kan vara lovande. Det ska sägas att tekniken är relativt ny, och att vårt resultat därför innehåller vissa osäkerheter som behöver undersökas vidare. Trots det borde resultatet kunna användas som underlag för att vidare utreda investeringsmöjligheter i tekniken. Genom lagring av energi kan vätgasteknik användas för att skapa flexibilitet i elnätet och för att balansera elnätet på sekundnivå. Sammantaget kan vätgasteknik hjälpa till att möjliggöra den hållbara energiomställningen samtidigt som leveranssäkerhet av el kan bibehållas för årets alla timmar och sekunder.

• author: Häggström Wedding, Kristina and Kander, Amanda
• supervisor: Marcus Thern
• organization: Department of Energy Sciences
• alternative title: An Investigation of the Potential to Provide Ancillary Services and Utilize Residual Heat
• course: MVKM01 20222
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Hydrogen Technology, Electrolyzer, Fuel Cell, Ancillary Services, Electricity Markets, Power Balancing, Balancing Markets, Power to Gas, Power to Power, Combined Heat and Power, District Heat, Heat Utilization, Flexibility, Optimization
• report number: LUTMDN/TMHP-23/5516-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9110288
• date added to LUP: 2023-02-08 12:29:10
• date last changed: 2023-02-08 12:29:10