Hydrogen and Battery Energy Storage Systems: A Techno-economic modelling of Ancillary Services and Additional Income flows

Abstract

In order to move away from fossil fuels many governments and industries are focusing
their new investments in electricity and alternative fuels such as green hydrogen from
electrolyzers using renewable electricity. High investment costs and electricity costs
are a hindrance for the future development of a hydrogen economy which can utilize
an increasing intermittent power generation. The aim of this thesis is to build a technoeconomic model that investigates alternative uses of a hydrogen and battery system,
mainly through ancillary services but also as a support for an DC fast charging station.
Model results showed that using the battery, electrolyzer and fuel cell (FC) on balancing
markets increased the profitability of each system, varying from small to large systems.
The highest income was generated from FCR services followed by aFRR with mFRR
trailing far behind. The battery provided the largest income per MW with the lowest
relative cost, only acting on FCR and FFR markets. The low hydrogen demand freed
up the electrolyzer to participate as a balancing service most of the time, but still less
than the battery which participated almost the entire year. The FC participation rate
varied greatly for different services. Finally, using a battery and FC to provide power for
a DC fast charging station decreased electricity costs and can be used as the station’s
sole electricity provider, e.g. when other income streams are exhausted.

Popular Abstract (Swedish)

Stora förändringar och varierad elproduktion har lett till många osäkerheter i
elsystemets marknader. Balanseringsverktygen har därmed hamnat i rampljuset med
stor inkomstpotential idag och möjligen även långt framöver. Denna rapport visar att
det finns stora möjligheter för vätgassystem och batterier att medverka på dessa
marknader.
En förväntad fördubbling av elproduktion under de kommande 20 åren kommer ställa
höga krav på det svenska elsystemet. Med ett fokus på förnyelsebar energi från vind
och sol måste systemet balanseras så att el alltid finns tillgänglig. En lösning på
detta är energilagring med vätgas och batterier. Dessa energilagringssystem kan
både förskjuta eltillförseln från timmar till månader, men också delta på
balansmarknader där de vid behov säljer eller köper el till nätet.
Vätgassystemet består av elektrolysören som producerar vätgasen, bränslecellen
som gör om vätgas till el, och lagringen. Elektrolysören, bränslecellen och batteriet
är de komponenter som balanserar elnätet genom att variera sitt elflöde; och de kan
göra detta väldigt snabbt. Så snabbt att de kan medverka på dem snabbaste
balansmarkanderna med hög kompensation. Då det idag är dyrt att bygga batterier
och vätgassystem kan balanstjänsterna vara en viktig inkomstkälla som lockar fler
investerare.
Detta examensarbete har undersökt vad ovan system kan tjäna på
balanseringsmarknader. Tre olika systemstorlekar undersöktes: ett litet som passar
till en kontorsbyggnad, ett mellanstort som ska tillhöra ett lägenhetskomplex, och ett
stort som ska producera vätgas till vägtransport. Till sist har ett kombinerat batteri
med bränslecell undersökts för dess potential för elbilars snabbladdstationer.
Resultatet visar på att stora som små system kan öka sin inkomst och minska
investeringsrisker av att agera på balansmarknaderna. Mest lönsamt har de snabba
marknaderna varit där aktiveringen måste ske på sekunder. Men i vissa fall har även
en av de långsammare, med automatisk aktivering, visat sig vara en stor
inkomstkälla. Detta beror på att vissa av balansmarknaderna inte bara köper
kapacitet som kan aktiveras, utan vissa inkluderar en energikomponent som ger
säljaren betalt beroende på hur mycket energi de tillför eller köper från elnätet.
Men den stora inkomstpotentialen i balansmarknaderna lockar många, och idag
finns det många aktörer som vill delta. Andra europeiska nationer med mognare
marknader har sett en kostnadsminskning när balanseringsaktörer har mättat
marknaden. Då är det bra att ha alternativa användningsmöjligheter av de dyra
komponenterna. Det är då bra att veta att batteri och bränslecell kan användas för
att köpa in el till snabbladdstationer för att minska elkostnader och variationslaster
mot elnätet.

• author: Andersen, Marcus
• supervisor: Martin Andersson
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Hydrogen, Battery, Ancillary services, Power balancing, Electrolysis, Electricity markets, Residual heat, DC fast charging
• report number: LUTMDN/TMHP-24/5575-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9171420
• date added to LUP: 2024-09-09 14:41:59
• date last changed: 2024-09-09 14:41:59