Energy storage in hydrogen

Det råder koncensus bland klimatforskare världen över att en omställning från fossila bränslen till mer klimatneutrala alternativ måste ske i energiproduktionen om det ska gå att hejda den globala uppvärmningen. Ett alternativ för att lyckas med detta är att producera energin från förnybara energikällor som vind och solkraft. Detta är också något som utnyttjas i allt högre grad runt om i världen, men problem uppstår dock när en stor del av en regions andel av energiproduktionen kommer från dessa källor. Det skapas en prisvolatilitet på marknaden, med priser som varierar lika mycket som vindstyrkan eller solinstrålningen. Ibland sjunker priserna så lågt att det är svårt att nå en lönsamhet för kraftverken. För att komma till bukt med denna obalans på energimarknaden kommer det att behöva byggas ett energilagringssystem som lagrar energin de förnybara källorna producerar. Ett alternativ för att lagra energi är att utvinna vätgas genom elektrolys när priserna på elmarknaden är låga för att sälja detta till olika aktörer. Tanken är att prisdalar ska jämnas ut om en överproduktion av el motverkas av en ökande elförbrukning genom vätgasframställning. På samma sätt jämnas pristopparna ut genom att upphöra med denna framställning när elproduktionen minskar. De aktörer som kan tänkas använda den producerade vätgasen kan vara allt från förbrukare inom industrin, vätgasbilar i transportsektorn, stationära bränsleceller för reservkraftverk, omvandling av koldioxid till biogas med hjälp av vätgas och konvertering av oljeeldade värmepannor. Vätgas är en skrymmande gas vid normalt tryck och temperatur, varför lagring måste ske i högt tryck eller i vätskefas. Detta göra att lagring och transport är två av de kostsammaste aspekterna i vätgashanteringen. Elpriset är också en stor kostnadsdrivare när vätgas framställs genom elektrolys. Dock kan en del av kostnaden för inköp av elenergi till en sådan här elektrolysanläggning undvikas om den placeras inom ett så kallat icke konscessionspliktigt nät, där ingen överföringsavgift behöver betalas. Exempel på sådana områden är vindkraftsparken på berget Uljabuouda utanför Arjeplog och fjärrvärmeverket på Hedensbyn i Skellefteå. Det huvudsakliga syftet med denna rapport har varit att undersöka om det är ekonomiskt försvarbart att lagra energi i form av vätgas genom elektrolysframställning. För att undersöka detta valdes att placera två tänkta elektrolysörer på Uljabuouda och Hedensbyn tillsammans med en jämförelseanläggning i Arjeplogs samhälle. Dessutom valdes två olika storlekar på elektrolysörerna, en som producerar 150 Nm3 vätgas i timmen, kallad C150, och en annan som producerar 300 Nm3, kallad C300. Förutom det huvudsakliga syftet har rapporten undersökt vilket snittpris på el det varit under de senaste fyra åren. Det presenteras också några beräkningar för olika marknadsaktörers möjligheter att använda vätgas. Undersökningens resultat Lönsamheten för elektrolysören styrs i första hand av om all vätgas som produceras kan säljas, givet att anläggningen placeras inom icke koncessionspliktigt nät. Placeras den utanför sagda område är lönsamheten betydligt sämre. Placering av elektrolysören på Hedensbyn ger lite bättre ekonomiskt resultat och kortare återbetalningstid i jämförelse med en placering på Uljabuouda. Det här beror till största del på de stordriftsfördelar som antas erhållas i anslutning till ett bemannat fjärrvärmeverk. Återbetalningstiden i år för en elektrolysör som producerar 150 Nm3/h, med en drifttid på 4000 h/år och ett försäljningspris för vätgasen på 90 kr/kg är följandeUljabuouda: 11,3 år Arjeplog: 14,4 år Hedensbyn: 10,8 år Återbetalningstiden i år för en elektrolysör som producerar 300 Nm3/h, med en drifttid på 4000 h/år och ett försäljningspris för vätgasen på 90 kr/kg är följandeUljabuouda: 7,92 år Arjeplog: 9,25 år Hedensbyn: 7,75 år Det är osäkert om det går få tillstånd att bygga en elektrolysör på Uljabuouda. Detta gör att det kanske inte ens är lönt att överväga byggnation av en elektrolysör på detta ställe. De senaste fyra åren har snittpriset på el har varit 274 kr/MWh. Vid ett så lågt elpris kan vindkraftverk få problem med lönsamhet för sin elproduktion. Marknadsundersökningen visar att marknaden för vätgas i Västerbotten och Norrbotten inte är speciellt stor i nuläget. Den kan dock komma att växa. Biltestverksamheten i Arjeplog kan inom en snar framtid förbruka en väsentlig del av det som en elektrolysör i storlek C150 producerar. Fjärrvärmeverket på Hedensbyn är också en möjlig förbrukare av vätgas i sina uppstartsbrännare.There is a consensus amongst climate scientists around the world that a shift from fossil fuels to more climate-neutral alternatives must take place in the energy production in order to cope with global warming. One way to succeed with this is to produce energy from renewable sources such as wind and solar power. This is also something that is increasingly being utilized around the world, but problems arise when a large part of a region's share of energy production comes from these sources. There can be price volatility in the market, with prices that vary as much as wind or solar radiation. Sometimes prices drop so low that it is difficult to achieve profitability for power plants. In order to overcome this imbalance in the energy market, an energy storage system will need to be built that stores the energy the renewable sources produce. An alternative to storing energy is to extract hydrogen through electrolysis when prices in the electricity market are low to sell this to different players. The idea is that price valleys will be leveled out if an overproduction of electricity is counteracted by increasing electricity consumption through hydrogen production. Similarly, pricing peaks are leveled by ending this production when power generation decreases. The operators who may use the hydrogen produced may range from industrial users, hydrogen vehicles in the transport sector, stationary fuel cells for reserve power plants, conversion of carbon dioxide to biogas by hydrogen and conversion of oil-fired boilers. Hydrogen is a bulky gas at normal pressure and temperature, so storage must take place in high pressure or in liquid phase. This means that storage and transportation are two of the most expensive aspects of hydropower management. Electricity price is also a major cost driver when hydrogen is produced by electrolysis. However, part of the cost of purchasing electricity for such an electrolysis plant can be avoided if it is placed within a so-called non-licensed network, where no transfer fee is required. Examples of such areas are the wind farm on the Uljabuouda mountain outside Arjeplog and the district heating plant at Hedensbyn in Skellefteå. The main purpose of this report has been to investigate whether it is economically justifiable to store energy in the form of hydrogen through electrolysis production. To investigate this, it was decided to place two thought electrolysers on Uljabuouda and Hedensbyn together with a comparison facility in Arjeplog's society. In addition, two different sizes were selected on the electrolysis tubes, one that produces 150 Nm3 hydrogen per hour, called C150, and another that produces 300 Nm3, called the C300. In addition to the main purpose, the report has examined the average price of electricity for the last four years. It also presents some estimates for the potential of various market participants to use hydrogen. Survey results: The profitability of the electrolyzer is primarily governed by the fact that all hydrogen produced can be sold, given that the plant is placed within non-concessionary networks. Placed outside the stated area, profitability is significantly reduced. Placement of the electrolyzer on Hedensbyn gives a little better financial performance and a shorter payback time compared to a location on Uljabuouda. This is largely due to the economies of scale assumed to be obtained in connection with a manned district heating plant. The payback time in figures for an electrolyzer that produces 150 Nm3/h, with a running time of 4000 h/year and a sales price of 90 kr/kg of hydrogen is the followingUljabuouda: 11,3 år Arjeplog: 14,4 år Hedensbyn: 10,8 år The payback time in figures for an electrolyzer producing 300 Nm3 / h, with a running time of 4000 h / year and a sales price of 90 kr / kg of hydrogen is the followingUljabuouda: 7,92 år Arjeplog: 9,25 år Hedensbyn: 7,75 år It is uncertain whether permission is being given to build an electrolyzer on Uljabuouda. This may make the construction of an electrolytic tube there not even worth to consider. In the past four years, the average electricity price has been 274 kr / MWh. This is a low electricity price due to overproduction of electricity. At such a low electricity price, wind turbines can have problems with profitability for their production. The market survey shows that the market for hydrogen in Västerbotten and Norrbotten is not particularly high at present. However, it may grow. The car test business in Arjeplog can in the near future consume an essential part of what an electrolytic tube in size C150 produces. The district heating plant at Hedensbyn is also a potential hydrogen source in its boot burner