Sizing and Utilising Hydrogen Storage for Excess Wind Power: a case study: EPV Energia wind farm Torkkola, Vaasa, Finland

Abstract

To combat global warming and climate change, energy generation must move from non-renewable to renewable. An energy system with purely renewable energy generation comes with its challenges as the dispatchability of renewable energy generation such as wind power makes up for challenges in balancing the balance-requiring supply and demand. Energy storage, such as hydrogen storage, can be used to store energy and later use it when needed.

This thesis was commissioned by EPV Energia. The thesis aimed to propose the size of the hydrogen storage and the cost-effective use of its hydrogen to store excess energy from wind power generated by the wind farm Torkkola (52.8 MW), located in Vasa, Finland. Previous production data and electricity Day-Ahead prices were analysed to propose the size of the hydrogen storage. Process efficiencies brought from literature as well as the analysed data were used to determine the cost-effective use of the stored energy.

As a result, it was found that for the analysed time period, the hydrogen storage capacity would need to be 152.27 MWh, and the electrolyser would need to be 28 MW. If the stored energy was to be sold as hydrogen, the price would need to be 1.64 more than the price of the electricity used to make hydrogen to be profitable. If the hydrogen was to be converted back to electricity, the price would need to be 2.74 times the original electricity price to be profitable.

The limitations of this thesis are that the only factors when estimating the size of the hydrogen storage are the electricity Day-Ahead prices and wind power production. No other efficiency losses are considered than electrolysis, compression, and fuel cell.

Future work could take into consideration the system cost of a hydrogen system – the investment, maintenance and running costs. This would give a more accurate estimation of the final cost of the stored energy.

För att motarbeta global uppvärmning och klimatförändring bör man skifta energiproduktionen från icke-förnybar energiproduktion till förnybar energiproduktion. Ett energisystem med endast förnybar energi har sina utmaningar eftersom förnybar energi är varierande beroende på väderförhållanden, och är därför utmanande att uppskatta produktionsmängd. Energisystem kräver balans mellan konsumtion och produktion, vilket kan vara utmanande att uppnå med förnybar energi. Därför kan energilagring, såsom vätgaslager, användas för att förvara överloppsenergi och sedan använda energin vid behov.

Det här examensarbetets uppdragsgivare är EPV Energia. Examensarbetets mål var att på basis av Day-Ahead priser för el och vindkraftsproduktionsdata från vindkraftsparken Torkkola (53,8 MW), lokaliserad i Vasa, Finland, föreslå ett lämpligt storleks vätgaslager för att lagra överloppsproducerad el. Effektgrader för väteproduktionsprocessen tagna från litteratur samt analyserade data användes för att komma fram till ett kostnadseffektivt sätt att använda den lagrade energin.

Resultaten av den analyserade tidsperioden visade att kapaciteten av vätgaslagret bör vara 152,27 MWh och ha en elektrolysator med kapaciteten 28 MW. Ifall den lagrade energin blev såld som väte, bör priset på energin vara åtminstone 1,64 gånger det ursprungliga priset av elen som användes för att skapa väte till vätelagret för att vara lönsamt. Ifall det lagrade vätet konverterades tillbaka till el, bör priset av elen vara åtminstone 2,74 gånger det ursprungliga elpriset för att vara lönsamt.

Begränsningar i examensarbetet är att de enda faktorerna som beaktades i uppskattningen av storleken av vätelagret var Day-Ahead priser för el och vindkraftsproduktionsdata. Inga andra effektförluster är beaktade än förlusterna i elektrolys, kompression och bränslecell.

Framtida arbeten kunde beakta systemkostnaden för vätelagret: investerings-, underhålls- och driftskostnader. Detta skulle ge en mer noggrann uppskattning av priset på den lagrade energin.

Ilmaston lämpenemisen ja ilmastonmuutoksen torjumiseksi energiantuotannon on siirryttävä uusiutumattomasta uusiutuvaan. Puhtaasti uusiutuvaa energiaa tuottavassa energiajärjestelmässä on haasteensa, sillä uusiutuvan energiantuotannon, kuten tuulivoiman, täsmällinen ennustaminen on vaikeaa, mikä luo haasteita tasapainoa vaativan kysynnän ja tarjonnan tasapainottamisessa. Energiavarastoa, kuten vetyvarastoa, voidaan käyttää energian varastointiin ja myöhemmin tarvittaessa käyttää varastoitua energiaa.

Tämän opinnäytetyön toimeksiantaja on EPV Energia ja työn tavoitteena oli ehdottaa vetyvaraston kokoa ja varaston vedyn kustannustehokasta käyttöä keinona varastoida ylimääräistä energiaa Vaasassa sijaitsevan tuulipuiston Torkkolan (52,8 MW) tuottamasta tuulivoimasta. Aikaisemmat tuotantotiedot ja sähkön Day-Ahead-hinnat analysoitiin vetyvaraston koon ehdottamiseksi. Varastoidun energian kustannustehokasta käyttöä selvitettiin kirjallisuudesta tuotujen prosessitehokkuuksien sekä analysoitujen tietojen perusteella.

Tuloksena todettiin, että analysoitavalla ajanjaksolla vetyvaraston kapasiteetin tulisi olla 152,27 MWh ja elektrolyysilaitteen 28 MW. Mikäli varastoitu energia myytäisiin vetynä, hinnan pitäisi olla 1,64 enemmän kuin vedyn tuottamiseen käytetyn sähkön hinta ollakseen kannattavaa. Jos vety muutetaan takaisin sähköksi, hinta pitäisi olla ainakin 2,74 kertaa korkeampi kuin vedyn tuottamiseen käytetyn sähkön hinta ollakseen kannattavaa.

Tämän opinnäytetyön rajoitteena on, että vetyvaraston kokoa arvioitaessa ainoat tekijät ovat sähkön Day-Ahead-hinnat ja tuulivoiman tuotanto. Muita tehokkuushäviöitä kuin elektrolyysi, paineistus ja polttokenno ei oteta huomioon.

Tulevaisuudessa voitaisiin ottaa huomioon vetyjärjestelmän järjestelmäkustannukset: investointi-, ylläpito- ja käyttökustannukset. Tämä antaisi tarkemman arvion varastoidun energian lopullisesta hinnasta.