Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

För att det svenska elnätet ska fungera krävs det att balansen på elnätet upprätthålls hela tiden, skillnader mellan produktion och efterfrågan leder till obalans på elnätet. I dagsläget, i Sverige, upprätthålls balansen genom att minska eller öka elproduktionen från vattenkraften. Power-to-gas är en ny teknik som erbjuder ett alternativ eller ett komplement till att upprätthålla balansen på elnätet. Principen bakom power-to-gas är att elpriset varierar beroende på förhållandet mellan produktion och efterfrågan. När produktionen är högre än efterfrågan sjunker elpriset och vice versa. Power-to-gas använder den billiga elektriciteten till att producera andra energibärare som är lättare att lagra. Ofta används vätgas som energibärare eftersom elektriciteten kan användas till att spjälka vatten i en elektrolysör och produceras vätgas. Vätgasen kan omvandlas i ett ytterligare steg som kallas metanisering. Vid metaniseringen tillförs koldioxid som reagerar med vätgasen antingen genom katalytisk metanisering eller biologisk metanisering. Slutprodukten blir metan som kan användas på samma sätt som naturgas eller biogas, eftersom alla tre produkter består av samma sorts kemiska molekyl. Metan kan antingen förbrännas och producera värme och elektricitet, eller så kan den användas som fordonsbränsle. En svårighet med power-to-gas är att få systemen ekonomiskt lönsamma eftersom både elektrolysör och metanisering har höga investeringskostnader. Syftet med den här studien var att undersöka hur systemets lönsamhet påverkas av hur biprodukterna används samt av eltillförsel från en egen solcellsanläggning. Ett ytterligare syfte var att undersöka hur ett power-tomethan system kan designas och styras för att producera metan enligt efterfrågan. För att kunna beräkna den ekonomiska lönsamheten behövs en modell av systemet. Därför var ett mål med studien att utveckla en dynamisk modell för att beräkna den ekonomiska lönsamheten. För att bedöma den ekonomiska lönsamheten användes fyra parametrar: "levelised cost of kg methane", "capital expenditure", "net cash flow" samt "net present value". "Levelised cost of kg methane"(LCOE) defineras som de totala kostnaderna dividerat med mängden producerad metan. LCOE representerar därmed produktionskostnaden per kg metan. För att uppnå ekonomiskt lönsamhet måste LCOE vara lägre än försäljningspriset för metan. "Capital expenditure"(CAPEX) representerar de totala investeringskostnaderna inklusive nödvändiga byten av elektrolysör och metanisering reaktor. "Net cash flow"(NCF) defineras som intäkterna minus de rörliga kostnaderna och ger ett uttryck för den årliga vinsten/förlusten. Om NCF har ett negativt värde är systemet inte lönsamt och vice versa. "Net present value"(NPV) är skillnaden mellan totala kostnader och totala intäkter under systemets hela livslängd, uttryckt i nutida värde. Precis som för NCF så betyder ett negativt värde att systemet, sett över dessa hela livslängd, har högre kostnader än intäkter och därmed är olönsamt. Eftersom den ekonomiska lönsamheten är beroende av lokala förutsättningar, så som priset av metan, utfördes en fallstudie. I fallstudien integrerades power-to-metan systemet till den nuvarande biogasanläggningen i Uppsala, vilken är en koldioxidkälla, eftersom biogas före uppgradering består av koldioxid och metan. Den utvecklade dynamiska modellen visade lönsamhetens känslighet för förändringar i investeringskostnader, elpris, pris för metan samt pris för syrgas. Denna känslighet är ofrånkomlig på grund av systemets natur där stora mängder elektricitet konsumeras och stora mängder metan samt syrgas produceras. Den dynamiska modellen visade sig vara lämplig för att beräkna systemets lönsamhet, men man ska vara medveten om att tillförlitliga indata krävs för att få tillförlitliga beräkningsresultat. Resultatet visade att systemet, med de antaganden som är gjorda, har svårt att bli ekonomiskt lönsamt. Tillgänglig information angående investeringskostnaderna för biologisk metanisering samt priset på syrgas var bristfällig, vilket kan påverka resultatet. Även ett lågt värde på investeringskostnaderna för biologiskt metanisering gav negativt NPV. Ett pris på 7 kr/kg för syrgasen gav positivt NPV, men detta värde är högre än priset som syrgas säljs för. Försäljningen av biprodukten syrgas visade ha stor inverkan på den ekonomiska lönsamheten medan försäljning av restvärme inte påverkade den ekonomiska lönsamheten i särskilt stor utsträckning. Resultatet visade även att det är ekonomisk lönsamt att installera solceller för egen elproduktion. Dock visade sig en mindre installerad effekt ge bättre ekonomisk lönsamhet än en större installerad effekt. Det tyder på att en installerade effekten anpassad till elektrolysörens effekt ger ökad lönsamhet. Slutligen undersöktes vad som krävdes för att systemet skulle bli ekonomiskt lönsamt med fokus på de osäkra parametrarna, det vill säga investeringskostnaderna för biologisk metanisering samt priset för syrgas. Resultatet visade att en 60 % reduktion av investeringskostnaderna för biologisk metanisering i kombination med ett syrgaspris på 5 kr/kg gav ett ekonomiskt lönsamt system. Vid ett syrgaspris på 4 kr/kg kunde andra åtgärder så som skattebefrielse av biogas, lägre investeringskostnaderna för elektrolysören eller ett ökat antal drifttimmar ge ett lönsamt system. En kombination av alla åtgärder gav ett NPV på drygt 3,4 miljoner EUR. Det finns många ytterligare aspekter att undersöka, till exempel möjligheten att omvandla biogasen till flytande biogas. Användningen av syrgas kan undersökas mer i detalj, till exempel genom att undersöka möjligheten att använda syrgasen vid det närliggande reningsverket. Eftersom investeringskostnaderna för biologisk metanisering hade stor påverkan på resultatet vore det även intressant att undersöka om katalytisk metanisering skulle kunna förbättra den ekonomiska lönsamheten.