Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

The concept of converting electricity into a gaseous energy carrier, power-to-gas (PtG), sits at an interesting intersection coupling the power grid with chemical energy storage. By using electrolytic hydrogen to convert otherwise unused CO2 from biogas production into methane, local production of renewable fuels can be increased. Incorporating hydrogen storage allows for a more flexible operation based on electricity prices or excess renewable generation. In addition, due to the flexible power usage of the electrolyser, it has the possibility to participate on grid frequency balancing markets such as FCR-D. This could provide additional income, thus having the potential to increase the economic performance of the system.
This master’s thesis developed a model which simulates the effects of FCR-D participation of an electrolyzer in a PtG-system consisting of a biogas plant, wastewater treatment plant, electrolyzer, hydrogen storage and methanation reactor. The model was developed in Python and calculated the hourly possible reserved power on the FCR-D market by the electrolyzer based on the maximum allowed deviations of the electrolyzer operation and the corresponding effects on hydrogen production. It also calculated the hourly averaged FCR-D activation based on frequency data and FCR-D requirements, as well as introduced a secondary hydrogen storage available only for the FCR-D operation (”buffer storage”). The yearly PtG operation was then simulated for 2021 for 304 different configurations of electrolyzer size, hydrogen storage size and buffer storage size in order to analyze how these different configurations affected the main Key Performance Index Levelized Cost of Power-to-Gas (LCOPtG). This thesis also compared selected configurations’ LCOPtG when participating as a FCR-D reserve versus when not participating. A sensitivity analysis for these selected configurations regadring changes in electricity price, FCR-D price and year was also conducted.
The results show that LCOPtG decreased when the system participated as a FCR-D reserve, regardless of which configuration was used. The ability to reserve power on the FCR-D market, which corresponds to the income from FCR-D participation, increased as the electrolyzer size and buffer storage size increased, which resulted in lower LCOPtG even if the investment cost also increased. In turn, the sensitivity analysis showed that these oversized configurations were more prone to changes in LCOPtG when price and year changed, showing that the configurations with the lowest LCOPtG were also the most affected by varying cicumstances. Thus, the conclutions of this thesis are that FCR-D participation has the potential of increasing PtG profitability, but depends greatly on the system dimentions. Lastly, additional studies regarding this subject are needed in order to validate results and increase understanding of the intricacies of these systems.

Power-to-gas är system som använder elektricitet för att producera energirik gas, där metan eller vätgas är de vanligaste produkterna. Metan är en väldigt vanlig energikälla som vanligtvis har fossilt ursprung (naturgas), och om förnybara energikällor används för ett Power-to-gas-system har detta möjligheten att minska klimatavtrycket om naturgas byts ut mot biogen metan. Detta sker via en elektrolysör som använder elektricitet för att spjälka vatten till vätgas och syrgas, som båda har många användningsområden inom exempelvis energitillämpningar och kemisk industri.
I detta examensarbete undersöks ett Power-to-gas-system centrerat kring ett biogasverk i Uppsala. Vätgasen från elektrolysören kombineras med koldioxiden från biogasen för att bilda metan - en process som kallas metanisering - som då ökar mängden metan från biogasverket, vilket kan användas som ett förnybart drivmedel i transportsektorn. Då detta system använder sig av en elektrolysör som använder elektricitet från elnätet finns möjligheten att delta som en balanstjänst, vilket innebär att på kommando ändra sin elanvändning för att se till att elnätets frekvens är i balans. Detta är något som uppskattas bli viktigare i framtiden i takt med att elektrifieringen ökar, och är en tjänst som balanstjänstgivaren får betalt för. Detta examensarbete har tagit fram en modell som simulerar detta balanstjänstdeltagande för en elektrolysör i ett Power-to-gas-system i syftet av att undersöka hur detta påverkar systemets tekniska och ekonomiska prestanda.
Resultaten visade att inkomsten från balanstjänsterna sänkte systemkostnaderna med ca 8 % utan att störa driften eller ändra några av systemets dimensioner, och kunde sänka systemkostnaderna med upp till 30% om systemdimensionerna ändrades till att utnyttja balanstjänsterna bättre. De bättre ekonomiska resultaten var även de som var mest känsliga för variation i el- och balanstjänstpris, vilket visar att noggranna avvägningar måste göras för att uppnå långsiktig ekonomisk hållbarhet för dessa system.