Ekonomisk optimering av en vätgasanläggning med sektorkoppling till ett fjärrvärmesystem

Sammanfattning: Ökad mänsklig aktivitet och global folkmängd har lett till ökat energibehov där största andelen av energin är från fossila bränslen. Vätgas ses som en effektiv energibärare som kan produceras med förnyelsebara resurser och ersätta fossila bränslen. Vätgas producerad med förnyelsebara resurser är dock fortfarande dyrt jämfört med produktion från fossila bränslen.Det finns få tidigare studier som har studerat utnyttjandet av spillvärme från vätgasanläggningar och vilken påverkan det kan ha på den ekonomiska lönsamheten.Den här studien som sker i samarbete med Research Institutes of Sweden (RISE), syftar till attoptimera en vätgasanläggning, med ett på förhand definierat vätgasbehov, utifrån ett ekonomiskt perspektiv och se om en sektorkoppling till ett fjärrvärmenät kan förbättra det ekonomiska resultatet. Sektorkoppling innebär i den här studien att spillvärme skickas från vätgasanläggningen in till fjärrvärmenätet. Systemet som studeras består utav en elektrolysör, en bränslecell och ett vätgaslager. Systemet är beskrivet så att i första hand producera en förutbestämd mängd vätgas som ska användas till fordonsbränsle. Därutöver kan systemet utnyttjas för elenergilagring via vätgaslagring, om det visar sig ekonomiskt fördelaktigt. Målen är att optimera fram ett pris för vad vätgasen behöver kosta för att anläggningen ska nå break-even, dimensionera elektrolys, vätgaslager och bränslecell utefter optimal drift ochstudera vad som påverkar den optimala driften av anläggningen.Metoden som används för att optimera vätgasanläggningen är linjärprogrammering i programmet MATLAB. I optimeringen ska den lägsta möjliga nettokostnaden (eventuella högsta nettointäkten) för systemet beräknas. Alla kostnader och intäkter beskrivas linjärt, sedan definieras alla variabler som påverkar kostnader och intäkter. Variablerna kommer i sin tur att bero på villkor, samt linjära likheter och olikheter som begränsar hur små eller stora värden de får anta för att påverka resultatet. Optimeringen sker över en tidsperiod på 1 år och med tidssteget två timmar. Historiskt elpris för 2021 SE3 användes i studien. Variationen i elpriset är svår att mäta, därför skapades även ett eget elpris som inte är så komplext för att närmare kunna studera variationens påverkan.Resultaten visar att vätgasen ska säljas för ungefär 36,6 kr/kg för att nå break-even när priset optimeras och spillvärmen inte utnyttjas. Utnyttjandet av spillvärme kan sänka priset med 1,6 - 2,5 kr/kg beroende på om spillvärmen utnyttjas delar av eller hela året. Elektrolysör och vätgaslager bör dimensioneras beroende på ett fördefinierat vätgasbehov, enligt dimensionsfaktorerna 4,9 [MW/(ton vätgas/dag)] respektive 1,4 [ton/(ton vätgas/dag)].Värmeeffekten som kan utnyttjas från vätgasanläggningen kan dimensioneras beroende på ett fördefinierat vätgasbehov, enligt dimensionsfaktorn 0,9 [MW/(ton vätgas/dag)]. Resultatet visar trender på att elpriset påverkar storleken på elektrolysör, vätgaslager och även vilka timmar som elektrolysen är aktiv. Att dimensionera anläggningen som funktion av elpriset har visat sig vara en komplex fråga, och fler studier behövs inom det området. En trend visar att utnyttjandet av spillvärme har en mindre påverkan på vätgaspriset vid högre verkningsgrad på elektrolysen, och ökad påverkan vid lägre verkningsgrad. Spillvärme som ersätter värme från fjärrvärmepanna minskar utsläppen med ungefär 38 kg CO2e/MWh beror på fjärrvärmeproducentens befintliga pannor/bränslen. För investerarna betyder resultaten en riktlinje för priset på vätgasen, uppskattad dimensionering av anläggningen, att det i praktiken aldrig är lönsamt med bränslecell och en inblick i det ekonomiska värdet av spillvärmen. För fjärrvärmebolaget betyder resultaten minskade utsläpp av koldioxidekvivalenter, en extravärmekälla och möjligen minskade kostnader. För energisystemet i stort betyder resultaten att den höga variationen på elpriset kan utnyttjas för att producera vätgas, att det gröna vätgaspriset kan sjunka från dagens nivåer och att spillvärmen kan bidra till ett effektivare energisystem.