Analys av storskalig vätgasanläggning för effektbalansering och regional transportsektor : Simulering av ekonomi, storlek och miljö

Sammanfattning: För att minska de globala utsläppen och klara klimatmålen i Parisavtalet måste fossil elproduktion fasas ut och ersättas av förnybar energi. Förnybara energikällor, exempelvis vindkraft, har ökat kraftigt de senaste åren. Detta introducerar nya utmaningar då elproduktionen inte alltid stämmer överens med elbehovet eftersom förnybara energikällor inte kan kontrolleras på samma sätt som de fossila; vindkraftverken kan inte producera el utan vind. Detta får konsekvensen att elnätets stabilitet och elens kvalité blir sämre, samt att elpriset varierar kraftigare. Problemet kan lösas genom att köpa överskottsel och lagra energin när elbehovet är lågt, för att sedan sälja den när elbehovet är högt. På så sätt jämnas effektvariationerna ut. Att lagra energi i form av vätgas, har pekats ut som den mest lovande metoden för att genomföra detta i tillräckligt stor skala. Vätgas produceras i en elektrolysör av el och vatten när elbehovet, och därmed elpriset (spotpriset) är lågt. Vätgasen lagras sedan i naturliga och konstgjorda bergrum för de största anläggningarna, eller ovan jord i tankar och tuber för mindre anläggningar. När elbehovet och därmed elpriset i stället är högt omvandlas vätgasen till el i en bränslecell. I elektrolysören och bränslecellen produceras även spillvärme som kan utnyttjas exempelvis i ett fjärrvärmenät. Konstruktionen av vätgasanläggningar gör även en omvandling till vätgasdrift inom transportsektorn möjlig, vilket skulle medföra reducerade utsläpp av växthusgaser. Syftet är att visa vätgasens potential att bli en framtida energibärare och buffert i det svenska elnätet genom att studera olika design- och driftparametrar för en tänkt vätgasanläggning integrerad med värmekraftverket Heden, som drivs av Karlstads Energi AB. Den årliga fordonsvätgaskonsumtionen för Värmlandstrafik AB beräknas med hjälp av företagets totala körsträcka under 2020 ihop med kilometerförbrukningen vätgas för vätgasvarianterna av deras fordonstyper. Karlstads Energi AB:s årliga förbrukning beräknas genom att omvandla företagets mängd förbrukat bränsle under 2020 till den mängd vätgas som kan utföra samma arbete. De olika bränsletypernas energitäthet och de olika fordonens verkningsgrader används. För att simulera anläggningens årsintäkt konstrueras en modell i SIMULINK 9.2. Modellen har entimmes tidssteg vilket leder till 8760 tidssteg totalt. Spotpris tas in på timbasis och bestämmer om vätgas ska produceras i elektrolysören, konsumeras i bränslecellen för att producera el eller lagras tills senare. Spillvärmen från elektrolysören och bränslecellen säljs som fjärrvärme. Den beräknade årliga fordonsvätgaskonsumtionen delas upp till en daglig mängd med två fasta årliga nivåer. Värmlandstrafik AB använder en sommartidtabell vilket medför att förbrukningen sjunker under denna period. Anläggningens totala årsintäkt beräknas som såld el, fordonsvätgas och värme, minus köpt el och relaterade elhandelavgifter. Genom att bland annat variera storleken av anläggningens lagerstorlek samt elektrolysörens och bränslecellens märkeffekt byggs olika scenarion upp. Det reducerade utsläppet koldioxidekvivalenter beräknas genom att multiplicera vardera av de nuvarande bränslenas årsförbrukningar med respektive bränsles emissionsfaktor. Vätgasproduktionens utsläpp räknas som livscykelutsläppen för den konsumerade elen. 1360 ton vätgas/år är den årliga fordonsvätgaskonsumtionen som krävs för att tillgodose Värmlandstrafik AB:s och Karlstads Energi AB:s transporter. Den simulerade anläggningens årsintäkt är 51 – 65 MSEK/år beroende av anläggningens dimensioner och vilket spotpris som används. Bränslecellen beräknas ej vara lönsam i syftet att balansera elnätet. Ersättandet av de nuvarande bränslena med vätgas reducerar utsläppen med 4770 ton CO2eq/år räknat med svensk elmix, 1630 ton CO2eq/år räknat med nordisk elmix och 5870 ton CO2eq/år räknat med el köpt med ursprungsgaranti. Den framräknade fordonsvätgaskonsumtionen är stor nog för att installera en vätgasproduktion vid Heden. De miljömässiga fördelarna är också betydande. Med dagens verkningsgrader och avgifter krävs ett ostabilare spotpris för en bränslecell att bli lönsam. De ekonomiska simuleringarna är inte heltäckande nog för att möjliggöra några direkta beslut, men kan användas som grund. Fokus för fortsatta studier bör därför ligga i att inkludera investeringskostnader och avskrivningstider samt räkna på systemtjänsten som en bränslecell utför.