A feasibility study of wind powered hydrogen production at Fosen
Abstract
Hydrogen (di-hydrogen, H2) er et ettertraktet drivstoff fordi det er det vanligste og letteste stoffet i universet, med to til tre ganger høyere energitetthet enn tradisjonelle drivstoff. Hydrogen kan produsere energi og vann via brenselsceller uten karbonutslipp. De vanligste industrielle produksjonsmetodene er dampmetanreformering og vannelektrolyse. Hydrogen produsert via elektrolyse er en attraktiv metode så lenge elektrolysen er drevet av fornybar energi.
Denne oppgaven undersøker muligheten for å produsere «grønt hydrogen» til en konkurransedyktig pris via vindkraft på Fosen i Trøndelag. Fosen Vind bygger for øyeblikket Europas største onshore vindkraftanlegg, med seks (6) vindparker på totalt 1 GW (3,6 TWh). Det tekniske aspektet ved hydrogenproduksjon via vindkraft er bevist mulig, men de økonomiske betingelsene er ikke ideelle. Vindkraftens varierende energiproduksjon utgjør en utfordring for å sikre tilstrekkelig driftstid. I tillegg er det vanskelig å utkonkurrere tradisjonelle drivstoff så lenge hydrogen forblir en liten industri. Ved å se på kapital- og driftsutgifter (CAPEX og OPEX) for forskjellige elektrolyseteknologier, lagringsteknologi og transport, kan kostnaden per kg for hydrogen bli beregnet. Disse utgiftene ble beregnet over en femtenårsperiode (basert på forventet levetid for elektrolyseutstyr) med en diskonteringsrente på 8%. Ettersom kostnaden ved elektrolyse hovedsakelig bestemmes av strømprisen ble kostnadene beregnet for et stort spenn av strømpriser basert på forventede strømpriser det kommende tiåret. Deretter ble disse kostnadene sammenliknet med nasjonale og internasjonale opplysninger for å anslå konkurransedyktigheten og sette kostnadene i perspektiv. Når den nødvendige informasjonen var tilgjengelig ble ulike deler av beregningene også sammenliknet med offentlig tilgjengelig kostnadsinformasjon for å vurdere reliabiliteten til beregningene (beregningene krevde antagelser som stammet fra tilsendte opplysninger). Disse sammenlikningene viste at sluttresultatene var i korrekt størrelsesorden, hvilket styrket reliabiliteten til beregningene. Kildene til CAPEX og OPEX for elektrolysørene stammet fra markedsaktører og publiserte vitenskapsartikler. Dette ga tilgang på mer nøyaktig data, men ettersom markedsaktørene krevde anonymisering kan ikke deres data bli verifisert av andre.
Gjennom denne undersøkelsen ble det funnet at mulig kostnadsspenn for hydrogenproduksjon via vindkraft på Fosen er 25,77-31,51 NOK/kg. Disse kostnadene er basert på forventet gjennomsnittlig strømpris det kommende tiåret på 32 øre/kWh (for øyeblikket er strømprisen på 55 øre/kWh før skatt). Disse beregningene er veiledende tall som blant annet påvirkes av valg av elektrolyseteknologi. De totale kostnadene inkludert lagring og transport ble beregnet til å være 46,78-53,13 NOK/kg for komprimert hydrogen, og 51,26-63,00 NOK/kg for flytendegjort hydrogen (LH2). Ettersom foreløpige hydrogenpris er 90 NOK/kg indikerer de beregnede kostnadene for Fosen Vind at de er kapable til å produsere hydrogen til en konkurransedyktig pris. Med andre ord, resultatene tilsier at kostnaden er tilstrekkelig under nåværende markedspris til at en hydrogenproduksjonsenhet på Fosen kan være lønnsom. Resultatene indikerer også at en hydrogenproduksjon basert på overskuddsstrøm (peak-shaving) ikke er lønnsomt, da en slik investering krever langt flere driftstimer enn det overskuddsstrømmen kan levere.
Det ble beregnet at Fosen potensielt kan produsere 10 000 tonn grønt hydrogen per år, nok til å drive 80 000 biler. Hydrogen (di-hydrogen, H2) is a coveted fuel due to it being the most common and lightest substance in the universe, with two to three times higher energy density than traditional fuels. Hydrogen can produce energy and water when used in a fuel cell with zero carbon emissions. The most common industrial methods for producing Hydrogen are by steam methane reforming (SMR) and water electrolysis. Renewable hydrogen is an attractive method as long as water electrolysers can be powered by renewable energy technologies.
This study investigates the feasibility of producing “green hydrogen” at a competitive price via wind power at the Fosen site, in Trøndelag county, Norway. Fosen Wind is currently building Europe's largest onshore wind power plant, with six (6) wind farms totaling 1 GW (3.6 TWh). The technical aspect of hydrogen production via wind power is shown to be possible, but the economic framework conditions are not ideal. The fluctuating nature of wind represent a challenge to ensuring sufficient operation time. Furthermore, outcompeting established traditional fuels is difficult as long as hydrogen remain a small industry. By looking at Capital Expenditure and Operating Expenses (CAPEX and OPEX) of different electrolyser technologies, storage technology and transport, costs per kg of hydrogen were calculated. They were generated over a 15-year period (based upon the expected lifetime of the electrolysers) at a discount rate of 8%. Since the cost of electrolysis is mostly determined by the electricity price, costs were calculated for a large span of electricity prices based upon expected electricity prices in the coming decade. Furthermore, these costs were compared with national and international data to assess competitiveness and put the costs into perspective. When the required data were available, various parts of the calculations were also evaluated against public cost information to assess the reliability of the calculations (the calculations required assumptions which were based upon supplied information). These comparisons showed that the end-results were in the correct order of magnitude, which strengthened the reliability of the generated data. The sources of CAPEX and OPEX for electrolysers originated from main market actors and published peer-reviewed technical articles. This gave access to more accurate data, although the main market actors requested confidentiality, thus the data cannot be verified by others.
Through this investigation, it was found that the costs of producing hydrogen via wind-powered electrolysis at Fosen could be in the range of around 25.77-31.51 NOK/kg. These costs are based upon a projected average electricity price for the next decade of 0.32 NOK/kWh (the current electricity price in Norway is 0.55 NOK/kWh exc. tax). These figures are indicative numbers which are affected by the choice of electrolyser technologies. Furthermore, the total costs including storage and transport were found to be 46.78-53.13 NOK/Kg for compressed hydrogen (CH2) and 51.26-63.00 NOK/kg for liquefied hydrogen (LH2). As the current retail price of hydrogen in Norway is around 90 NOK/kg (inc. tax), the calculated cost indicates that Fosen Wind is capable of producing hydrogen at a market competitive cost. In other words, it was found that the cost is sufficiently below the current market price and it is possible that a hydrogen production facility at Fosen could be profitable. The results also indicated that hydrogen production based upon surplus power (peak-shaving) does not pay off, as investment costs require an operation time significantly larger than what surplus power can supply.
It was calculated that the Fosen site could potentially produce around 10,000 tons of green hydrogen per annum, enabling to fuel 80,000 cars.