Energy system planning of Zero Emission Neighborhood in Bodø combined with hydrogen ferries

Abstract

Prosjektet "ny by- ny flyplass" i Bodø har som mål å ombygge dagens flyplass til en mindre flyplass, og en nullutslippsbydel med en ny generasjon bygg som er miljøvennlige og energieffektive. 15000 nye hjem skal bli bygd og 20000 nye arbeidsplasser skal bli etablert. Dette er et pilotprosjekt for nullutslippsbydeler, målet med pilotprosjektet er å utvikle en urban og miljøvennlig bydel som minimerer energiforbruket og med null klimagassutslipp. Fornybare energikilder er nødvendige for å oppnå et lavutslippsamfunn, og reduksjon av karbonutslippet i transportsektoren er en viktig del for å nå målet om et lavutslippsamfunn. Sjøtransportsektoren er en viktig del av transportsektoren i Bodøområdet og har et stort reduksjonspotensial i forhold til klimagassutslipp.

Hovedoppgaven til denne masteroppgaven er å undersøke valget av egnet energisystem for den nye nullutslippsbydelen i Bodø kombinert med hydrogenferger. Bydelen vil ha lokal kraftproduksjon i form av vindkraft og solkraft, og et system med hydrogenlager vil bli inkludert. Denne masteroppgaven bruker Matlab programmet windhydtool til å beregne størrelsen av energisystemet som skal dekke nullutslippsbydelen og tre ferger fra Bodø, en til Røst, en til Værøy og en til Moskenes. Fergene kjører to ganger om dagen, og om i sommermånedene juni, juli og august kjører de fire ganger om dagen på grunn av alle turistene som besøker området. Disse fergestekkene er de lengste og mest utfordrende i Norge, og de er for lange for elektriske batteri, derfor er hydrogen nyttet som drivstoff en god løsning. Vindturbiner, eller solcellepanel, eller en kombinasjon av begge teknologiene skal dekke bydelens elektrisitetsbehov og fergenes hydrogen behov. Systemet har lokal kraftproduksjon, men er koblet til strømnettet så kraft kan bli importert og eksportert når det trengs.

Først er størrelsen og sammensetningen på byggningsmassen estimert og bydelens elektrisitetbehov estimert. Videre er fergenes hydrogenlast estimert for å kunne gjøre beregningene. Tre hovedscenarioer ble kjørt: en med bare elektrisitetslasten og med hydrogenlageret og brenselcellen, en med både elektrisitetslasten og hydrogenslasten og hydrogenlageret er bare brukt til hydrogenlasten, den siste med både elektrisitetslasten og hydrogenlasten og hydrogenlageret og brenselcellen. Tilslutt ble alle hovedscenarione kjørt hvor energibehovet ble dekket av: bare vindkraft, bare solkraft og en kombinasjon av 80 % vindkraft og 20 % solkraft.

Resultatene viser hvordan fergenes hydrogenlast påvirker kraftbehovet. Det årlige hydrogenbehovet er 26,5 GWh, og elektrisitetlasten er 101,3 GWh. Hovedmålet til bydelen er null-energi målet, og bydelen skal bli så selvforsynt med energi som mulig. Scenarioet med både hydrogenlasten og elektrisitetslasten inkludert og som har den laveste importen av kraft fra strømnettet er scenarioet med 43500 kW installert vindkraft og 10900 kW installert solkraft. Importen av kraft for dette tilfellet er 37 GWh. En kombinasjon av vindkraft og solkraft gir en optimalisert løsning, dette er fordi vindkraftproduksjonen er høyest på vinteren når vindhastigheten er høyest og solkraftproduksjonen er høyest på sommeren når solinnstrålingen er størst. Denne løsningen bruker brenselcellen til å produsere elektrisitet til å dekke en del av bydelens elektrisitetsbehov.

The Bodø airport redevelopment project aims to turn today's airport area into a smaller airport and a Zero Emission Neighborhood with a new generation of buildings that are environmentally friendly and energy efficient. 15000 new homes and 20000 working places are planned to be build. This is a pilot project for Zero Emissions Neighborhoods, the goal for the pilot project is to develop an urban and environmentally friendly neighborhood, whit minimized energy demand, and with zero greenhouse gas emissions. Renewable energy sources are needed to achieve a low carbon society, and decarbonization of the transportation sector is a major part of reaching the goal of a low carbon society. The sea transportation sector is a major means of transportation in the Bodø area and has a considerable emission reduction potential.

The main contribution of this thesis is an investigation of the power system choice in the new zero emission neighborhood in Bodø in a combination with hydrogen ferries. The neighborhood will have local and nearby power production as wind power and PV power, and a hydrogen storage system will be included. This thesis uses the Matlab model windhydtool to calculate the sizing of the power system for the Zero Emission Neighborhood in Bodø combined with three hydrogen ferries from Bodø, one to Røst, one to Moskenes, and one to Værøy. The ferries run two times a day, and in the summer months June, July, and August the ferries run four times a day, due to all the tourists visiting the area in the summer. These ferry routes are the longest and most difficult in Norway and too long for electricity battery, therefore hydrogen used as the fuel is the right solution. Wind power plant or PV power plant or a combination of both technologies should cover the electrical load of the neighborhood, and also cover the ferries' hydrogen load with hydrogen production. The system has local onsite and nearby power production, but is grid connected so electricity can be imported and exported when needed.

First, an estimate of the building stock and the neighborhood's hourly electricity demand was made. Furthermore, an estimate of the ferries hourly hydrogen demand was made to do the calculations. Three main scenarios were run: one with only electricity load and with use of hydrogen storage and fuel cell, one with both the electricity demand and the hydrogen demand and the hydrogen stored is only used for the ferries, the last one with both the electricity demand and the hydrogen demand and with use of the fuel cell. Further, each of these three main scenarios is run ; with only wind power, only PV power, and a combination of 80% wind power and 20% PV power.

The results show how the ferries' hydrogen load impacts the power production demand. The hydrogen load each year is 26,5 GWh, and the electricity load is 101,3 GWh. The main goal for the neighborhood is the zero energy goal, and the neighborhood should be as much as possible self supplied with energy. The case where both hydrogen load and electricity load are included and which has the lowest power import from the grid over the year is the case with 43500 kW installed wind power capacity and 10900 kW installed PV power capacity. The power import from the grid for this case is 37 GWh. A combination of wind power and PV power gives an optimized solution, because the wind power plant produces at its maximum during the winter when the wind speed is high and the PV power plant produces at its maximum during summer when the solar irradiance is high. This solution uses the hydrogen fuel cell, so it is beneficial to use the stored hydrogen in the fuel cell and produce electricity to cover a share of the neighborhood's electricity demand.