Automatic Frequency Regulation Through Hydrogen Production

Abstract

Med økende mengde installert variabel effekt fra sol- og vindkraft blir frekvensstabiliteten i det elektriske nettet utfordret i fremtiden. For å øke fleksibiliteten i nettet kan energilagringsenheter bestående av elektrolysører brukes som variable laster. Økt mengde fleksibel last vil hjelpe til med å holde produksjon og forbuk av energi i likevekt og dermed stabilisere frekvensen. Denne oppgaven ser på det tekniske og økonomiske potensialet i et vind-hydrogen system med en elektrolysør på 2.5 MW som leverandør av frekvensreguleringstjenester i Norge, Tyskland og Spania. Simuleringer for en oppskalert elektrolysør på 45 MW er også inkludert.

Resultatene i denne oppgaven viser at elektrolysører kvalifiserer seg til å kunne levere frekvensreguleringstjenester i Norge og Tyskland, mens det kun er generatorer som kan levere slike tjenester i det spanske nettet. Salg av primærreserver er økonomisk gunstig dersom salgsprisen for hydrogen er lavere enn 38.8 NOK/kg i Norge, og 3.3 EUR/kg i Tyskland. Oppregulerende sekundærtjenester er gunstig ved hydrogenpriser under 8.7 EUR/kg, mens nedregulerende sekundærtjenester er gunstig ved hydrogenpriser lavere enn 15.3 EUR/kg.

Inntektene fra salg av frekvensreguleringskapasitet kan rettferdiggjøre en investering i større elektrolysørkapasitet, siden all ubrukt kapasitet kan brukes som frekvensregulering. Når etterspørselen etter hydrogen øker kan den ledige kapasiteten raskt utnyttes til hydrogenproduksjon. En slik strategi kan hjelpe til med raskere vekst av infrastruktur for hydrogen. Det er også mulig at salg av frekvensreguleringstjenester kan dekke noe av tapene når salgsprisen for hydrogen synker i fremtiden.

With an increasing amount of installed capacity from intermittent power sources like solar and wind power, the equilibrium between power production and consumption in the grid will be challenged in the future. To increase grid flexibility, hydrogen energy storage systems can be used as variable loads in order to regulate the power consumption to keep the grid frequency stable. This report investigates the technical and economical potential for a wind-hydrogen system with a 2.5 MW electrolyser participating as a frequency regulating load in Norway, Germany and Spain. Simulations of an up-scaled electrolyser at 45 MW nominal power are also performed.

The results show that electrolysers qualify for participation in frequency regulation in Norway and Germany, while loads cannot offer this service in the Spanish grid. Delivering frequency containment reserve capacity is economically advantageous if the selling price of hydrogen is below 38.8 NOK/kg in Norway and 3.3 EUR/kg in Germany. Selling up-regulating frequency restoration reserve capacity in the German grid is economically advantageous if the selling price of hydrogen is below 8.7 EUR/kg, while for down-regulating reserves the price must be lower than 15.3 EUR/kg.

The revenue from the sale of frequency regulating services justify a larger investment into electrolyser capacity, as any unused capacity can be used for frequency regulation. As the demand for hydrogen grows any unused capacity can be fully utilised for hydrogen production, speeding up the growth of the hydrogen economy. It is also possible that any reductions in selling prices for hydrogen can be covered by the sale of frequency regulating capacity.