Assessing potential effects of electrolysis and batteries on variable renewable energy in the European power market

Abstract

"The European Green Deal" ble presentert av EU-kommisjonen i 2019 og leverte en strategi for hvordan man skal oppnå null netto utslipp av klimagasser innen 2050. Målet er å redusere global oppvarming til maksimalt 2 grader sammenlignet med førindustriell tid. For å nå dette målet, må fossilt brensel avvikles og overgangen til fornybare energikilder er viktig. Når man øker andelen fornybar, og spesielt variabel fornybar energi, i kraftsystemet vil ikke generasjonen være like elastisk som før. Dette kan resultere i at en høy andel av produksjonen fra fornybar blir begrenset noe som gir lave priser når fornybar energi produserer. Hvis dette er tilfelle, kan fornybare investeringer bli mindre økonomisk gunstig, noe som igjen kan bremse utviklingen av fornybar energi. EU sitt mål for 2050 er allerede ambisiøst, og det er derfor viktig å tilrettelegge den teknologiske utviklingen av kraftsystemet for en økonomisk bærekraftig overgang til et nullutslippssamfunn. Batterier og elektrolysører er eksempler på teknologi som kan hjelpe denne overgangen. Derfor er oppgavens fokus å vurdere hvordan elektrolyse og batterier påvirker den økonomiske gunstigheten i å investere i fornybar energi. For å gjøre dette vil flere aspekter ved kraftsystemet bli vurdert.

Først vil viktige fremtidige trender i kraftsystemet bli lokalisert. Oppgaven vil også lage en modell av et kraftsystem som representerer 2040 med et formål å simulere kraftprisene og produksjonsmiksen. Simuleringsverktøyet som brukes til denne oppgaven heter PowerGAMA, som bruker kraftflytligninger for å bestemme den optimale produksjonsmiksen. Forfatteren fant at batterier ikke var det beste alternativet for å øke investeringsviljen i fornybar energi. Når elektrolysører ble lagt til modellen økte derimot den totale inntekten til fornybar energi. Det hadde til og med en betydelig positiv innvirkning på de totale CO2-utslippene.

Videre bidrar oppgaven også med verdifull innsikt i hvordan man enkelt kan modellere batterier og grønn hydrogen i PowerGAMA, slik at andre masterstudenter eller andre interesserte kan dra nytte av dette og bygge videre på arbeidet.

The European Green Deal was presented by the European Commission in 2019 and delivered a growth strategy on how to reach zero net emissions of greenhouse gases by 2050. The goal is to reduce global warming to a maximum of 2 degrees compared to pre-industrial times. To reach this goal, fossil fuel needs to be phased out and the transition to RES is essential. When increasing the share of RES, and especially VRE, in the power system the generation will not be as elastic as before. This might result in a high share of curtailment and low prices in times of generation from VRE. If this is the case, investing in VRE might become less financially beneficial which again can slow down the development of VRE.

The EU 2050 target is already ambitious, hence it is important to facilitate the technological transition according to VRE so that the power system enables an economically sustainable transition to a zero-emission society. Batteries and electrolysers is examples of technology that might help the transition. Thus, the focus of the thesis is to assess potential effects of electrolysis and batteries on VRE economics. Firstly, important future trends in the power system that will affect the revenue for RES is located. Secondly, a power system representing 2040 is implemented with an objective to simulate the power prices and the generation dispatch.

The simulation tool used for this thesis is PowerGAMA, which uses DC power flow equations to determine the optimal generation dispatch. The author found that when batteries were not the best option for increasing VRE economics. Adding electrolysers, on the other hand, improved the total revenue and decreased curtailment. It even had a signifcant positive impact on the total CO2 emissions. Further the thesis also contributes with valuable insight in how to easily model batteries and green hydrogen in PowerGAMA so that other master students or stakeholders can benefit from this and build on the work.