Hydrogen for å skape nettfleksibilitet til landstrømanlegg ved Trondheim Havn

Abstract

Cruiseindustrien hadde i 2021 et utslipp på omtrent 300 000tonn CO2-ekvivalenter. Det meste kommer fra skipenes fremdrift, men de fleste skip må idag benytte seg av dieselgeneratorer i anløp. Det er estimert et utslipp på 2848 tonn/år CO2-ekvivalenter fra skip i anløp ved Trondheim Havn sin Kai 68. Dette gir et stort potensial for å redusere utslippene ved Trondheim Havn. Løsningen er å utvide landstrømtilbudet ved Kai 68, men undersøkelser viser at netteier, Tensio TS, ikke har tilgjengelig effekt. Derfor undersøker oppgaven mulighetene til å kutte effekttoppene med et hydrogenanlegg.

Meråker Hydrogen vil innen 2026 kunne levere hydrogenbehovet til Trondheim Havn. Hydrogenehovet er i dag estimert til 347 kilo/år, men kan øke til oppmot 63 tonn/år mot 2040 på grunn av hyppigere og overlappende anløp. Meråker hydrogen ligger 87 km unna Trondheim Havn og har jernbaneforbindelse som skal elektrifiseres i løpet av 2024. Det blir gjort undersøkelser som viser at trykksatte hydrogentanker til lagring og et TECO 2030 brenselcellesystem er de beste alternativene for et hydrogenanlegg på Trondheim Havn.

Risikoanalysen gjennomføres ved hjelp av feilmode-, effekt- og kritikalitetsanalyse (FMECA) og belyser utfordringer med høy risiko i selve brenselcellesystemet. Primært kobles risikoen til skade på membranen. Tiltakene som anbefales innefatter måleinstrumenter og kontrollsystemer, men også utskiftning av brenselcellestabler ved avvik i målinger. Utover det beslutter analysen at det må innføres sikkerhetssoner for anlegget i henhold til forskrift om håndtering av farlig stoff. Imidlertid har ikke oppgaven godt nok grunnlag til å bestemme konkrete sikkerhetssoner.

Oppgaven undersøker også utjevnede energikostnader (LCOE) for landstrømanlegget i økonomisk analyse. Analysen viser at LCOE for hydrogen er høy, men kan reduseres til 11,4 NOK/kWh hvis energibehovet øker. Landstrømanlegget med kombinert kraftnett og hydrogen vil med dagens energibehov koste Trondheim Havn 3,9 NOK/kWh og vil kunne reduseres til 2,8 NOK/kWh ved økning i energibehov på 7,5% årlig. Dette gjør at landstrøm med hydrogen kan være konkurransedyktig mot diesel som har LCOE på 3,2-5,3 NOK/kWh.

Til slutt inneholder oppgaven en miljøanalyse. Undersøkelsene viser at et landstrømanlegg delvis driftet av hydrogen vil kunne redusere utslippene ved Kai 68 med 2730 tonn CO2-ekvivalenter. Det utgjør en reduksjon på 96% sammenlignet med dieselaggregater.

In 2021, the cruise industry emitted approximately 300,000 tonnes of CO2-equivalents. The emissions mostly come from the ships' propulsion, but most ships today use diesel generators when docked. Estimations shows that cruise ships calling at Trondheim Port's Dock 68 are responsible for emissions of 2,848 tonnes of CO2-equivalents, which provides a great potential for reducing emissions at Trondheim Port. A solution is to expand the shore power supply at Dock 68, but research shows there is not available grid capacity. Therefore, the thesis examines the possibilities of peak shaving the shore power load with a hydrogen power plant.

The hydrogen supplier Meråker Hydrogen will be able to fulfill the hydrogen demand at Trondheim Port by 2026. The demand of hydrogen is estimated at 347 kg/yr but may increase to approximately 63 tonnes/yr towards 2040 due to more frequent and overlapping dockings. The production plant is located 87 km from Trondheim Port and has a rail connection, which will be electrified by 2024. The research carried out in the thesis shows that pressurized hydrogen tanks and the TECO 2030 fuel cell system are the best options for Trondheim Port.

The risk analysis was carried out using failure mode, effects and criticality analysis (FMECA), which highlights high-risk challenges in the fuel cell system itself due to the risk of membrane failure. The recommended measures include measuring instruments, control systems and stack replacements in the event of deviations. Beyond that, safety zones for the facility needs to be determined in accordance with regulations on hazardous substances. However, the thesis does not have a sufficient basis to determine specific safety zones.

The thesis also examines the levelized cost of energy (LCOE) for the hybrid shore power solution in the economic analysis. The analysis shows that the LCOE for hydrogen is very high, but could be reduced to 11.4 NOK/kWh. Today, a hybrid shore power plant based on fuel cells with grid connection, would cost Trondheim Port 3.9 NOK/kWh. However, this could be reduced to 2.8 NOK/kWh with a 7.5 % yearly increase in energy demand. Consequently, shore power with hydrogen could be competitive against diesel, which has an estimated LCOE of 3.2-5.3 NOK/kWh.

Finally, the thesis contains an environmental analysis. The investigations shows that a hybrid shore power plant will be able to reduce green house gas emissions at Dock 68 by 2,730 tonnes CO2-eqivalents/yr, which corresponds to a reduction of 96% compared to diesel generators.