Potential of Hydrogen Technology for Coastal Electrification: Minimizing Distribution Grid Impacts through Flexibility
Master thesis
![Thumbnail](/ntnu-xmlui/bitstream/handle/11250/3093938/no.ntnu%3ainspera%3a146046472%3a35294762.pdf.jpg?sequence=5&isAllowed=y)
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3093938Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2474]
Sammendrag
Det elektriske kraftsystemet gjennomgår for tiden en betydelig transformasjon som respons på den globale utfordringen med klimaendringer. Denne transformasjonen innebærer integrasjon av en økende mengde fornybar energi og kraftproduksjon på distribusjonsnivå. Disse teknologiene gir utfordringer for systemoperatører når det gjelder systemstabilitet. For å effektivt håndtere denne overgangen og sikre effektiv drift av det utviklende kraftsystemet, er implementering av fleksible løsninger avgjørende. Norge, med sin omfattende kystlinje og rikelige ressurser, har en fremtredende posisjon som sjømateksportør. For å møte det presserende behovet for å redusere utslipp, er det essensielt at den maritime sektoren i Norge bidrar til bærekraftige løsninger. Elektrifiseringen av fiskebåtene i Lofoten representerer en mulighet for å oppnå målene for utslippsreduksjon og integrere en nullutslippsdrivlinje. Imidlertid skaper denne overgangen utfordringer for kapasiteten og driften av det lokale kraftsystemet.
Denne masteroppgaven har som mål å undersøke i hvilken grad elektrifiseringen av fiskeflåten i Lofoten påvirker det lokale distribusjonsnettet. I tillegg vil den demonstrere hvordan den fleksible driften av en et vann-elektrolyseanlegg kan opereres for å minimere konsekvensene av elektrifiseringen. Nettverksdata er innhentet fra den lokale distribusjonsnett-operatøren Elmea, og har blitt brukt til å lage en realistisk nettverksmodell i simuleringsverktøyet DIgSILENT Power Factory. Lastdata fra 2022 er implementert i programvaren for å muliggjøre simuleringer basert på daglige, ukentlige og årlige scenarier, som danner grunnlaget for scenariooppbyggingen. Videre er det utviklet en modell for elektrolyseanlegget for å representere dets egenskaper. Elektrolyseanlegget er implementert i enden av radialen på den delen av distributsjonsnetttet som blir analysert.
Analysen av dagens nettverk, med lastdata fra 2022, indikerer at elektrifiseringen av fiskeflåten i Lofoten har relativt liten innvirkning på det lokale distribusjonsnettet. Imidlertid blir det tydelig når man undersøker fremtidige scenarier at linjer og kabler opererer nær sine nominelle verdier, noe som resulterer i en mer betydelig innvirkning fra elektrifiseringen. Fleksibel drift av elektrolyseanlegget blir demonstrert i de ulike scenarioer, og viser at fleksibel drift ikke bare er gjennomførbart, men dessuten nødvendig når man ser på de verste scenarioene. Basert på resultatene, kan elektrolyseanlegget tilby fleksible løsninger som spenningskontroll for å minimere spenningsfall og lastflytning for å unngå effekttopper. I tillegg fremheves planlagt fleksibilitet gjennom produksjon og lagring av hydrogen i perioder med lavere energiforbruk. Resultatene bekrefter at elektrolyseanlegget er en effektiv ressurs for fleksibel drift, i stand til rask opp- og nedjustering, og støtter dermed stabil nettverksdrift. De økonomiske fordelene ved fleksibel drift av elektrolyseanlegget sammenlignet med nettforsterkning gjenstår for fremtidig arbeid å bli utforsket. Alt i alt, presenterer denne avhandlingen ikke bare bevis på elektrolyseanleggets potensial for fleksibel drift, men undersøker også virkningene av elektrifisering på distribusjonsnettet. The electrical power system is currently undergoing a significant transformation in response to theglobal challenge of climate change. This transformation involves the integration of an increasingnumber of renewable energy sources (RESs) and distributed generation (DG) at the distributionlevel. These technologies present challenges for system operators in terms of system stability. Inorder to effectively manage this transition and ensure the efficient operation of the evolving powersystem, the implementation of flexibility solutions is crucial. Norway, with its extensive coastlineand abundant resources, holds a prominent position as a seafood exporter. To address the pressingneed to reduce emissions, it is essential for the maritime sector in Norway to contribute to sustainable solutions. The electrification of the coastal fishing fleet in Lofoten represents an opportunityto achieve emission reduction goals and integrate a zero-emission driveline into the fleet. However,this transition poses challenges to the capacity and operation of the local power system.
This master’s thesis aims to address the extent to which the electrification of the coastal fishingfleet in Lofoten affects the local distribution network. Additionally, it will demonstrate how theflexible operation of a water electrolyser can be utilized to minimize the impacts of electrification.Real network data obtained from the local distribution grid operator, Elmea, has been utilized tocreate a realistic network model in the simulation tool DIgSILENT Power Factory. Real load datafrom 2022 has been implemented in the software to enable simulations based on daily, weekly, andyearly cases, forming the basis for scenario creation. Furthermore, an electrolyser model has beendeveloped to represent its characteristics and has been implemented at the end of the radial onthe network section being analyzed.
The analysis of the present network, considering 2022 loads, indicates that the electrification ofthe coastal fishing fleet in Lofoten has a relatively low impact on the local distribution network.However, when examining future scenarios, it becomes evident that the lines and cables operateclose to their rated values, resulting in a more significant impact from electrification. The flexibleoperation of the electrolyser is demonstrated for these scenarios, proving not only its feasibilitybut also its necessity in the worst-case scenario. Based on the results, the water electrolyser offersflexibility solutions such as voltage control to minimize voltage drops and load shifting to avoidnetwork peaks. Additionally, the planned utilization of flexibility through hydrogen production andstorage during periods of lower energy consumption is highlighted. The results confirm that theelectrolyser is an effective resource for flexible operation, capable of rapid ramping up and down,thereby supporting stable network operation. The economic advantages of flexible electrolyseroperation compared to grid reinforcement are yet to be explored in future research. Overall,this thesis not only provides evidence of the electrolyser’s potential for flexible operation but alsoexamines the impacts of electrification on the distribution grid.