Potential of Hydrogen Technology for Coastal Electrification: Minimizing Distribution Grid Impacts through Flexibility

Abstract

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 the global challenge of climate change. This transformation involves the integration of an increasing number of renewable energy sources (RESs) and distributed generation (DG) at the distribution level. These technologies present challenges for system operators in terms of system stability. In order to effectively manage this transition and ensure the efficient operation of the evolving power system, the implementation of flexibility solutions is crucial. Norway, with its extensive coastline and abundant resources, holds a prominent position as a seafood exporter. To address the pressing need 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 opportunity to 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 fishing fleet in Lofoten affects the local distribution network. Additionally, it will demonstrate how the flexible 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 to create a realistic network model in the simulation tool DIgSILENT Power Factory. Real load data from 2022 has been implemented in the software to enable simulations based on daily, weekly, and yearly cases, forming the basis for scenario creation. Furthermore, an electrolyser model has been developed to represent its characteristics and has been implemented at the end of the radial on the network section being analyzed.

The analysis of the present network, considering 2022 loads, indicates that the electrification of the 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 operate close to their rated values, resulting in a more significant impact from electrification. The flexible operation of the electrolyser is demonstrated for these scenarios, proving not only its feasibility but also its necessity in the worst-case scenario. Based on the results, the water electrolyser offers flexibility solutions such as voltage control to minimize voltage drops and load shifting to avoid network peaks. Additionally, the planned utilization of flexibility through hydrogen production and storage during periods of lower energy consumption is highlighted. The results confirm that the electrolyser is an effective resource for flexible operation, capable of rapid ramping up and down, thereby supporting stable network operation. The economic advantages of flexible electrolyser operation 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 also examines the impacts of electrification on the distribution grid.