Hydrogen in the Distribution Grid for Capacity Planning and Flexibility

Abstract

Kraftsystemet er i eit paradigmeskifte der variable fornybare energikjelder (VRES) blir gradvis integrert. Integreringa av desse kjeldene fører til utfordringar for dei operative aspektane ved nettet, noko som fører til meir hyppige og større svingingar i spenning og frekvens. Ressursar kan opererast på ein fleksibel måte for å stabilisere nettet, i stand til å levere straum gjennom fornybare kjelder, som hydrogen. Fleksibilitet kan leverast over kortare og lengre tidsperiodar for spenning, kraft, overføringskapasitet og energi.

Hydrogenløysingar blir installert gjennom fleire forskings- og utviklingsprosjekt over heile Noreg. Det er hovudsakleg fire kommersielle elektrolysørteknologiar, der PEM er egna for kraft- systemtenester og støtta av ZeroKyst, som denne masteroppgåva er i samarbeid med. Gjennom ny og betre teknologi kan hydrogen levere tenester for nettbalansering og fleksibilitet.

Denne masterforskinga fokuserer på integreringa av hydrogenteknologi i distribusjonsnettet for for- betra kapasitetsplanlegging og fleksibilitet. Studien blir gjennomført i samarbeid med den lokale distribusjonssystemoperatøren (DSO), Elmea, som planlegg å installere nye lastar i eit kystområde i Lofoten. Ved å bruke ein tidlegare utvikla einlinjemodell i DIgSILENT PowerFactory, implementerast desse nye lastane som ei nettutviding i eit trefasenett. Vidare blir ein elektrolysørmodell, utvikla under leiing av DSO, kopla til i enden av radialen. Forskinga har som mål å utforske dei potensielle effektane av desse implementeringane p ̊a det lokale distribusjonsnettet.

Analyse har blitt gjennomført på den verste dagen i 2022 for å sjå den verste effekten nye lastar kan ha på distribusjonsnettet. Effekten av lastane når dei trekk installert kapasitet har blitt analysert før lastane har blitt justert i samsvar med data og informasjon levert av DSO. Elektrolysøren har blitt operert som ein fleksibel og ikkje-fleksibel kjelde for å undersøke effekten av det fleksible bidraget. Særleg med fokus på spenninga og overføringskapasiteten til distribusjonsnettet gjennom undersøking av belastningsverdiar på linjer og kablar.

Resultata bekreftar at hydrogenteknologi, gjennom den fleksible drifta av elektrolysørar, tilbyr ei lovande løysing for kapasitetsplanlegging og nettverksfleksibilitet. Dei observerte trendane ty- der på ein positiv effekt på nettstabilitet og operativ effektivitet, noko som forsterkar verdien av å integrere hydrogenteknologi i distribusjonsnettet. Innføringa av planlagde lastar vil påverke distribusjonsnettet, noko som nødvendiggjer fleksibilitet frå omkringliggande kjelder i nettet for avbøting og lastforskyving under periodar med høg etterspurnad.

The power system is in a paradigm shift where variable renewable energy sources (VRES) are progressively implemented. The implementation of these sources causes challenges to the opera- tional aspects of the grid causing more frequent and larger oscillations in voltage and frequency. To stabilize the grid, resources can be operated in a flexible manner, able to provide power to the grid through renewable sources, such as hydrogen. Flexibility can be delivered over shorter and longer time periods for voltage, power, transfer capacity and energy.

Hydrogen solutions is being implemented through several research and development projects across Norway. There are mainly four commercial electrolyser technologies, where PEM is suitable for power system services and supported by ZeroKyst which this master thesis is in collaboration with. Through evolving technology, hydrogen can deliver flexibility for grid balancing and capacity planning.

This master’s research focuses on the integration of hydrogen in the distribution grid for enhanced capacity planning and flexibility. The study is conducted in collaboration with the local Distribu- tion System Operator (DSO), Elmea, which is planning to install new loads in a coastal area in Lofoten. Using a previously developed single-line network model in DIgSILENT PowerFactory, the research implements these new loads as a grid expansion in a three-phase network. Furthermore, an electrolyser model, developed under the guidance of the DSO, is incorporated at the end of the radial. The research aims to explore the potential impacts of these implementations on the local distribution grid.

Analysis has been conducted on the worst day in 2022 to see the worst impact new loads can have on the distribution grid. The impact of the loads when drawing it’s installed capacity has been analysed before the loads have been adjusted according to data and information provided by DSO. The electrolyser have been operated as a flexible and non-flexible source to investigate the impact of the flexible contribution, especially by focusing on the voltage and transfer capacity of the distribution network through investigation of loading values on lines and cables.

Results affirm that hydrogen energy technology, through the flexible operation of electrolysers, offers a promising solution for capacity planning and grid flexibility. The observed trends suggest a positive impact on grid stability and operational efficiency, reinforcing the value of integrating hydrogen technology into the distribution grid. The introduction of planned loads will affect the distribution grid, necessitating flexibility from surrounding sources in the grid for mitigation and load shifting under high-demand periods.