Hydrogen in the Distribution Grid for Capacity Planning and Flexibility
Master thesis
Date
2024Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2565]
Abstract
Kraftsystemet er i eit paradigmeskifte der variable fornybare energikjelder (VRES) blir gradvisintegrert. Integreringa av desse kjeldene fører til utfordringar for dei operative aspektaneved nettet, noko som fører til meir hyppige og større svingingar i spenning og frekvens. Ressursarkan opererast på ein fleksibel måte for å stabilisere nettet, i stand til å levere straum gjennomfornybare kjelder, som hydrogen. Fleksibilitet kan leverast over kortare og lengre tidsperiodar forspenning, kraft, overføringskapasitet og energi.
Hydrogenløysingar blir installert gjennom fleire forskings- og utviklingsprosjekt over heileNoreg. Det er hovudsakleg fire kommersielle elektrolysørteknologiar, der PEM er egna for kraft-systemtenester og støtta av ZeroKyst, som denne masteroppgåva er i samarbeid med. Gjennomny 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 lokaledistribusjonssystemoperatøren (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 deipotensielle 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 kanha på distribusjonsnettet. Effekten av lastane når dei trekk installert kapasitet har blitt analysertfør lastane har blitt justert i samsvar med data og informasjon levert av DSO. Elektrolysørenhar blitt operert som ein fleksibel og ikkje-fleksibel kjelde for å undersøke effekten av det fleksiblebidraget. Særleg med fokus på spenninga og overføringskapasiteten til distribusjonsnettet gjennomundersøking av belastningsverdiar på linjer og kablar.
Resultata bekreftar at hydrogenteknologi, gjennom den fleksible drifta av elektrolysørar, tilbyrei lovande løysing for kapasitetsplanlegging og nettverksfleksibilitet. Dei observerte trendane ty-der på ein positiv effekt på nettstabilitet og operativ effektivitet, noko som forsterkar verdienav å integrere hydrogenteknologi i distribusjonsnettet. Innføringa av planlagde lastar vil påverkedistribusjonsnettet, noko som nødvendiggjer fleksibilitet frå omkringliggande kjelder i nettet foravbøting og lastforskyving under periodar med høg etterspurnad. The power system is in a paradigm shift where variable renewable energy sources (VRES) areprogressively 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 thegrid through renewable sources, such as hydrogen. Flexibility can be delivered over shorter andlonger time periods for voltage, power, transfer capacity and energy.
Hydrogen solutions is being implemented through several research and development projects acrossNorway. There are mainly four commercial electrolyser technologies, where PEM is suitable forpower system services and supported by ZeroKyst which this master thesis is in collaborationwith. Through evolving technology, hydrogen can deliver flexibility for grid balancing and capacityplanning.
This master’s research focuses on the integration of hydrogen in the distribution grid for enhancedcapacity 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 inLofoten. Using a previously developed single-line network model in DIgSILENT PowerFactory, theresearch 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 theradial. The research aims to explore the potential impacts of these implementations on the localdistribution grid.
Analysis has been conducted on the worst day in 2022 to see the worst impact new loads canhave on the distribution grid. The impact of the loads when drawing it’s installed capacity hasbeen analysed before the loads have been adjusted according to data and information provided byDSO. The electrolyser have been operated as a flexible and non-flexible source to investigate theimpact of the flexible contribution, especially by focusing on the voltage and transfer capacity ofthe 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 suggesta positive impact on grid stability and operational efficiency, reinforcing the value of integratinghydrogen technology into the distribution grid. The introduction of planned loads will affect thedistribution grid, necessitating flexibility from surrounding sources in the grid for mitigation andload shifting under high-demand periods.