JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

The interest in renewable hydrogen has been on the rise in recent years, and with the increase in variable renewable energy (VRE) capacity, hydrogen storage capacity is needed. However, large-scale hydrogen storage applications viable in Finland are yet to be demonstrated, and the topic is rather unexplored. This thesis aimed to present the technology options for large-scale hydrogen storage applications viable in Finland. The technologies were first compared qualitatively after which a model to simulate the operating performance of a lined rock cavern (LRC) as a part of the steelmaking process was created using Python programming language. The aim was to study if the storage can reduce the overall cost of delivered hydrogen.

The performance of LRC was assessed by establishing different scenarios and comparing the Levelized cost of hydrogen (LCOH) of the scenarios. The variables of particular interest were the effect of storage size, operational hours of the storage, and electricity price. Additionally, the cost of the transmission pipeline and the benefit of surplus heat sales were included in this thesis.

The simulation results show that with the assumptions and price data used in this thesis, integrating storage can decrease LCOH up to 0.64 €/kgH2 compared to a configuration with no storage, but the electricity price volatility had a substantial effect on the economic viability. Increasing the storage capacity led to lower LCOH only when price data with higher price volatility was used. Using price data with less volatility resulted in increased LCOH, up to 0.13 €/kgH2, in most scenarios. Electricity cost was found to constitute the largest part of the LCOH, while CAPEX was found to have a small contribution regardless of the variation of electricity prices or investment cost estimations. Conversions from USD to EUR were conducted using exchange reference rates of April 2022. Future research including a broader set of storage capacities as well as focusing more in detail on the development of electricity prices and contract alternatives is suggested. The simulation and assumptions are not tailored for steelmaking but can be deemed as generalized descriptions for the industry that uses hydrogen as a feedstock in continuous operation.

Uusiutuvan vedyn varastointi- ja jakeluteknologiat suuren mittakaavan teollisille toimijoille Suomessa

Tiivistelmä

Kiinnostus uusiutuvaa vetyä kohtaan on ollut kasvussa viime vuosina, ja vaihtelevan uusiutuvan energian (VRE) kapasiteetin kasvun myötä myös vetyvarastokapasiteetin tarve kasvaa. Demonstraatioita Suomen olosuhteisiin sopivista suuren mittakaavan vetyvarastoteknologioista ei vielä ole, ja aihe on toistaiseksi kohtalaisen tuntematon.

Tämän diplomityön tavoitteena oli käydä läpi vedyn varastointiteknologioita, jotka ovat toteuttamiskelpoisia suuressa mittakaavassa Suomessa. Teknologioita vertailtiin ensin kvalitatiivisesti, jonka jälkeen kehitettiin dynaaminen malli Python-ohjelmointikielellä kuvaamaan suljetun maanalaisen kalliovaraston (LRC) toimintaa osana teräksenvalmistusprosessia. Työn tavoitteena oli tutkia, pienentääkö varasto vedyntuotannon kokonaiskustannusta.

LRC:n toimintakykyä arvioitiin luomalla skenaarioita ja vertailemalla niiden kustannuksia LCOH-menetelmällä. Muuttujista erityisen kiinnostuksen kohteena olivat varaston koko, käyttötunnit sekä sähkön hinta. Lisäksi tässä diplomityössä tutkittiin vedyn siirtoputkiston kustannuksia sekä ylijäämälämmön myyntituottoja.

Simulointitulokset osoittivat, että varaston käyttäminen voi pienentää tuotantokustannuksia suurimmillaan 0.64 €/kgH2 verrattuna konfiguraatioon, jossa varastoa ei ole, joskin sähkön hinnan vaihtelevuudella oli merkittävä vaikutus taloudelliseen kannattavuuteen. Varastokoon kasvattaminen johti referenssiskenaariota pienempiin LCOH-arvoihin vain suuremman vaihtelevuuden hintadatan kohdalla. Hintadatan, jossa sähkön hinnanvaihtelu oli vähäisempää, johti useimmissa skenaarioissa suurempiin LCOH-arvoihin, jossa suurin LCOH-nousu oli 0.13 €/kgH2. Merkittävin osuus tuotantokustannuksista muodostui sähkönkulutuksesta, kun taas pääomakustannusten osuuden havaittiin olevan pieni riippumatta sähkön hintatason vaihtelusta tai investointikustannusten herkkyytyksestä. Valuuttamuunnokset Yhdysvaltain dollarista euroon tehtiin käyttäen huhtikuun 2022 muuntokerrointa. Jatkoselvityksen aiheiksi ehdotetaan laajemman varastokapasiteettien joukon tutkimista sekä sähkön hintakehityksen ja erilaisten sähkönhankintasopimusten huomioimista. Tässä diplomityössä kehitetty malli oletuksineen ei ole räätälöity teräksenvalmistusprosessia varten, vaan sitä voidaan pitää yleisenä kuvauksena teollisuudenaloista, jotka käyttävät vetyä syötteenä jatkuvatoimisessa prosessissa.