Hydrogenproduksjon fra elektrolyse ved fjernvarmeanlegg i Norge : vurdering av rammevilkår og lønnsomhet

Abstract

Fossil energi er energisystemets reserve, men som følge av strengere klimapolitikk må bærekraftige energibærere tas i bruk. Samtidig må energibruken reduseres hvilket tilsier bedre utnyttelse av spillvarme og –kjøling fra alle sektorer. Hydrogen anses som en lovende og miljøvennlig energibærer dersom det brukes fornybar energi i fremstillingsprosessen. Det skyldes at hydrogen kan benyttes i alle sektorer, og til lagring av overskuddsenergi. Den rimeligste og mest utbredte metoden å produsere hydrogen er ved storskala dampreformering av naturgass (SMR – Steam Methane Reforming). Utfordringen er at SMR har et betydelig klimagassutslipp. Produksjon fra elektrolyse har derimot ingen direkte utslipp forbundet med fremstillingsprosessen, og har et svært lavt indirekte utslipp ved bruk av elektrisitet fra norsk vannkraft. Elektrolyse har lavere kostnads- og energieffektivitet sammenlignet med storskala SMR, og det forutsettes at hydrogen produsert ved SMR er bestemmende for markedsprisen for hydrogen. Målet med oppgaven er å undersøke lønnsomheten til dagens tilgjengelige elektrolyseteknologier knyttet til fjernvarmeanlegg i Norge. Hovedtanken er at samlokalisering med fjernvarmeanlegg gir lavere strømpriser, i tillegg til at spillvarme fra elektrolyseprosessen til oppvarming av fjernvarmevann øker lønnsomheten til et slikt anlegg. Problemstillingene besvares ved å utføre tekno-økonomiske analyser i H2A-modellen. Resultatet av analysene viser at produksjonskostnadene for hydrogen fra elektrolyse er mellom 3,10 $/kgH2 og 7,6 $/kgH2, mens SMR har produksjonskostnader som er 30-50% lavere. Elektrolyse må derfor velges i dag som følge av miljøprioiteringer eller der det er ulønnsomt med et storskala SMR-anlegg. Energimengden som kan utnyttes til fjernvarmeformål er vurdert til 18% av den tilførte energien til elektrolyseprosessen. En teknisk vurdering av elektrolyseanleggene i denne oppgaven viser imidlertid at det kan være utfordrende å hente denne varmen på grunn av dagens integrerte varmevekslere i et elektrolyseanlegg. På sikt har hydrogen et særlig stort potensiale innen transport- og oppvarmingssektoren. Etterhvert som det utvikles et marked for energibruk i disse sektorene vil hydrogenprisen først og fremst være avhengig av substitutter fremfor prisen på hydrogen fra SMR. I mellomtiden vil utbygging av hydrogenanlegg tilføre viktige markedsutviklinger og erfaringer for elektrolyseteknologiene. Anbefalinger til videre arbeid er å undersøke ved hvilken produksjonsstørrelse et SMR-anlegg har den samme produksjonskostnaden som de ulike elektrolyseteknologiene. Dette er blant annet interessant når fyllestasjoner for hydrogendrivstoff skal etableres i et større omfang.

Fossil energy balances the energy systems, due to environmental policies sustainable energy carriers must be put in use. The transition of the energy system also relies on actions to reduce energy consumptions and use of waste heat from every sector. Hydrogen is considered to be a promising environmentally friendly energy carrier if the hydrogen production process is by a renewable energy source. It has applications in all sectors and can be used to store surplus energy. Hydrogen production via steam methane reforming (SMR – Steam Methane Reforming) is the most cost effective technology, but it produces a large amount of CO2. Production by electrolysis has no direct greenhouse gas emissions, and has a low indirect emission when Norwegian hydropower is used in the process. However, challenges for widespread use of water electrolysis are high energy consumption and costs. The objective of this study is to is to investigate the profitability of electrolysis production close to district heating plants in Norway. The co-location lower the price of grid rents and waste heat from electrolysis process can be used to heat up the district water and increase the profitability. The problems are answered by performing techno-economic analyzes in the H2A model. The analysis is carried out for today's available electrolysis technologies and SMR to assess what is needed for electrolysis to be profitable when it is assumed that SMR sets the market price for hydrogen today. The results show that production costs (Levilized cost) of hydrogen from electrolysis are between 3,10 $/kgH2 and 7,6 $/kgH2. The levelized cost for large-scale SMR is 30-50% lower. Electrolysis must be installed where it is unprofitable with a large-scale SMR plant today. The amount of energy that can be utilized for district heating purposes is 18% of input energy applied the electrolysis process. However, a technical review identified a few barriers to implement usage of waste heat from electrolysis to the district water.In the future hydrogen has a big potential of use in the transport- and building sector. As a market for energy consumption develops in these sectors, the hydrogen price will depend on substitutes to a greater extent than the price of hydrogen from the SMR. Meanwhile, the development of hydrogen plants will lead to important market developments for the electrolysis technologies. Recommendations for further work are to investigate the size of the SMR that gives the same production costs as electrolysis. This would be particularly interesting when filling stations for hydrogen fuel are to be set up.