Large-scale solar plants and offshore wind farms : an economic comparison including the potential for hydrogen production and CO2-emission effects

Abstract

Fossil fuels are becoming increasingly undesirable and humanity is searching for green, sustainable, and reliable energy sources to satisfy the worlds energy consumption and preserve the earth for the future generations. Global research communities are working intensively to develop and implement the best technologies and solutions, and solar- and wind power are the most promising green energy solutions for the transition to a more sustainable energy future. This thesis investigates the economic feasibility and environmental impact of hydrogen storage used in tandem with a wind farm off the coast of Norway and a solar plant located in Algeria. An optimization model developed by SINTEF called HyOpt, determined an optimal investment strategy based on production data and market prices.

Five cases are analyzed using price- and production data from 2019: (i) a wind farm delivering electricity to the market, (ii) a solar plant delivering electricity to the market, (iii) a wind farm with a hydrogen production unit selling hydrogen to the market, (iv) a wind farm which delivers electricity to the Ekofisk oil field, and hydrogen to the market, and (v) a solar farm delivering electricity to a local processing plant and hydrogen to the market.

The HyOpt model uncovered that case (i), the wind farm solely selling electricity to the German market based on hourly spot-prices in 2019 would operate with a negative net present value of -16.9 bn NOK while cutting CO2 emissions by 1,3Mtons annually. Case (ii), the solar plant only selling electricity to the French market had a similar net present value of -16.4 bn NOK while also cutting the annual CO2-emissions by 1,4Mtons per year. It is important to notice, that both projects turned positive if the price level from 2021 is assumed to be representative for the future. The last three cases represent net profitable investments, based on the assumptions made. The wind farm selling hydrogen to the market (case (iii)) achieved a positive net present value of 1.3 bn NOK, meaning that the project is expected to be profitable while also having a positive impact on the environment by substituting approximately 1,2Mtons of CO2. However, the biggest setbacks of these energy solutions are their production reliability. This thesis introduces the solution of hydrogen storage, whereby electricity produced is used to produce hydrogen from electrolysis which is compressed and stored, before being converted back to electricity using a fuel cell.

In case (iv), the project where the wind farm hourly delivered 110 MW electricity through the use of hydrogen storage to the Ekofisk oil field and sold the surplus hydrogen in the market, a positive net present value of 4.7 bn NOK was achieved, while simultaneously cutting the CO2 emissions by 1,5Mtons annually. The solar counterpart with electricity supply to a local processing plant as well as selling the surplus hydrogen in the market, case (v), achieved a net present value of 3.4 bn NOK while substituting approximately 0,7Mtons of CO2 in addition to the emissions that the local processing plant might reduce switching to green energy.

The findings indicate that hydrogen has a positive effect on both the economic feasibility and the environmental impact in the studied energy projects. All cases and conclusions are indicative. Large-scale solar and offshore wind farms installations in the GW range hardly exist yet, making all the cost estimates quite uncertain. However, common for all cases, are the potential to reduce CO2 emissions significantly, and contribute to zero emission energy for our common future, thereby being economically sustainable.

Grunnet farene knyttet til den globale oppvarmingen er det nødvendig å redusere bruk av fossile energikilder til et minimum. Menneskeheten er derfor avhengig av å utvikle og implementere grønne, bærekraftige og pålitelige energikilder for å tilfredsstille verdens energiforbruk og bevare jordkloden for fremtidige generasjoner. Internasjonale forskningsmiljøer jobber intensivt med å utvikle og implementere de beste teknologiene og løsningene, og sol- og vindkraft er av de mest lovende grønne energiløsningene for overgangen til en mer bærekraftig energiframtid.

Denne oppgaven sammenlikner økonomiske og teknologiske aspekter ved storskala offshore vind i Nordsjøen, med tilsvarende storskala solenergianlegg i Nord-Afrika. I arbeidet er en optimaliseringsmodell utviklet av SINTEF kalt HyOpt, brukt til å bestemme en optimal investerings- og dimensjoneringsstrategi basert på produksjonsdata, teknologimuligheter og markedspriser.

Fem forskjellige prosjekter er analysert med pris- og produksjonsdata fra 2019: (i) en 1,4 GW vindparksom leverer strøm til markedet, (ii) et solcelleanlegg som leverer strøm til markedet, (iii) en vindpark med en produksjonsenhet for hydrogen som selger hydrogen til markedet, (iv) en vindpark som har en kontrakt på levering av elektrisitet (110 MW) til Ekofiskfeltet for å oppnå nullutslipp i forbindelse med produksjon, mens resten av kapasiteten selges som hydrogen til markedet, og (v) en solpark som har en forpliktelse til å levere 100 MW kontinuerlig lokalt, hvor resten brukes til hydrogenproduksjon for salg i markedet.

HyOpt-modellen beregner at prosjekt (i), vindparken som utelukkende selger elektrisitet til det tyske markedet basert på time-spotpriser i 2019 vil gi en negativ netto nåverdi på -16,9 milliarder NOK samtidig som CO2-utslippene kuttes med 1,3 millioner tonn. årlig. Prosjekt (ii), solcelleanlegget som kun selger elektrisitet til det franske markedet, har en liknende netto nåverdi på -16,4 milliarder NOK, samtidig som det kuttet de årlige CO2-utslippene med 1,4 millioner tonn per år. Det er viktig å merke seg at begge prosjektene får en positiv nåverdi, dersom prisnivået fra 2021 antas å være representativt for fremtiden. De tre siste prosjektene indikerer lønnsomhet, basert på de forutsetningene som er gjort. Vindparken som selger hydrogen til markedet (prosjekt (iii)) gir en positiv netto nåverdi på 1,3 milliarder NOK, noe som betyr at prosjektet forventes å være lønnsomt og samtidig ha en positiv innvirkning på miljøet ved å bidra til en reduksjon på ca. 1,2 millioner tonn CO2.

En betydelig utfordringene ved disse energiløsningene er den naturgitte variabiliteten i produksjonen. Lagring av energi er derfor viktige teknologier for å øke verdi og fleksibilitet rundt slike anlegg. I denne oppgaven har vi derfor analysert hvordan grønt hydrogen som produseres via elektrolyse, og som deretter komprimeres og lagres, før den konverteres tilbake til elektrisitet ved hjelp av en brenselcelle, påvirker lønnsomheten. I prosjekt (iv), har vindparken et kontinuerlig leveransekrav på 110 MW elektrisitet. Dette blir enten levert direkte fra vindparken eller via brenselsceller når det blåser for lite ved bruk av hydrogenlager, og selger restkapasiteten som hydrogen i markedet, Dette prosjektet har en positiv netto nåverdi på 4,7 milliarder NOK, og vil samtidig kutte CO2-utslippene med 1,5 millioner tonn årlig. 0,5 millioner tonn av dette er fra installasjonen på Ekofisk. Solcelleprosjektet med samme struktur (v), med elektrisitetsforsyning til et lokalt prosessanlegg samt salg av overskuddshydrogen i markedet, oppnådde en netto nåverdi på 3,4 milliarder NOK. Reduksjonen av CO2 – utslipp ble her lavere enn i det tenkte Ekofisk-prosjektet (iv). Funnene indikerer at hydrogen har en positiv effekt på både økonomi og miljøpåvirkning gjennom reduserte utslipp. Alle konklusjoner er rimeligvis beheftet med usikkerhet siden det per i dag finnes svært få storskala sol- og offshore vindparkinstallasjoner i GW-størrelse. Kostnadsestimatene som ligger til grunn, er derfor usikre. Felles for alle analysene er imidlertid potensialet for å redusere CO2-utslippene betydelig, og vil kunne gi viktige bidrag for vår felles fremtid.