Techno-Economical Analysis of Large-Scale Green Power Self-Sustainability in Norway: A Case Study using Onshore Wind Power, Battery, and Green Hydrogen Storage

Abstract

Den globale overgangen til netto-nullutslipp krever en komplett transformasjon av våre forbruk, produksjon og energisystemer. Ved å erstatte miljøskadelige energiproduksjonsmetoder med fornybare kilder, kan vi drastisk redusere karbonutslippene. For å kunne oppnå klimamålsetningene vi har satt, må de fornybare energiløsningene forbedre effektiviteten og fleksibiliteten den har i dag, hvor bruk av energilagring er et steg i rett retning. Denne oppgaven analyserer en mulig løsning i Norge, som inkluderer vindenergi, hvor grønt hydrogen og batterier blir brukt som energilagringsmetoder. En optimaliseringsmodell utviklet av SINTEF, kalt HyOpt, brukes for å utforske tekniske og økonomiske aspekter, med mål om å bestemme den optimale økonomiske og miljømessige løsningen.

Tre tilfeller er konstruert og analysert. Tilfelle 1 innebærer en rekonstruksjon av et pilotprosjekt som ble bygd for å forsyne 10 husholdninger med tilstrekkelig strøm, og er lokalisert på Utsira, en øy i Sør-Norge. Tilfelle 2 er en konstruert løsning for å gjøre hele Utsira selvforsynt med strøm. Tilfelle 3 omhandler levering av strøm til et planlagt produksjonsanlegg for ammoniakk, som skal være lokalisert i Berlevåg i Nord-Norge.

Modellen beregnet at å være selvforsynt med grønn energi vil i Case 1, årlig trenge å levere totalt 175,5 MWh og ha en kostnad på 3 millioner NOK. Prosjektet er spådd å ha en elektrisitetskostnad på 2,363 NOK per produsert kWh. I tillegg er det beregnet at implementeringen av dette prosjektet vil redusere CO2-utslippene med totalt 54,6 tonn årlig. Case 2 har en beregnet kostnad på 169 millioner NOK og vil levere totalt 17 555 MWh. Av de tre tilfellene ga det den laveste strømkostnaden, på 1,308 NOK/kWh. Det beregnede totale utslippet som blir spart av dette prosjektet årlig, er forventet til å være 5 450 tonn CO2. Case 3, det største prosjektet, er forutsatt å ha en total kostnad på 169 millioner NOK , og vil årlig levere totalt 876 000 MWh med kraft. Den beregnede strømprisen for dette tilfellet er forutsatt å være 1,587 NOK/kWh og beregnet til å årlig spare 14 892 tonn CO2.

Samlet sett presenterer denne oppgaven funn som støtter den tekniske og økonomiske levedyktigheten av å oppnå grønn selvforsyning av strøm i Norge. Likevel understreker den behovet for ytterligere forskning og utvikling innenfor modellering og konstruksjon av de foreslåtte tilfellene.

The global transition to net-zero emissions requires a complete transformation of our consumption, production, and energy systems. By substituting polluting fuels with renewable sources, it is possible to drastically reduce carbon emissions connected to power. To make this transition possible, the renewable energy sector must enhance efficiency and flexibility, where one solution could be energy storage. This thesis analyses a possible solution, including wind energy and the use of green hydrogen and batteries for power storage, located in coastal areas in Norway. An optimization model developed by SINTEF, named HyOpt, is used to explore technical and economic aspects, and aims to determine the optimal economic and environmental solution.

Three cases are constructed and analyzed. Case 1 involves a reconstruction of a pilot-project that was built to supply 10 households with power, located in the Utsira, an island in the Southern of Norway. Case 2 is constructed to investigate the possibility of making the entire island of Utsira self-sufficient in power. Case 3 involves delivering power to a planned production facility of ammonia, located in Berlevåg in the Northern of Norway.

The model calculated that the green self-sustainability project of Case 1, will deliver a total of 175.5 MWh annually and has a net present cost of 3 million NOK. The project is predicted to have a Levelized Cost of Electricity (LCOE) at 2.363 NOK per produced kWh. In addition, it is calculated that an implementation of this project, will annually reduce a total of 54.6 tons of CO2-emissions. Case 2 has a calculated net present cost of 169 million NOK, and will deliver a total of 17 555 MWh. Of the three cases, it gives the lowest LCOE, at 1.308 NOK/kWh. The calculated total emissions saved by this project annually, are predicted to 5 450 tons of CO2. Case 3, the largest case, is expected to have a total net cost of 169 million NOK to annually deliver a total power of 876 000 MWh. The calculated LCOE for this case is estimated to 1.587 NOK/kWh and saves 14 892 tons of CO2.

Overall, this thesis presents findings that support the technical and economic viability of achieving green self-sustainability in Norway. Nevertheless, it emphasizes the necessity for additional research and development toward the modeling and construction aspects of the proposed cases to ensure successful implementation.