Process modelling and techno-economic analysis of solid oxide electrolyser system
Lähdemäki, Eerik (2021)
Diplomityö
Lähdemäki, Eerik
2021
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021120859658
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021120859658
Tiivistelmä
The national governments' climate groups and associations related to global climate change solving have called for technologies and methods to stop or mitigate global climate changes. Green hydrogen production has been seen as one potential option to reduce climate changes by covering current fossil-based hydrogen usage with green hydrogen and utilizing it also for completely novel industrial applications.
The aim of this thesis was to examine the commercial feasibility of solid oxide electrolyser as an alternative low- or zero-emission hydrogen production system from a techno-economic perspective. The system was designed and modelled with Aspen Plus software, and the process model results were combined with economic data collected from the literature. The system's profitability was examined as a case study, where two main scenarios with different process steam prices and properties were defined. The scenarios were evaluated by economic metrics of net present value, internal rate of return, and levelized cost of hydrogen.
The main outcome of the study was that the system might reach a profitable status if the selling price of hydrogen stays above 2 €/kg and electricity price would not rise above 30 €/MWh. The system may be profitable even with higher electricity prices, but then higher hydrogen selling prices are needed as well. The process steam price itself seems to be quite negligible in examined scenarios. The most considerable sensitivities of the techno-economic model lie in success in the estimation of stack lifetime, operation hours, oxygen selling price, and capital expenditures.
By increasing the knowledge about techno-economics, benefits, and downsides of solid oxide electrolyser may boost the changes from fossil-based hydrogen to green hydrogen, especially if there can be shown commercially feasible scenarios. Kansalliset hallitukset, ilmastoryhmät ja yhteisöt, jotka liittyvät globaalin ilmastonmuutoksen ongelmien ratkaisemiseen ovat peräänkuuluttaneet teknologioita ja menetelmiä pysäyttääkseen tai hidastaakseen ilmastonmuutosta. Vihreän vedyn tuottaminen on nähty yhtenä potentiaalisena vaihtoehtona hidastaa ilmastonmuutosta. Tämä voitaisiin toteuttaa korvaamalla nykyinen fossiilisen vedyn käyttö vihreällä vedyllä ja hyödyntämällä sitä myös täysin uusissa teollisuuden sovelluksissa.
Työn tarkoituksena oli tutkia kiinteäoksidielektrolyserin kaupallista soveltuvuutta vaihtoehtoisena matala- tai nollapäästöisen vedyn tuotantojärjestelmänä teknoekonomisesta perspektiivistä katsoen. Järjestelmä mallinnettiin Aspen Plus-ohjelmistolla. Saadut tulokset yhdistettiin kirjallisuudesta kerättyihin kustannustietoihin. Järjestelmän kannattavuutta tarkasteltiin case study -periaatteella, jossa määritettiin kaksi erilaista pääskenaariota. Skenaariot erosivat toisistaan prosessihöyryn hinnan ja ominaisuuksien suhteen. Skenaariot arvioitiin seuraavia taloudellisia mittareita käyttäen: nettonykyarvo, suhteellinen sisäinen korko ja vertailukelpoinen vedyn tuotantokustannus.
Tärkein tulos mikä tutkimuksesta saatiin oli, että järjestelmä voi olla kannattava, mikäli vedyn myyntihinta pysyy 2 €/kg yläpuolella ja sähkön hinta ei nouse yli 30 €/MWh. Järjestelmä voi olla kannattava myös korkeammilla sähkön hinnoilla, mutta silloin myös vedyn myyntihinnan on oltava korkeampi. Prosessihöyryn hinta itsessään ei näyttäisi olevan kovinkaan merkittävä tarkastelluissa skenaariossa. Teknoekonominen malli on herkin kennoston eliniän, käyttötuntien, hapen myyntihinnan ja pääomakustannusten arvioinnin onnistumisen suhteen.
Lisäämällä tietämystä kiinteäoksidielektrolyyserin teknoekonomiasta, sen hyödyistä ja haitoista, voidaan mahdollisesti vauhdittaa siirtymistä fossiilisesta vedystä vihreään. Etenkin, jos voidaan esittää kaupallisesti kannattavaksi osoittautavia skenaarioita.
The aim of this thesis was to examine the commercial feasibility of solid oxide electrolyser as an alternative low- or zero-emission hydrogen production system from a techno-economic perspective. The system was designed and modelled with Aspen Plus software, and the process model results were combined with economic data collected from the literature. The system's profitability was examined as a case study, where two main scenarios with different process steam prices and properties were defined. The scenarios were evaluated by economic metrics of net present value, internal rate of return, and levelized cost of hydrogen.
The main outcome of the study was that the system might reach a profitable status if the selling price of hydrogen stays above 2 €/kg and electricity price would not rise above 30 €/MWh. The system may be profitable even with higher electricity prices, but then higher hydrogen selling prices are needed as well. The process steam price itself seems to be quite negligible in examined scenarios. The most considerable sensitivities of the techno-economic model lie in success in the estimation of stack lifetime, operation hours, oxygen selling price, and capital expenditures.
By increasing the knowledge about techno-economics, benefits, and downsides of solid oxide electrolyser may boost the changes from fossil-based hydrogen to green hydrogen, especially if there can be shown commercially feasible scenarios.
Työn tarkoituksena oli tutkia kiinteäoksidielektrolyserin kaupallista soveltuvuutta vaihtoehtoisena matala- tai nollapäästöisen vedyn tuotantojärjestelmänä teknoekonomisesta perspektiivistä katsoen. Järjestelmä mallinnettiin Aspen Plus-ohjelmistolla. Saadut tulokset yhdistettiin kirjallisuudesta kerättyihin kustannustietoihin. Järjestelmän kannattavuutta tarkasteltiin case study -periaatteella, jossa määritettiin kaksi erilaista pääskenaariota. Skenaariot erosivat toisistaan prosessihöyryn hinnan ja ominaisuuksien suhteen. Skenaariot arvioitiin seuraavia taloudellisia mittareita käyttäen: nettonykyarvo, suhteellinen sisäinen korko ja vertailukelpoinen vedyn tuotantokustannus.
Tärkein tulos mikä tutkimuksesta saatiin oli, että järjestelmä voi olla kannattava, mikäli vedyn myyntihinta pysyy 2 €/kg yläpuolella ja sähkön hinta ei nouse yli 30 €/MWh. Järjestelmä voi olla kannattava myös korkeammilla sähkön hinnoilla, mutta silloin myös vedyn myyntihinnan on oltava korkeampi. Prosessihöyryn hinta itsessään ei näyttäisi olevan kovinkaan merkittävä tarkastelluissa skenaariossa. Teknoekonominen malli on herkin kennoston eliniän, käyttötuntien, hapen myyntihinnan ja pääomakustannusten arvioinnin onnistumisen suhteen.
Lisäämällä tietämystä kiinteäoksidielektrolyyserin teknoekonomiasta, sen hyödyistä ja haitoista, voidaan mahdollisesti vauhdittaa siirtymistä fossiilisesta vedystä vihreään. Etenkin, jos voidaan esittää kaupallisesti kannattavaksi osoittautavia skenaarioita.