Feasibility study of producing green hydrogen with wind power and its liquefaction : comparing different electrolysis technologies

Abstract

Fighting climate change takes on many forms and one of them is going through the green energy transition where fossil fuels are replaced with renewable energy sources such as wind, hydro, solar, or geothermal. The demand for green hydrogen and other electrofuels is expected to rise rapidly over the next years and decades related to the green energy transition and industry. Green hydrogen is a potential fuel for heavy vehicles on land, sea and in air as electrifying some heavy vehicles directly is not considered feasible. Iceland could be the first country to run entirely on green energy as most of Iceland’s electricity is generated from renewable energy sources. However, Iceland imports fossil fuels to supply the transportation sector. Going through the green energy transition not only fights global warming but also increases Iceland’s energy safety, saves the cost of importing fossil fuels, and creates economic value for Iceland. This work is a feasibility study of producing green hydrogen with wind power and its liquefaction for intended hydrogen production in Iceland. Two types of electrolysis technologies suitable to pair with the fluctuating wind energy were compared, polymer electrolyte membrane (PEM) and alkaline mono-polar (AEC). The PEM electrolyser selected is already in use today while the AEC mono-polar electrolyser selected is in the development stage for large-scale use. AEC bi-polar electrolysis plant is connected to the transmission system of Iceland and operated as a baseload. The gaseous hydrogen is liquefied to increase its density. Three questions are presented in this work: Which electrolysis technology is more suitable to connect with the wind farm? Is it possible to utilize all of the energy generated by the wind farm without over-sizing the installed capacity of the electrolysis plant? Is it possible to liquefy the gaseous hydrogen produced with the fluctuating wind energy while operating the liquefaction plant within its optimal range? These questions were answered by creating and simulating a hydrogen production model consisting of the wind farm, electrolysis plants, and liquefaction plant. The results showed that coupling the AEC mono-polar electrolyser with the wind farm results in more efficient hydrogen production. It is possible to utilize all of the energy generated by the wind farm but the gaseous hydrogen production proportionally decreases with increased capacity of the electrolysis plant. Operating the liquefaction plants within their optimal range results in large gaseous hydrogen storage solutions which does not fulfill the storage requirement of the hydrogen production.

Til að sporna við hlýnun jarðar þarf meðal annars að fara í gegnum orkuskipti þar sem jarðefnaeldsneyti víkur fyrir endurnýjanlegum orkugjöfum svo sem vind-, vatnsafls-, sólar- og jarðvarmaorku. Áætlað er að eftirspurn eftir grænu vetni og öðru rafeldsneyti mun aukast verulega á næstu árum og áratugum í tengslum við iðnað og orkuskipti. Grænt vetni er líklegur staðgengill jarðefnaeldsneytis til að knýja stærri farartæki á landi, sjó og í lofti þar sem ekki er talið fýsilegt að rafmagnsvæða stærri og þyngri farartæki sem komast þurfa lengri vegalengdir. Ísland gæti orðið fyrst allra þjóða að verða óháð jarðefnaeldsneyti þar sem megnið af raforku Íslands er framleitt með endurnýjanlegum orkugjöfum. Ísland flytur hins vegar inn jarðefnaeldsneyti til að knýja samgöngur. Með því að fara í gegnum orkuskipti spornar Ísland ekki einungis við hlýnun jarðar, heldur eykur einnig orkuöryggi þjóðarinnar, verulegur gjaldeyrissparnaður verður vegna minni innflutnings og stuðlar þetta einnig að verðmætasköpun landsins.Í þessari ritgerð er kannaður fýsileiki þess að framleiða vetni með vindorku og vökvagerð þess með ofurkælingu fyrir fyrirhugaða vetnisframleiðslu á Íslandi. Framleiðslan fær einnig stöðuga raforku frá flutningskerfi Landsnets. Borið er saman mismunandi rafgreinatækni, polymer electrolyte membrane (PEM) og alkaline mono-polar (AEC) en rafgreinarnir þurfa að geta tekið við sveiflum í raforkuafhendingu frá vindorkugarðinum. PEM er nú þegar í notkun í dag á meðan valdi AEC mono-polar rafgreinirinn er í þróun fyrir vetnisframleiðslu á stórum skala. Vetnið er vökvagert til þess að auka þéttleika þess. Þrjár spurningar voru settar fram í ritgerðinni: Hvor rafgreinirinn er hentugri til að tengja við vindorkugarðinn? Er mögulegt að nýta alla vindorkuna án þess að hafa uppsett afl rafgreinaverksmiðjunnar í yfirstærð? Er mögulegt að vökvagera vetnisgasið framleitt með sveiflukenndari vindorkunni og reka kæliverksmiðjuna innan ákjósanlegs keyrslusviðs? Þessum spurningum var svarað með því að búa til og herma vetnisframleiðslulíkan sem samanstendur af vindorkugarðinum, rafgreinaverksmiðjunum og kæliverksmiðjunni. Niðurstöður gáfu til kynna að AEC mono-polar er afkastameiri og hentugri til að tengja við vindorkugarðinn. Það er mögulegt að nýta alla raforkuna frá vindorkugarðinum til vetnisframleiðslu en vetnisframleiðslan lækkar hlutfallslega með auknu uppsettu afli rafgreinisins. Að reka kæliverksmiðjuna alltaf innan ákjósanlegu keyrslusviði hefur þær afleiðingar að geyma þarf vetnisgas á stórum skala sem uppfyllir ekki geymsluviðmið framleiðslunnar.