Search

This report is part of a commissioned research, ordered jointly by Fortum and St1. The re-search was carried out by LUT University between 1.4.2021 – 31.10.2021. The purpose of the study was to perform a hydrogen ecosystem analysis on a strategic level for the Bothnian Bay, describing the key customers, producers, and necessary infrastructural elements. The scope and detail level of the study was purposefully kept light to enable a rapid procedure. A key question of the work was whether local wind power resources would be enough to meet the increased electricity consumption, which was assumed to be escalated primarily by steel decarbonization and power-to-methanol systems. The conclusion of this report is that wind power potential is indeed sufficient for the transition, but extensive capacity additions are nec-essary – not only for the generation, but also for the energy transmission infrastructure. The future electricity demand presented in this work greatly exceeds some of the previously pre-sented national public estimations, which indicates that the prevailing understanding of the opportunities and necessary development actions is deficient. The study found local differ-ences in electricity transmission costs and wind resources, which can lead to competitive dif-ferences, and cause accumulation of investments to specific regions or countries. The results also indicate that chemical storages are likely needed for buffering hydrogen production and storing energy, but further analysis is required to assess the necessary volumes and optimal transport. It is proposed that the analysis is continued in more accurate studies, while also extending the scope to include Norway, Sweden, and Finland in their entirety. Tämä raportti on osa Fortumin ja St1:n tilaustutkimusta. Työ toteutettiin LUT Yliopistolla aika-välillä 1.4.2021 – 31.10.2021. Työn tarkoituksena oli tarkastella strategisella tasolla Peräme-ren alueen vetyekosysteemiä, kuvaten sen oleellisimmat asiakkaat, tuottajat ja vaaditut infra-struktuurielementit. Työn laajuus ja tarkkuustaso oli tarkoituksella kevyehkö nopean läpivien-tiprosessin varmistamiseksi. Eräs työn avainkysymyksistä oli tuulivoimaresurssien riittävyys suhteessa lisääntyneeseen sähkönkulutukseen, johon puolestaan vaikuttaa alueen terästuo-tannon muuttuminen hiilineutraaliksi ja sähköpohjaisten kemikaalien tuotanto (power-to-methanol). Johtopäätöksenä alueen tuulipotentiaalia voidaan pitää riittävänä muutosta varten, mutta käytettävissä olevan kapasiteetin on kasvettava merkittävästi sekä sähköntuotannon että energian siirtojärjestelmien osalta. Työssä esitetyt sähkönkulutuksen ennusteet ylittävät osan aiemmin esitetyistä kansallisista arvioista, jota voidaan pitää osoituksena puutteellisesta näkemyksestä alueen mahdollisuuksien ja kehitystarpeiden suhteen. Tutkimuksessa todetut alueelliset erot tuulisähkön potentiaalin ja sähkönsiirron kustannuksissa voivat heijastua paikal-lisena kilpailuetuna, sekä investointien kasautumisena tietyille alueille ja valtioille. Energian varastointiin ja vedyntuotannon tasaukseen tarvittaneen kemiallisia energiavarastoja, mutta kokoluokan ja kuljetusten tarkempaan arviointiin vaaditaan jatkotutkimuksia. Ehdotamme työn jatkamista tarkemmissa selvityksissä, joissa voidaan myös laajentaa tutkimusaluetta kattamaan Norja, Ruotsi ja Suomi kokonaisuudessaan. Publishers version

Water electrolyzer technologies may play a key role in the decarbonization of the fossil-fueled world economy. Electrolytic hydrogen production could bridge emission-free power generation and various energy end-use sectors to drive the energy system towards a net zero-emission level. In order to reduce the economic cost of the required energy transition, both the overall system efficiency in converting electrical energy into the chemical energy carried by hydrogen, and the material used to build electrolytic cell stacks, should be optimal. The effect of power quality on the specific energy consumption of proton exchange membrane (PEM) water electrolyzers is investigated with a semi-empirical cell model. An experimentally-defined polarization curve is applied to analyze cell-specific energy consumption as a function of time in the case of sinusoidal current ripples and ripples excited by an industrial 12-pulse thyristor bridge. The results show that the effective electrolyzer cell area should be up to five times as high as an ideal DC power supply when powered by the 12-pulse thyristor rectifier supply to match the specific energy consumption between the two power supply configurations. Therefore, the improvement of power quality is crucial for industrial PEM water electrolyzer systems. The presented approach is applicable to simulate the effect of power quality for different proton exchange membrane electolyzers.