Techno-economic fesibility of a hybrid CSP (sCO2) - PV plant for hydrogen production

Autor: Perez De La Calle, Patricia
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: The global need to eliminate CO2 emissions and its consequent reduction in the use of fossil fuels drives the ongoing energy transition that highly involves the research achievements of the scientific community to reach the goals of this purpose. Renewable sources like photovoltaic and wind energy, are central to this endeavor, however, the intermittency of natural resources makes it non-dispatchable and energy storage is fundamental. According to the European Roadmap [1] just a 60% of the CO2 emissions reduction goal can be achieved with available technologies and existing energy. However, the production, use and specially storage opportunities that hydrogen offers can drive non-dispatchable renewable sources to achieve its full potential by clearing up the intermittency problem as well as covering the remained 40% gap. This master's thesis aims to investigate the techno-economic feasibility of integrating a Solid Oxide Electrolyzer Cell (SOEC) into a hybrid PV-CSP(sCO2) plant. The study focuses on assessing various indicators related to electricity, energy, and hydrogen production prices. To achieve this, three different integration strategies within the hybrid PV-CSP(sCO2) plant were selected for analysis: Soec using heat from the particles coming from the receiver, soec using heat coming from the particles available in the thermal energy storage (TES) and soec recovering heat from the sCO2 power block. A sensitivity analysis was conducted on different PV sizes (MWp), battery capacities (MWh), and SOEC installed capacities (MWh) to investigate the technology's potential in the plant and determine optimal sizing of subsystems. However, the individual optimization of economic indicators presented technical and economic challenges. Scenarios allowing individual optimization of hydrogen production prices (€/kg H2) resulted in 10.9, 11.7, and 14.6 €/kg h2 for receiver, TES, and sCO2 integration strategy, respectively. These scenarios, however, require high SOEC installed capacities, leading to elevated electricity and energy production prices. On the other hand, the individual optimization of electricity and energy production prices led to better and lower results when no hydrogen production presence within the plant. However, this analysis also showed that soec capacities below 5MWh together with no installation of batteries and a new definition for calculating hydrogen production prices (LCOH) allows feasible integration of hydrogen production within the plant. LCOH(€/kg h2) results were 10.2€/kg h2, 7.6€/kg h2, and 9.4€/kg h2 for receiver, TES, and sCO2, respectively, for a soec installed capacity of 0.5MWh (119m2 size) along with energy production values not exceeding 101€/MWh. While the results present a favorable outlook for SOEC installations based on literature review data [2] [3] [4] they still face challenges when competing with the cost-efficient PEM technology, which offers 4.5-5.5€/kg H2 [5] without storage. Nonetheless, this research contributes valuable insights into the integration of SOEC technology within hybrid renewable energy systems and provides a comprehensive analysis of the techno-economic aspects related to hydrogen production following different integration strategies. The findings may inform decision-making processes and promote further advancements in sustainable energy solutions.
Det globala behovet av att eliminera CO2utsläpp och därmed minska användningen av fossila bränslen driver pågående energiomställning, som starkt involverar forskningsresultaten från vetenskapssamhället för att nå syftet med detta mål. Förnybara källor som solceller och vindkraft är centrala i detta arbete, men intermittensen hos naturliga resurser gör dem icke disponibla och energilagring är grundläggande. Enligt den europeiska vägkartan [1] kan endast 60% av målet att minska CO2-utsläppen uppnås med tillgängliga teknologier och befintlig energi. Produktionen, användningen och särskilt lagringsmöjligheterna som väte erbjuder kan emellertid driva icke-disponibla förnybara källor att nå sin fulla potential genom att lösa intermitt ensproblemet och täcka den återstående 40% klyftan. Detta examensarbete syftar till att undersöka den tekniskekonomiska genomförbarheten av att integrera en fastoxid elektrolysör (SOEC) i en hybrid PV CSP(sCO2)-anläggning. Studien fokuserar på att utvärde ra olika indikatorer relaterade till el-, energi- och vätgasproduktionspriser. För att uppnå detta har tre olika integrationsstrategier inom hybrid PV CSP(sCO2) anläggningen valts för analys: SOEC med hjälp av värme från partiklar som kommer från mottagaren, SOEC med hjälp av värme från partiklar som finns i termisk energilagring (TES) och SOEC som återvinner värme från sCO2-kraftblocket. En känslighetsanalys har genomförts för olika PVstorlekar (MWp), batterikapaciteter (MWh) och SOEC installerade kapacit eter (MWh) för att undersöka teknologins potential i anläggningen och bestämma optimal dimensionering av delsystem. Resultaten från individuell optimering av ekonomiska indikatorer ledde dock till flera tekniska och ekonomiska utmaningar. Scenarier som tillåter individuell optimering av vätgasproduktionspriser (€/kg H2) resulterade i 10, 9, 11, 7 respektive 14,6 €/kg H2 för mottagare, TES och sCO2 integrationsstrategi. Dessa scenarier kräver dock höga SOEC installerade kapaciteter, vilket leder till höga el och energipriser. Å andra sidan ledde individuell optimering av el och energiproduktionspriser till bättre och lägre resultat när ingen vätgasproduktion fanns i anläggningen. Denna analys visade också att SOEC kapaciteter under 5MWh tillsammans med ingen installation av batterier och en ny definition för beräkning av vätgasproduktionspriser (LCOH) möjliggör genomförbar integration av vätgasproduktion i anläggningen. LCOH (€/kg H2) resultaten var 10,2 €/kg h2, 7, 6 €/kg h2 respektive 9,4 €/kg h2 för mottagare, TES och sCO2, för en SOEC installerad kapacitet på 0,5 MWh (storlek 119m2) tillsammans med energiproduktionsvärden som inte överstiger 101 €/MWh. Medan resultaten visar en gynnsam utsikt för SOECinstallationer baserat på data från litteraturöversikter [2] [3] [4], står de ändå inför utmaningar när de konkurrerar med den kostnadseffektiva PEM teknologin, som erbjuder 4,5-5,5 €/kg H2 [5] utan lagring. Trots detta bidrar forskningen med värdefulla insikter i integrationen av SOEC teknologi i hybrid förnybara energisystem och ger en omfattande an alys av de teknisk-ekonomiska aspekterna relaterade till vätgasproduktion enligt olika integrationsstrategier. Resultaten kan informera beslutsprocesser och främja ytterligare framsteg inom hållbara energilösningar.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: