Evaluating electrolyser setups for hydrogen production from offshore wind power: A case study in the Baltic Sea

Abstract

[ES] Como parte de la transición hacia un sistema energético totalmente sostenible, el hidrógeno verde muestra un gran potencial para descarbonizar varios sectores en los que es difíciles de conseguir. La energía eólica marina ha surgido como una opción para suministrar la electricidad libre de fósiles necesaria para la electrólisis. En este informe se comparan y aplican cuatro escenarios que utilizan diferentes ubicaciones y tecnologías de electrolizadores en un estudio de caso a 30 años que considera un parque eólico marino de 1 GW en el Mar Báltico. Los escenarios se evalúan mediante una optimización de la capacidad de los electrolizadores, la modelización y simulación de todo el sistema, una revisión bibliográfica de la disponibilidad tecnológica, teniendo en cuenta los aspectos de seguridad y las consideraciones operativas.

Se demuestra que una gama de capacidades instaladas ofrece sólo ligeras diferencias en los costes nivelados y que los tamaños óptimos dependen en gran medida de la evolución futura de los costes de los electrolizadores. No se recomienda una relación de tamaño de 1:1 entre entre la capacidad del electrolizador y la potencia máxima disponible. Además, las simulaciones indican que las ineficiencias del electrolizador constituyen entre el 63,2% y el 68,5% de las pérdidas totales de energía. Las pérdidas de transmisión de energía son relativamente pequeñas debido a la corta distancia de transmisión, mientras que las demandas de energía de varios subsistemas son casi insignificantes. Destaca la producción de hidrógeno en tierra utilizando un sistema de electrolizador alcalino, que ofrece la mayor eficiencia del sistema y la mayor producción de hidrógeno, con un 55,93% y 2,23 Mton respectivamente. Además, este sistema es el más rentable, con un coste nivelado del hidrógeno de 3,15 €/kg. Sin embargo, los obstáculos sociales, medioambientales y normativos parecen ser mayores que en el caso de la electrólisis en alta mar. Además, es probable que la rápida evolución de los costes de los electrolizadores refuerce las configuraciones de electrolizadores marinos y PEM. Se destacan en el documento una serie de oportunidades de investigación con el fin de completar el estado del arte identificado.

[EN] As part of the transition towards a fully sustainable energy system, green hydrogen shows great potential to decarbonise several hard-to-abate sectors. To provide the fossil-free electricity required for electrolysis, offshore wind power has emerged as a suggested option. In this report, four scenarios using different electrolyser placements and technologies are compared and applied in a 30-year case study considering a 1 GW offshore wind farm in the Baltic Sea. The scenarios are evaluated through the optimisation of electrolyser capacities, full system modelling and simulation, a techno-economic assessment, as well as a literature review of technological readiness, safety aspects and operational considerations.

It is shown that a range of installed capacities offers only slight differences in levelised costs and that the optimal sizes to a large part depend on future electrolyser cost developments. A 1:1 sizing ratio between electrolyser capacity and maximum available power is not suggested for any of the studied configurations. Further, the simulations indicate that electrolyser inefficiencies constitute between 63.2 and 68.5% of the total energy losses. Power transmission losses are relatively small due to the short transmission distance, while the power demands of several subsystems are nearly insignificant. Onshore hydrogen production using an alkaline electrolyser system is highlighted, offering the highest system efficiency and largest hydrogen production, at 55.93% and 2.23 Mton, respectively. This setup is further shown to be the most cost-efficient, offering a levelised cost of hydrogen at 3.15 €/kg. However, obstacles in the form of social and environmental concerns and regulations are seemingly larger compared to the scenarios using offshore electrolysis. Further, rapid future cost developments for electrolysers are likely to strengthen the case for offshore and PEM electrolyser configurations. A range of research opportunities are highlighted to fill the identified knowledge gaps and enable further insights.