Decarbonizing Microgrids : Techno-Economic Analysis of Hybrid Hydrogen Systems

Abstract

Decarbonizing the energy sector is recognized as essential by the European Union for reducing global greenhouse gas emissions, with green hydrogen positioned as a cornerstone of the carbon neutrality goals. Hybrid hydrogen systems, which integrate solar, wind, and storage technologies, are increasingly identified for their potential in microgrid applications, providing a viable pathway toward sustainable energy solutions. A detailed techno-economic analysis is conducted in this thesis to evaluate the technical feasibility and economic performance of green hybrid hydrogen systems considering influential factors like regions, climates, and infrastructure. Key performance indicators (KPIs), including the Levelized Cost of Energy (LCOE), Levelized Cost of Hydrogen (LCOH), and the proportion of excess electricity generated, are employed to assess the efficiency and viability of the systems under diverse operational conditions. Emphasis is placed on factors such as resource availability and operating hours, which are found to significantly influence the design and performance of microgrid systems. Nine microgrid configurations are modelled and simulated using the HOMER Pro optimization software. Technical specifications, economic assumptions, and environmental conditions are defined and reviewed as part of the system modelling process. The Trial-and-Test Method approach is applied to determine the component capacities. Results show that the KPIs are influenced by a range of factors, such as the wind and solar resources and microgrid component capacities. Noteworthy variations in the KPIs are found between the region’s different climates. Once the utilization of solar sources was favored in RESs relation, both the LCOE and LCOH cost values increased substantially, due to the increase in Capital Expenditure (CAPEX) and Fixed Operation and Maintenance (FOM) costs. The analysis underscored the role of location and operational profiles in influencing microgrid performance and cost outcomes, which varied across the case studies. The LCOE and LCOH values exhibited considerable variation, with some values being up to twice as high as the lowest ones. Limitations and potential directions for future research are also suggested in this thesis, as the observed KPI values exceeded those reported in the literature. A comprehensive understanding of key factors, including geographic location, resource availability, and operational hours, along with their effective implementation, is essential for optimizing green hybrid hydrogen systems, ensuring the efficient operation of microgrid configurations, and advancing the global adoption of renewable energy technologies.

Energiajärjestelmien hiilidioksidipäästöjen vähentäminen on Euroopan unionin tunnistama keskeinen tavoite maailmanlaajuisten kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi, ja vihreä vety nähdään hiilineutraaliustavoitteiden kulmakivenä. Hybridivetyjärjestelmät, jotka yhdistävät aurinko-, tuuli- ja varastointiteknologioita, ovat yhä useammin tunnistettu lupaaviksi ratkaisuiksi mikroverkkojen sovelluksissa, tarjoten toteuttamiskelpoisen polun kohti kestäviä energiantuotantoratkaisuja. Tässä opinnäytetyössä suoritetaan teknistaloudellinen analyysi vihreiden hybridivetyjärjestelmien teknisen toteutettavuuden ja taloudellisen suorituskyvyn arvioimiseksi huomioiden alueellisia, ilmastollisia ja infrastruktuurisia tekijöitä. Järjestelmien tehokkuuden ja toteuttamiskelpoisuuden arvioinnissa käytetään keskeisiä suoritusindikaattoreita (KPI), kuten energiantuotannon tasakustannusta (LCOE), vedyn tuotannon tasakustannusta (LCOH) sekä tuotetun ylijäämäsähkön osuutta. Erityistä huomiota kiinnitetään resursseihin ja käyttöaikoihin, joiden todetaan vaikuttavan olennaisesti mikroverkkosovellusten suunnitteluun ja suorituskykyyn. Yhdeksän mikroverkkokonfiguraatiota mallinnetaan ja simuloidaan HOMER Pro -optimointiohjelmiston avulla. Teknisiä määrityksiä, taloudellisia oletuksia ja ympäristöolosuhteita määritetään ja arvioidaan osana järjestelmän mallinnusprosessia. Komponenttikapasiteettien määrittämisessä sovelletaan Koetus- ja Testausmenetelmää. Tulokset osoittavat, että keskeiset suoritusindikaattorit (KPI) ovat riippuvaisia monista tekijöistä, kuten tuuli- ja aurinkoresursseista sekä mikroverkon komponenttien kapasiteeteista. Huomattavia eroja suoritusindikaattoreissa havaittiin eri alueiden ilmasto-olosuhteiden välillä. Kun uusiutuvien energialähteiden (RES) osalta painotettiin aurinkoresurssien hyödyntämistä, sekä LCOE- että LCOH-kustannusarvot nousivat olennaisesti pääomakustannusten (CAPEX) ja kiinteiden käyttökustannusten (FOM) kasvun seurauksena. Analyysi korostaa sijainnin ja ajoprofiilien merkitystä mikroverkkojen suorituskyvyn ja kustannusten muotoutumisessa, mikä vaihteli selvästi tapaustutkimusten välillä. LCOE- ja LCOH-arvot osoittivat olennaista vaihtelua, joissakin tapauksissa korkeimmat arvot olivat jopa kaksinkertaisia alhaisimpiin arvoihin verrattuna. Rajoituksia ja mahdollisia tulevaisuuden tutkimussuuntia ehdotetaan myös tässä opinnäytetyössä, sillä havaitut KPI-arvot ylittivät kirjallisuudessa raportoituja arvoja. Keskeisten tekijöiden, kuten maantieteellisen sijainnin, resurssien saatavuuden ja käyttöaikojen, kattava ymmärtäminen sekä niiden tehokas hyödyntäminen ovat olennaisia vihreiden hybridivetyjärjestelmien optimoinnissa, mikroverkkojen tehokkaassa toiminnassa ja kestävien energiateknologien maailmanlaajuisen käyttöönoton edistämisessä.