Optimal operation and decentralized control of offshore DC grid with renewable energy sources

Siirtymä kestävän energiajärjestelmän pariin on kriittinen globaalien hiilidioksidipäästövähennystavoitteiden saavuttamiseksi, ja merituulivoimaan perustuva vedyn tuotanto on nousemassa lupaavaksi ratkaisuksi hiilineutraaliuden edistämisessä. Merellä sijaitsevat vedyn tuotantojärjestelmät, jotka hyödyntävät uusiutuvia energialähteitä, kuten tuulta ja aurinkoenergiaa, tunnistetaan yhä enenevässä määrin skaalautuvien ja kestävien energiaratkaisujen ratkaisuiksi. Tämä diplomityö keskittyy kyseisten tuotantojärjestelmien teknillistaloudelliseen arviointiin, painottaen niiden teknistä toteutettavuutta ja taloudellista kannattavuutta vaihtelevissa ympäristö- ja infrastruktuuriolosuhteissa. Työssä suoritetaan kattava kirjallisuusanalyysi, jolla arvioidaan saatavilla olevia parhaita tekniikoita ja mahdollisia järjestelmäkonfiguraatioita. Toteutettavuutta tarkastellaan keskeisten tekijöiden, kuten vedyn tasakustannusten (LCOH) määrittävien infrastruktuurikustannusten, varastoinnin ja kuljetusmenetelmien kautta. Merellä tapahtuva vedyn tuotanto aiheuttaa korkeammat pääoma- ja käyttökustannukset johtuen muun muassa suolanpoistoyksiköiden, erikoiselektrolysaattoreiden ja merirakenteiden tarpeesta. Lisäksi valinta offshore- ja onshore-varastoinnin välillä, sekä vedyn kuljetusmuodon valinta, vaikuttavat suoraan vedyn taloudelliseen kannattavuuteen. Euroopan tasolla työ tarkastelee uusiutuvan vedyn poliittista toimintaympäristöä ja markkinoiden kehitystä, korostaen EU:n kunnianhimoisten tavoitteiden ja nykyisen tuotantokapasiteetin välistä kuilua. Sääntelyn epävarmuus, infrastruktuurirajoitteet ja kustannusesteet hidastavat laajamittaista käyttöönottoa, samalla kun kansalliset strategiat vaihtelevat kunnianhimon ja toteutuksen osalta. Keskeisiä poliittisia instrumentteja, kuten hiilisopimuksia (CCfD), suoria tukia ja sertifiointimekanismeja, arvioidaan niiden roolin osalta kilpailukykyisten vetymarkkinoiden edistämisessä. Lisäksi tutkimuksessa esitellään neljä edistyksellistä offshore vihreän vedyn pilottihanketta PosHYdon (Alankomaat), Dolphyn (Iso-Britannia), H2Mare (Saksa) ja Gigastack (Iso-Britannia) joista saadaan arvokasta tietoa toteutettavuudesta, skaalautuvuudesta ja kestävyydestä. Nämä projektit havainnollistavat innovatiivisia tapoja yhdistää uusiutuva energia vedyn tuotantoon sekä ratkaista infrastruktuuriin ja sääntelyyn liittyviä haasteita. Analysoimalla kustannustekijöiden, sääntelykehysten ja käytännön tapaustutkimusten välistä vuorovaikutusta, tämä tutkimus tarjoaa kattavan ymmärryksen kehittyvästä merivedyn tuotannonalasta. Tulokset korostavat tarvetta koordinoidulle poliittiselle tuelle, teknologisille edistysaskeleille ja strategisille infrastruktuuri-investoinneille, jotta offshore-vedyn tuotanto voidaan tehdä taloudellisesti kannattavaksi ja skaalautuvaksi.

The transition to sustainable energy systems is critical for achieving global decarbonization targets, with offshore hydrogen production emerging as a promising solution to support carbon neutrality efforts. Offshore hydrogen systems, leveraging renewable energy sources such as wind and solar, are increasingly recognized for their potential to deliver scalable and sustainable energy solutions. This thesis focuses on the techno-economic evaluation of offshore hydrogen systems, emphasizing their technical feasibility and economic viability under varying environmental and infrastructural conditions. A comprehensive literature analysis is conducted, to evaluate the best available techniques and possible configurations of such systems. The feasibility is considered through the key factors influencing the Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) in offshore production, including infrastructure costs, storage, and transportation methods. Offshore hydrogen production incurs higher capital and operational costs as it requires desalination units, specialized electrolyzers, and robust marine infrastructure. Additionally, the choice between offshore and onshore storage, as well as transportation method, introduces complex trade-offs that directly impact hydrogen economics. At the European level, the thesis examines the policy landscape and market development of renewable hydrogen, highlighting the gap between the EU’s ambitious targets and current production capacity. Regulatory uncertainties, infrastructure limitations, and cost barriers hinder large-scale deployment, while national strategies vary in ambition and implementation. Key policy instruments, including carbon contracts for difference (CCfD), direct subsidies, and certification mechanisms, are assessed for their role in fostering a competitive hydrogen market. Furthermore, this study presents case studies of four pioneering offshore green hydrogen projects—PosHYdon (Netherlands), Dolphyn (UK), H2Mare (Germany), and Gigastack (UK)—which offer valuable insights into feasibility, scalability, and sustainability. These projects illustrate innovative approaches to integrating renewable energy with hydrogen production, while addressing infrastructure and regulatory challenges. By analysing the interplay between cost drivers, regulatory frameworks, and real-world case studies, this research provides a comprehensive understanding of the evolving offshore hydrogen sector. The findings highlight the necessity for coordinated policy support, technological advancements, and strategic infrastructure investments to ensure the economic viability and scalability of offshore hydrogen production.