Det råder koncensus bland klimatforskare världen över att en omställning från fossila bränslen till mer klimatneutrala alternativ måste ske i energiproduktionen om det ska gå att hejda den globala uppvärmningen. Ett alternativ för att lyckas med detta är att producera energin från förnybara energikällor som vind och solkraft. Detta är också något som utnyttjas i allt högre grad runt om i världen, men problem uppstår dock när en stor del av en regions andel av energiproduktionen kommer från dessa källor. Det skapas en prisvolatilitet på marknaden, med priser som varierar lika mycket som vindstyrkan eller solinstrålningen. Ibland sjunker priserna så lågt att det är svårt att nå en lönsamhet för kraftverken. För att komma till bukt med denna obalans på energimarknaden kommer det att behöva byggas ett energilagringssystem som lagrar energin de förnybara källorna producerar. Ett alternativ för att lagra energi är att utvinna vätgas genom elektrolys när priserna på elmarknaden är låga för att sälja detta till olika aktörer. Tanken är att prisdalar ska jämnas ut om en överproduktion av el motverkas av en ökande elförbrukning genom vätgasframställning. På samma sätt jämnas pristopparna ut genom att upphöra med denna framställning när elproduktionen minskar. De aktörer som kan tänkas använda den producerade vätgasen kan vara allt från förbrukare inom industrin, vätgasbilar i transportsektorn, stationära bränsleceller för reservkraftverk, omvandling av koldioxid till biogas med hjälp av vätgas och konvertering av oljeeldade värmepannor. Vätgas är en skrymmande gas vid normalt tryck och temperatur, varför lagring måste ske i högt tryck eller i vätskefas. Detta göra att lagring och transport är två av de kostsammaste aspekterna i vätgashanteringen. Elpriset är också en stor kostnadsdrivare när vätgas framställs genom elektrolys. Dock kan en del av kostnaden för inköp av elenergi till en sådan här elektrolysanläggning undvikas om den placeras inom ett så kallat icke konscessionspliktigt nät, där ingen överföringsavgift behöver betalas. Exempel på sådana områden är vindkraftsparken på berget Uljabuouda utanför Arjeplog och fjärrvärmeverket på Hedensbyn i Skellefteå. Det huvudsakliga syftet med denna rapport har varit att undersöka om det är ekonomiskt försvarbart att lagra energi i form av vätgas genom elektrolysframställning. För att undersöka detta valdes att placera två tänkta elektrolysörer på Uljabuouda och Hedensbyn tillsammans med en jämförelseanläggning i Arjeplogs samhälle. Dessutom valdes två olika storlekar på elektrolysörerna, en som producerar 150 Nm3 vätgas i timmen, kallad C150, och en annan som producerar 300 Nm3, kallad C300. Förutom det huvudsakliga syftet har rapporten undersökt vilket snittpris på el det varit under de senaste fyra åren. Det presenteras också några beräkningar för olika marknadsaktörers möjligheter att använda vätgas. Undersökningens resultat Lönsamheten för elektrolysören styrs i första hand av om all vätgas som produceras kan säljas, givet att anläggningen placeras inom icke koncessionspliktigt nät. Placeras den utanför sagda område är lönsamheten betydligt sämre. Placering av elektrolysören på Hedensbyn ger lite bättre ekonomiskt resultat och kortare återbetalningstid i jämförelse med en placering på Uljabuouda. Det här beror till största del på de stordriftsfördelar som antas erhållas i anslutning till ett bemannat fjärrvärmeverk. Återbetalningstiden i år för en elektrolysör som producerar 150 Nm3/h, med en drifttid på 4000 h/år och ett försäljningspris för vätgasen på 90 kr/kg är följandeUljabuouda: 11,3 år Arjeplog: 14,4 år Hedensbyn: 10,8 år Återbetalningstiden i år för en elektrolysör som producerar 300 Nm3/h, med en drifttid på 4000 h/år och ett försäljningspris för vätgasen på 90 kr/kg är följandeUljabuouda: 7,92 år Arjeplog: 9,25 år Hedensbyn: 7,75 år Det är osäkert om det går få tillstånd att bygga en elektrolysör på Uljabuouda. Detta gör att det kanske inte ens är lönt att överväga byggnation av en elektrolysör på detta ställe. De senaste fyra åren har snittpriset på el har varit 274 kr/MWh. Vid ett så lågt elpris kan vindkraftverk få problem med lönsamhet för sin elproduktion. Marknadsundersökningen visar att marknaden för vätgas i Västerbotten och Norrbotten inte är speciellt stor i nuläget. Den kan dock komma att växa. Biltestverksamheten i Arjeplog kan inom en snar framtid förbruka en väsentlig del av det som en elektrolysör i storlek C150 producerar. Fjärrvärmeverket på Hedensbyn är också en möjlig förbrukare av vätgas i sina uppstartsbrännare. / There is a consensus amongst climate scientists around the world that a shift from fossil fuels to more climate-neutral alternatives must take place in the energy production in order to cope with global warming. One way to succeed with this is to produce energy from renewable sources such as wind and solar power. This is also something that is increasingly being utilized around the world, but problems arise when a large part of a region's share of energy production comes from these sources. There can be price volatility in the market, with prices that vary as much as wind or solar radiation. Sometimes prices drop so low that it is difficult to achieve profitability for power plants. In order to overcome this imbalance in the energy market, an energy storage system will need to be built that stores the energy the renewable sources produce. An alternative to storing energy is to extract hydrogen through electrolysis when prices in the electricity market are low to sell this to different players. The idea is that price valleys will be leveled out if an overproduction of electricity is counteracted by increasing electricity consumption through hydrogen production. Similarly, pricing peaks are leveled by ending this production when power generation decreases. The operators who may use the hydrogen produced may range from industrial users, hydrogen vehicles in the transport sector, stationary fuel cells for reserve power plants, conversion of carbon dioxide to biogas by hydrogen and conversion of oil-fired boilers. Hydrogen is a bulky gas at normal pressure and temperature, so storage must take place in high pressure or in liquid phase. This means that storage and transportation are two of the most expensive aspects of hydropower management. Electricity price is also a major cost driver when hydrogen is produced by electrolysis. However, part of the cost of purchasing electricity for such an electrolysis plant can be avoided if it is placed within a so-called non-licensed network, where no transfer fee is required. Examples of such areas are the wind farm on the Uljabuouda mountain outside Arjeplog and the district heating plant at Hedensbyn in Skellefteå. The main purpose of this report has been to investigate whether it is economically justifiable to store energy in the form of hydrogen through electrolysis production. To investigate this, it was decided to place two thought electrolysers on Uljabuouda and Hedensbyn together with a comparison facility in Arjeplog's society. In addition, two different sizes were selected on the electrolysis tubes, one that produces 150 Nm3 hydrogen per hour, called C150, and another that produces 300 Nm3, called the C300. In addition to the main purpose, the report has examined the average price of electricity for the last four years. It also presents some estimates for the potential of various market participants to use hydrogen. Survey results: The profitability of the electrolyzer is primarily governed by the fact that all hydrogen produced can be sold, given that the plant is placed within non-concessionary networks. Placed outside the stated area, profitability is significantly reduced. Placement of the electrolyzer on Hedensbyn gives a little better financial performance and a shorter payback time compared to a location on Uljabuouda. This is largely due to the economies of scale assumed to be obtained in connection with a manned district heating plant. The payback time in figures for an electrolyzer that produces 150 Nm3/h, with a running time of 4000 h/year and a sales price of 90 kr/kg of hydrogen is the followingUljabuouda: 11,3 år Arjeplog: 14,4 år Hedensbyn: 10,8 år The payback time in figures for an electrolyzer producing 300 Nm3 / h, with a running time of 4000 h / year and a sales price of 90 kr / kg of hydrogen is the followingUljabuouda: 7,92 år Arjeplog: 9,25 år Hedensbyn: 7,75 år It is uncertain whether permission is being given to build an electrolyzer on Uljabuouda. This may make the construction of an electrolytic tube there not even worth to consider. In the past four years, the average electricity price has been 274 kr / MWh. This is a low electricity price due to overproduction of electricity. At such a low electricity price, wind turbines can have problems with profitability for their production. The market survey shows that the market for hydrogen in Västerbotten and Norrbotten is not particularly high at present. However, it may grow. The car test business in Arjeplog can in the near future consume an essential part of what an electrolytic tube in size C150 produces. The district heating plant at Hedensbyn is also a potential hydrogen source in its boot burner.

Power to X, hereinafter PtX, is a conversion of electricity into some kind of energy carrier, such as gas or liquid. The purpose of the technique is often to store “excess” energy from renewable energy sources, usually wind power, in order to use it later. One aspect ofPtX is Power to Gas, hereinafter PtG, which involves the conversion of electricity often by the use of an electrolyser into a gaseous energy carrier, such as hydrogen or methane. The technology is a promising strategy for balancing the electricity supply in countries that striveto have near zero carbon dioxide emissions and have to rely on renewable energy sources. Another part of PtX that has received more attention lately and that may be important in the future, with more fluctuating electricity prices due to a larger share of renewableenergy in the energy systems, is the technique Power to gas to power, PtGtP. In PtGtP electrical energy, often with the help of anelectrolyser, is converted and stored in a gaseous energy carrier and later on when there is an electricity shortage it is converted backinto electrical energy through fuel cells. PtGtP can therefore be seenas a further development of PtG. The purpose of the study is therefore to investigate the potential forPtX, more specifically PtG and PtGtP in Sweden in terms ofprofitability. PtG was investigated considering production of hydrogenand methane where the hydrogen was sold as fuel for vehicles and the methane was injected into the gas distribution network in Stockholm.The methane production also results in surplus heat which was injected into the district heating network. To investigate this, a qualitativecase study was carried out on two hypothetical facilities. One fromthe Swedish company Euromekanik, that produces hydrogen and one from the German company Electrochaea that produces methane. Euromekanik’s facility was also used for the PtGtP application. The results weremainly based on the electricity prices of 2019. However, electricityprices for 2017, 2018 as well as more volatile electricity prices havebeen examined. Simulations of the input- and output flows in thefacilities have been performed in MATLAB and profitabilitycalculations have been performed using the net present value methodand the profitability index. A sensitivity analysis was conducted inwhich the values of the most important parameters were varied. The results regarding PtG in this study show that the idea ofproduction should take place when the electricity prices are low canbe rejected. The results also show that the conversion of hydrogeninto methane decreases the profitability. Running the PtG plant allhours of the year and producing hydrogen is therefore the mostprofitable design of the plant, even though this set-up still resultsin a negative net present value of approximately 24 MSEK after 20years. The result from the investigation of PtGtP shows that due tothe low system efficiency, the electricity sold back to the grid needsto have a price of 5000-6000 SEK/MWh for the plant to break-even when purchasing electricity a fourth of the hours of the year with thelowest electricity price. With the pattern and prices on the Swedish electricity market today this technique will not be profitable.However, both PtG and PtGtP will most likely have another value than solely the economic profitability in terms of energy storage andsystem balancing functions, though that has not been examined in this thesis.

Sedan 2016 har flera politiska incitament genomförts för att undersöka möjligheten för att få den nordiska vätgasmarknaden att växa. Vätgas är en energibärare med potential att användas som ett miljövänligt drivmedelsalternativ för transportflottan eftersom utsläppen vid användning med bränslecell är rent vatten och bränslecellsbilar har en hög energieffektivitet i jämförelse med bilar med traditionella förbränningsmotorer. De enda utsläppen som förknippas med vätgas är de som sker i samband med produktionen av gasen. Det finns flera olika sätt att producera vätgas ur olika substrat. Idag produceras den mesta vätgasen från naturgas på raffinaderier för användning i bensin- och dieselproduktion. Det planeras en expansion av tankstationer för vätgas i Sverige, men då det finns få producenter så finns det ett intresse för Tekniska verken i Linköping AB att undersöka vad olika produktionsvägar för vätgas har för fördelar och nackdelar i jämförelse med andra biodrivmedel som fordonsgas och elektricitet. Studiens syfte var att undersöka tekniskt lämpliga produktionsvägar för vätgas som är kompatibla med biogasproduktion eller vindkraftsel, och jämföra de olika produktionsvägarna med biogas och vindkraftsel i relation till klimatpåverkan och energieffektivitet då drivmedel för 100 km körsträcka produceras. Efter en teknisk screening av vätgasproduktion, biogasproduktion och elektricitet från vindkraft konstanterades att vätgasproduktion viaångreformering av biogas, tvåstegsrötning av organiskt avfall och PEM-elektrolys är de produktionsvägar som har bäst potential för miljövänlig vätgasproduktion hos Tekniska verken i Linköping AB. Vidare kartlades viktiga parametrar för modellering och simulering av klimatpåverkan i programvaran simaPro. För jämförelse av produktionsvägarna för vätgas från rötning av matavfall användes WTW-metodik. För jämförelsen mellan elektricitet och elektrolys användes modifierad LCA-metodik med klimatpåverkan för hela livscykeln för vindkraftverket men för resterande processteg användes endast klimatpåverkan för driften för produktionen. Resultaten för jämförelsen mellan produktion av biogas, ångreformering och tvåstegsrötning visar ingen tydlig skillnad i varken klimatpåverkan eller energieffektivitet. Studien påvisar däremot att ångreformering av fordonsgas behöver mindre mängd matavfall för produktion av drivmedel för 100 km körsträcka (38 kg/100km) i jämförelse med tvåstegsrötning (44 kg/100km) och biogas (54 kg/100 km). För jämförelsen mellan produktion av vätgas via elektrolys och vindkraftsel visades systemet för vindkraftsel (23,6 kWh/100 km) vara dubbelt så energieffektivt jämfört med systemet för elektrolys (50,9 kWh/100 km), medan systemens klimatpåverkan förhöll sig till en liknande ratio med 0,154 kg CO2-eq utsläpp/100 km i jämförelse med 0,343 kg CO2-eq utsläpp/100 km. Studien visar att vid analys av energieffektivitet och klimatpåverkan för närbesläktade produktionssystem så spelar energieffektiviteten i använd bil stor roll för resultatet. Studiens resultat är framförallt intressant för svenska energibolag som vill veta mer om vätgasproduktion och hur dess klimatnytta och energiproduktion förhåller sig till andra fossilfria drivmedel.

Alltmer intermittent elkraft byggs idag i Sverige för att öka andelen förnybar el i energisystemet. Detta leder till mer ojämn elproduktion, vilket skapar problem i form av mer volatila och oförutsägbara elpriser. Ett sätt att dämpa effekten av den ökande intermittenta kraften är att använda förnybar vätgasproduktion som lastutjämning. På detta sätt kan vätgasen potentiellt bli en viktig del i den fossilfria energimixen. Att använda vätgas som energilager i en Power-to-Power-applikation (P2P) möjliggör även utnyttjandet av prisarbitrage på elmarknaden. Ett ökat klimatfokus har återuppväckt intresset för hur vätgasproduktion kan göras lönsamt. Några tecken på att satsningar sker är att flera länder satsar stora pengar på vätgastekniker och infrastruktur, där flertalet samarbeten över nationella gränser har etablerats.Denna studie syftar till att undersöka de tekno-ekonomiska förutsättningarna för produktion av förnybar vätgas där lönsamheten av arbitragehandel på elmarknaden Elspot bedöms. Detta innefattar en gedigen granskning av kommersiella tekniker lämpade för Linköpings energisystem, däribland elektrolys, ångreformering och bränslecell. Tre fall konstruerades med olika uppsättningar av ingående komponenter. Sedan utfördes en driftoptimering som tog fram övre och undre prisgränser för produktion respektive konvertering av vätgas mot spotpriset. Optimeringsverktyget Problemlösaren i Excel användes för att få fram dessa gränser. Visual Basic (VBA) användes sedan för att genomföra en lagersimulering som visualiserar lagersaldot för alla årets timmar. För att få fram kostnaden för varje kilogram producerad vätgas användes nuvärdesberäkningen Levelised Cost of Energy (LCOE), vilket även underlättade jämförelsen av de tre fallen. Vilka effekter i form av växthusgasutsläpp de olika anläggningarna medför utvärderades också genom beräkningssättet konsekvensanalys. Där jämfördes effekten i form av nettoutsläpp i koldioxidekvivalenter för integrering av respektive anläggning. Resultaten visar på att det finns kommersiella tekniker som kan integreras med det befintliga energisystemet på ett resurseffektivt sätt, däremot är de ekonomiska förutsättningarna inte lika bra och P2P-lösningarna är idag långt ifrån lönsamma. Anledningen tros vara en kombination av otillräckliga elprisfluktuationer samt låg total systemverkningsgrad (som högst 14%) för samtliga konstruerade fall. De årliga intäkterna från elförsäljningen motsvarar cirka 1 procent av de årliga kostnaderna för anläggningen, och LCOE landade på cirka 1500 kronor. Resultaten från investeringskalkyleringen visar på att en högre utnyttjandegrad leder till en lägre LCOE. Lagersimuleringen visar på att säsongslagring krävs för denna typ av anläggning då fluktuationerna inte är tillräcklig stora på en daglig, veckovis eller månatlig basis. Känslighetsanalys på LCOE och driftoptimeringen visar inte heller på lönsamhetsmöjligheter i P2P-fallen även vid gynnsamma justeringar på parametrarna investeringskostnad, elpris och verkningsgrad. Ur ett klimatperspektiv visar samtliga fall, med ett undantag, på en minskade växthusgasutsläpp i regionen.  Slutsatsen som dras av resultaten från fallstudien är att, trots goda tekniska förutsättningar och positiv inverkan på lokala växthusgasutsläpp, kan en P2P-applikation med vätgaslagring inte göras lönsam i en svensk kontext inom en nära framtid. Däremot visar ett Power-to-Gas-fall potential för lönsamhet, då dess investeringskostnad är mindre samt att systemverkningsgraden är högre. / More and more intermittent electric power is being built in Sweden today to increase the share of renewable electricity in the energy system. This leads to more uneven electricity generation, which creates problems in terms of more volatile and unpredictable electricity prices. One way to dampen the effect of the increasing intermittent power is to use renewable hydrogen production as load shedding. In this way, the hydrogen gas can potentially become an important part of the fossil-free energy mix. Using hydrogen as energy storage in a Power-to-Power application (P2P) also enables the use of price arbitrage in the electricity market. An increased climate focus has rekindled interest in how hydrogen production can be made profitable. Some signs that investments are taking place are that several countries are investing big money on hydrogen technologies and infrastructure, and collaborations across national borders have been established. This study aims to investigate the techno-economic prerequisites for renewable hydrogen production where the profitability of arbitrage on the Elspot market is explored. This comprises a thorough investigation of commercial technologies suited for Linköping’s energy system. Three cases where constructed with different component constellations. Then the operational strategy was optimised which generated a lower and upper price limit for production and conversion of hydrogen with input price data from Elspot. The optimisation tool in Excel was used in order to obtain these price limits. Visual Basic (VBA) was then used for storage simulation in order to get a perception of the storage development through all the hours of the year. The cost of every kilogram of hydrogen produced was then calculated through Levelized Cost of Energy (LCOE), which made the comparison of the three cases easier. The resulting greenhouse gas emissions when integrating the facilities in each case were also evaluated with a so-called impact analysis. The effect was compared in net emissions in carbon dioxide equivalents for an integration of each facility.     The results show that there are commercial technologies that can be integrated with the existing energy system in a resource efficient manner, whereas the economic prerequisites are not as good, where today’s Power-to-Power (P2P) solutions are not profitable. The reason seems to be the combination of insufficient spot price fluctuations and a low system efficiency (14% at best) for each case. The annual revenues correspond to 1 percent of the annual costs and that LCOE lands at about 1500 SEK. A higher utilization percentage of the plant shows a lower LCOE in the investment calculation. The storage simulation indicates that a seasonal storage is needed for this type of facility because of that the spot price fluctuations are not big enough on a daily, weekly or monthly basis. The sensitivity analysis made on the investment calculation and operational strategy also shows that there is no profitability in the P2P cases where parameters regarding investment cost, efficiency and electricity price were set optimistically. The Power-to-Gas case on the other hand shows potential for profitability, all because of lower total investment costs and higher efficiency. All cases except the case with steam methane reforming shows reductions in greenhouse gas emissions when integrated in the regional energy system.   The conclusion that can be drawn from the results in the case study is that, in spite of good technological prerequisites and a positive effect on local greenhouse gas emissions, a P2P-application with hydrogen storage cannot be made profitable in a Swedish context in the near future. However, a Power-to-Gas case shows potential for profitability because of its lesser investment cost and that the system efficiency is higher.

The interest in hydrogen as an energy carrier is growing. The whole world is investing in development of the technology surrounding hydrogen. In general the research regarding hydrogen focuses on hydrogen as an energy carrier, either for transportation as fuel or for storage and usage at a more profitable time or in times of need. In Sweden most of the current research focus on the transportation sector. This thesis explores the other part, stored hydrogen used at a more profitable time. A biogas-plant outside Uppsala city is used as a case exploring if the investment in hydrogen production and storage in combination with a battery storage is economically feasible. A model of a battery, an electrolyser and a hydrogen storage were created in Simulink where the output is the power flow: optimised towards the highest economic profit. Then, an economic analysis is made to explore the feasibility of the investment. The results show that the investment is not feasible in 2021. If the investment cost of the hydrogen system is reduced by 60%, the maintenance costs are reduced by 20% and the profit is increased by 50% the investment becomes feasible with a payback period of 15,2 years. These changes are reasonable in the coming 10 to 20 years with hydrogen technology developing and an increasingly unstable electric grid allowing for higher compensation for frequency regulating services. / Intresset för vätgas som energibärare växer. Hela världen investerar i forskningen kring vätgas. Oftast inriktar forskningen sig på vätgas som en energibärare med två tydliga huvudfokus: som bränsle för transporter eller för lagring och att använda energin vid ett bättre tillfälle. I Sverige fokuserar den mesta forskningen på transportsektorn. Denna rapport bearbetar den andra delen, att använda vätgas för lagring och utnyttja den vid ett mer lönsamt tillfälle eller vid behovssitutioner, till exempel då elnätet blir instabilt. En biogasanläggning utanför Uppsala används som ett fall för att undersöka om investeringen i vätgasproduktion och lagring i kombination med ett batterilager är ekonomisk lönsamt. En modell av ett batteri, en elektrolysör och ett vätgaslager skapades i Simulink där utparametern är effektflödet optimerad mot ekonomisk lönsamhet. Sen undersöktes systemet ekonomiskt utifrån effektflödet för att undersöka om investeringen var lönsam. Resultatet visade att så inte var fallet: det krävs en sänkt investeringskostnad för vätgassystemet med 60%, de årliga kostnaderna behöver sjunka med 20% och den årliga vinsten behöver öka med 50% för att investeringen ska bli lönsam med en återbetalningstid på 15,2 år. Dessa förändringar kan dock ske inom de kommande 10 till 20 åren då vätgasteknologin fortsätter utvecklas samtidigt som ett allt mer instabilt elnät bidrar till möjligheten för ökad ersättning för frekvensregleringstjänster.

Vätgas producerad från förnybar el har en stor potential att minska utsläppen från flera olika branscher. Detta genom att införa nya innovativa ändamål och även genom storskalig ersättning av vätgas som idagproduceras med fossila bränslen. Men för en storskalig förändring behöver kostnaden för förnybar vätgasproduktionsjunka. Förutom den generella teknikutveckling och storskalighetsfördelar finns det effektivasätt att bättre nyttja existerade teknik för att sänka kostnaden för vätgas mot slutkund. Exempel på detär försäljning av spillvärme från systemet till lokala fjärrvärmesystem samt nyttjandet av vätgassystemetför att agera på balansmarknader. Denna studie undersökte hur ett vätgassystem innehållandes elektrolysörer, lager, kompressor och gasturbinerkan utformaras och driftas för att på ett effektivt sätt agera på marknader för el och vätgas. Det gjordes genom att studera hur en anläggning kopplat till vindkraftsproduktion genom ett Power purchaseagreement (PPA) kan utformas och driftas för att tillgodose ett industriellt vätgasbehov. Stort fokus ladespå hur ett sådant system kunde nyttjas för att agera på balansmarknader genom att sälja stödtjänsteroch hur erbjudandet av stödtjänster påverkade resten av vätgassystemet. Fallstudien som genomfördes utgick från ett potentiellt vätgassystem i Helsingborg med två stora industriellakunder som ville skifta från nyttjandet av vätgas producerad genom ångreforming till vätgasproducerad genom elektrolys med förnybar el. Då mycket fokus i studien var på balansmarknader ochflexibilitet ansågs PEM-elektrolsyören var den bäst lämpade. Vidare valdes komprimerad vätgaslagringoch ett antal alternativ för vätgasturbiner. Då produktionen var kopplad till en intermittent energikällagjordes bedömningen att systemet skulle vara assisterat med möjligheten att handla el på dagenföre- ochintradagsmarknaden. Om all eltillförsel skulle ske från vindkraften hade lagret behövt vara orimligt stortför att säkerställa förmågan att klara leveranskrav under perioder med låg elproduktion. För att analyseradet valda systemet modellerades ett vätgassystem i Energy Optima 3, en programvara som nyttjar linjärprogrammering för totaloptimering av energisystem. För att undersöka hur dem olika komponenternaskulle dimensioneras gjordes ett antal helårsoptimeringar med tidsupplösning om en timme för att se hursystemet presterade med olika kombinationer av storlek på elektrolysör, lager samt typ av gasturbin. Vid värdering av vilken konfiguration som var mest lämpad användes den utjämnade vätgaskostnaden.Den konfiguration som bedömdes vara mest lämpad för det studerade fallet var en PEM-elektrolysör på 55MW, ett komprimerat lager som motsvarade 12 timmars behov från kunderna och en gasturbin på 24 MW.Den konfigurationen kunde under den studerade tidsperioden producera vätgas till en utjämnad kostnadpå 4,7 EUR/kg. Allmänt kan sägas att studien visade att agerande på balansmarknaden gav stor intäkterför systemet och hade en betydande påverkan på systemets lönsamhet. Försäljning av spillvärme hade idet studerade fallet inte en lika kritiskt påverkan på systemet då intäkter var betydligt lägre. En viktigtinsikt från studien var att värdet av att agera på dem olika marknaderna ofta ställdes mot varandradå deltagande på balansmarknaden ibland innebar att elektrolysören inte kunde nyttja all kapacitet.Samtidigt innebar uppbunden kapacitet på balansmarknaden att flexibiliteten i systemet inte kundenyttjas för att agera på intradagsmarkanden och/eller hantering av prognosfel från vindkraftsproduktion. Studien visade allmänt att utformning och prissättning av PPA har en avgörande roll i ett vätgassystemsgångbarhet. I studien användes ett pay-as-produced-avtal, vilket resulterade i att elektrolysören vid vissatillfällen hade underskott på el (och el från intradagsmarknaden behövde köpas in för att kompensera)och vid vissa tillfällen var det överskott på el (och el behövde säljas vidare på dagenföre- eller intradagsmarknaden.)Vidare bedömdes försäljning av vätgas med långsiktiga kontrakt vara det mest lämpadealternativet då det säkrar intäkter för vätgas producenter och tillgången på vätgas till för industrierna. / Hydrogen produced from renewable electricity has significant potential to reduce emissions in variousindustries, both through new innovative applications and as a large-scale replacement for hydrogen currentlyproduced using fossil fuels as a feed stock. However, in order for large scale adaptation of renewablehydrogen the costs associated with it must decrease. In addition to technological advancements and economiesof scale, there are effective ways to better utilize existing technology to lower the cost of hydrogenfor end user. Examples include selling excess heat from the system to local district heating networks ifthe location of the electrolyzer allows for it, as well as utilizing the hydrogen system to participate inbalancing markets. This study investigated how hydrogen systems containing electrolyzers, storage, compressors, and gasturbines can be designed and operated to effectively participate in electricity and hydrogen markets. Itwas done by studying how a facility connected to wind power production through a Power PurchaseAgreement (PPA) can be designed and operated to meet an industrial hydrogen demand. A major focuswas placed on how such a system could be utilized to participate in balancing markets by providingancillary services and how offering these services affected the rest of the hydrogen system. The case study was focused on a potential hydrogen system in Helsingborg with two large industrialcustomers interested in transitioning from steam reforming hydrogen production to electrolysis using renewableelectricity. As the study heavily emphasized balancing markets and flexibility, a PEM electrolyzerwas chosen over other technologies. Additionally, compressed hydrogen storage and several options forhydrogen gas turbines were selected. Since the production was linked to an intermittent energy source,it was assessed that the system would need to be supported by trading electricity on the day-ahead andintraday markets. If all electricity supply were to come from wind power, the hydrogen storage wouldhave to be unreasonably large to ensure the ability to meet delivery requirements during periods of lowelectricity production. To analyze the selected system, a hydrogen system was modeled using EnergyOptima 3, a software that utilizes linear programming for total optimization of energy systems. Severalyear-long optimizations with 1-hour resolution were performed to examine how the system performedwith different combinations of electrolyzer and storage sizes, as well as types of gas turbines. When evaluating which configuration was most suitable, the levelized cost of hydrogen (LCOH) was used.The configuration deemed most suitable for the studied case consisted of a 55 MW PEM electrolyzer,compressed storage equivalent to 12 hours of customer demand, and a 24 MW gas turbine. This configurationcould produce hydrogen at a levelized cost of 4.7 EUR/kg during the studied period. Overall,the study demonstrated that participating in the balancing market generated significant revenue for thesystem and had a substantial impact on its profitability. The sale of waste heat had a less critical effecton the system in the studied case, as the revenues were considerably lower. An important insight fromthe study was that the value of participating in different markets was often weighed against each other,as participating in the balancing market some times meant that the electrolyzer could not utilize itsfull capacity, while having tied-up capacity in the balancing market limited the system’s flexibility toparticipate in the intraday market and/or manage forecast errors related to wind power production. The study generally showed that the design and pricing of Power Purchase Agreements (PPAs) plays acrucial role in the viability of a hydrogen system. In the study, a pay-as-produced design was used, whichresulted in both electricity deficits and surpluses at certain times. Furthermore, selling hydrogen throughlong-term contracts was deemed the most suitable option for large industrial producers, as it ensuresrevenue for hydrogen producers and a stable supply of hydrogen for the industries.

Fuel cell electric vehicles, powered by hydrogen are an enticing alternative to fossil-fuel vehicles in order to reduce greenhouse gas emissions and consequently accomplish the environmental targets set to tackle the environmental crisis. It is crucial to develop the appropriate infrastructure if the FCEVs are to be successfully accepted as an alternative to fossil-fuel vehicles. This study aims to carry out a techno-economic analysis of different hydrogen supply chain designs, that are coupled with the Swedish electricity system in order to study the inter-dependencies between them. The supply chain designs comprehend centralised production, decentralised production and a combination of both. The outputs of the hydrogen supply chain model include the hydrogen refuelling stations’ locations, the electrolyser’s locations and their respective sizes as well as the operational schedule. Both the hydrogen supply chain designs and the electricity system were parameterized with data for 2030. The supply chain design is modelled to minimize the overall cost while ensuring the hydrogen demands are met. The mixed-integer linear programming problems were modelled using Python and the optimisation software was Gurobi. The hydrogen models were run for two different scenarios, one that considers seasonal variations in hydrogen demand, and another that does not. The results show that for the scenario with seasonal variation the supply chain costs are higher than for the scenario without seasonal variation, regardless of the supply chain design. In addition, the hydrogen supply chain design with the minimal cost is based on decentralised hydrogen production. / Bränslecellsdrivna elbilar, som drivs av vätgas, är ett lockande alternativ till fossildrivna fordon för att minska växthusgasutsläppen och därigenom uppnå de miljömål som satts för att tackla miljökrisen. Det är avgörande att utveckla lämplig infrastruktur om FCEV:er ska accepteras som ett alternativ till fossildrivna fordon. Denna studie syftar till att utföra en teknisk-ekonomisk analys av olika vätgas supply kedjedesign som är kopplade till det svenska elsystemet för att studera beroendeförhållandena mellan dem. Försörjningskedjans design omfattar centraliserad produktion, decentraliserad produktion och en kombination av båda. Resultaten från vätgas supply kedja modellen inkluderar vätgasmackarnas placeringar, elektrolysörernas placeringar och deras respektive storlekar samt den operationella schemat. Både vätgas supplykedjedesi och elsystemet parameteriserades med data för 2030. Supplykedjedesignen modellerades för att minimera de totala kostnaderna samtidigt som vätgasbehoven uppfylls. Mixed-integer lineära programmeringsproblem modellerades med hjälp av Python och optimeringsprogramvaran Gurobi. Vätgasmodellerna kördes för två olika scenarier, ett som tar hänsyn till säsongsvariationer i vätgasbehovet och ett annat som inte gör det. Resultaten visar att för scenariet med säsongsvariation är supply kedja kostnaderna högre än för scenariot utan säsongsvariation, oavsett supplykedjedesignen. Dessutom är vätgas supply kedjedesignen med minimal kostnad baserad på decentraliserad vätgasproduktion.

Factors that could enable the development of a distribution system for hydrogen applied to heavy-duty vehicles in Sweden are studied in this thesis. Fuel cell and hydrogen technology could be a solution in an electrification mix to reduce the environmental impacts of heavy-duty vehicles (Neef, 2009). However, the distribution system for hydrogen in Sweden is limited, with only five hydrogen refueling stations geographically dispersed (Vätgas Sverige, n.d.). In addition, distribution options at the lowest-cost delivery mode are highly dependent on the hydrogen application, density of demand, quantity to be transported, and distance between the delivery point and the production (Bersani, et al., 2018) To determine what factors could be decisive to develop a distribution system, the technological innovation system framework has been applied in this study. The analysis is carried out with the framework’s system functions. Further, the analysis is based on literature on hydrogen that considers hindering factors and barriers, policy recommendations, lock-in effects, distribution and transportation, and centralized vs. de-centralized systems. Moreover, data has been collected through 11 semi-structured interviews with actors from different sectors, energy companies, truck manufacturers, and researchers, amongst others. The analysis concludes that cross-sectoral collaboration, pilot testing, and governmental support can be enabling factors for the development of a distribution system in Sweden. / Faktorer som kan möjliggöra utvecklingen av ett distributionssystem för vätgas applicerat för tunga fordon i Sverige studeras i den här studien. Tekniken för bränsleceller och vätgas kan vara en lösning i en elektrifieringsmix för att minska miljöpåverkan från tunga fordon (Neef,2009). Distributionssystemet för vätgas i Sverige är dock begränsat, med endast fem vätgastankstationer som är geografiskt spridda (Vätgas Sverige, n.d.). Dessutom är distributionsalternativen till lägst kostnad i hög grad beroende av väteapplikationen, efterfrågan, kvantitet som ska transporteras och avståndet mellan leveranspunkten och produktionen (Bersani, et al., 2018). För att avgöra vilka faktorer som kan vara avgörande för att utveckla ett distributionssystem har ramverket för teknisk innovation system tillämpats i den här studien. Analysen utförs med ramverkets systemfunktioner. Vidare baseras analysen på litteratur om väte som tar hänsyn till hindrande faktorer och barriärer, policyrekommendationer, lock-in-effekter, distribution och transport och centraliserade kontra decentraliserade system. Dessutom har data samlats ingenom 11 halvstrukturerade intervjuer med aktörer från olika sektorer, energibolag, lastbilstillverkare och forskare, bland annat. Utifrån analysen dras slutsatsen att sektorsövergripande samarbete, pilottestning och statligt stöd är faktorer som kan möjliggöra en utveckling av ett distributionssystem för vätgas i Sverige.

Norway has already an almost emission-free power production and its sales of zero-emission light-duty vehicles surpassed 30% in 2018; a natural next challenge is to identify ways to reduce emissions of heavyduty vehicles. In this work the possibilities to deploy Fuel Cell Electric Trucks (FCET) on the route Oslo-Trondheim are analyzed by doing a techno-economic analysis. The literature study identified that in average 932 kton goods where transported between the cities. The preferred road choice goes through Østerdalen and that an average load for a long-distance truck is 16 tons. The methodology used in the study is based on cost curves for both truck and infrastructure, and a case study with various scenarios is evaluated to find a profitable business case for both an FCET fleet and its infrastructure. The cost curves for trucks are based on total cost of ownership (TCO) as a function of hydrogen price, while the levelized cost of hydrogen (LCOH) is used to present the cost of infrastructure. An analysis was made to identify the trucks component sizes and a FCET for this route would require an onboard hydrogen storage of 46 kg, a fuel cell stack with a nominal power of 200 kW, a battery of 100 kWh (min SOC 22%), and an electric motor with a rated power of 402 kW. TCO was calculated both for an FCET based on the dimensioned components and a biodiesel truck. The results show that an FCET purchased in 2020 can be competitive with biodiesel with a hydrogen price of 38.6 NOK/kgH2. While the hydrogen price can increase to 71.8 NOK/ kgH2 if the FCET is purchased in 2030. To identify the most suitable infrastructure, four different designs of hydrogen refueling stations (HRS) were compared. Furthermore, hydrogen production units (HPUs) with both alkaline or PEM type water electrolyzer were compared. The analysis in this study showed that the most cost competitive option was a 350-bar HRS without cooling, which only can serve type III onboard storage tanks. A HPU with alkaline electrolyzer was the most price competitive alternative. In case each HRS is refueling more than 7 FCETs per day, an HPU in direct connection to HRS is the preferred infrastructure setup. Three HRS are required along the route to ensure a minimum service level for the FCETs. When the TCO of the fuel cell truck and LCOH of the hydrogen infrastructure were compared for a 2020 scenario, no feasible solution was identified. The cost of installing three HRS in 2020, serving a fleet of 14-24 trucks, would cost 16.0 – 17.6 million NOK/year more than a fleet based on biodiesel trucks. In a future scenario, where both the FCET and infrastructure costs decrease due to expected learning curves, a business case can be found if at least 5 FCETs were refueling at each HRS on daily basis, which corresponds to a total fleet of approx. 24 FCETs. Finally, a set of clear recommendations on how to improve the techno-economic analysis in future studies are provided. Both by identifying areas lacking sufficient documentation and by providing steps how the tecno-economic model could be enhanced. / Norge har redan en nästintill utsläppsfri elproduktion och nollutsläppsbilar stod för mer än 30% av nybilsförsäljningen under år 2018. En naturlig nästa utmaning är att finna sätt att minska utsläpp från lastbilar. I detta examensarbete analyseras möjligheterna att introducera bränslecellslastbilar (FCET) efter dess engelska förkortning) på sträckan Oslo - Trondheim genom att göra en teknisk-ekonomisk bedömning. Litteraturstudien visade att i genomsnitt 932 kton gods fraktas mellan städerna, att vägen genom Østerdalen är att föredra och att genomsnittlig last för en långtradare är 16 ton. Arbetets metod bygger på att identifiera kostnadskurvor för både lastbilar och infrastruktur. Dessa kurvor kombineras i olika scenarier för att finna omständigheter där både en FCET-flotta och dess infrastruktur är lönsamma. Kostnadskurvorna för lastbilar baseras på den totala ägandekostnaden (TCO) efter dess engelska förkortning) som en funktion av vätgaspriset, medan den utjämnade kostnaden för vätgas (LCOH) efter dess engelska förkortning) används för att presentera kostnaden för infrastruktur. En analys gjordes för att finna passande storlek på FCET drivlina. För den specifika sträckan krävs en hydrogentank på 46 kg, en bränslecellstack med nominell effekt på 200 kW, ett batteri på 100 kWh (min SOC 22%) och en elmotor med nominell effekt på 402 kW. TCO beräknades både för en FCET baserat på de dimensionerade komponenterna och en lastbil som går på biodiesel. En FCET som köps 2020 blir konkurrenskraftig om vätgaspriset är 38,6 NOK/kgH2, medan vätgaspriset kan öka till 71,8 NOK/kgH2 om FCET köps 2030. Skillnaden är baserad på en framtida prisnedgång för FCET. För att finna den mest lämpliga lösningen på infrastruktur; analyserades fyra olika utformningar av vätgaspåfyllningsstationer (HRS). I tillägg jämfördes vätgasproduktionsenheter (HPU) baserat på antingen alkalisk eller PEM-typ av elektrolysator. Resultaten visade at en 350 bar HRS utan kylning, som endast kan fylla typ III lagringstankar, som det billigaste alternativet. Den alkaliska elektrolysatorn kunde producera vätgas för något lägre kostnad. Det billigaste alternativet för infrastruktur av de olika framtagna scenarios var att placera HPU bredvid HRS om minst 7 FCET tankar dagligen på varje station. Minst 3 HRS krävs längs rutten för att tillhandahålla en minsta servicenivå för FCET. När TCO för bränslecellslastbil och LCOH för infrastruktur jämfördes för ett 2020-scenario så fanns det ingen lönsam lösning. Kostnaden för att installera 3 HRS år 2020 som betjänar en lastbilflotta mellan 14-24 lastbilar skulle kosta 16,0 - 17,6 miljoner NOK/år mer än en lastbilsflotta som går på biodiesel. I ett framtida scenario där både FCET- och infrastrukturkostnaderna minskar på grund av större produktionsvolymer så kan vätgassatsning bli lönsam om minst 5 FCET tankar dagligen på varje HRS. Det motsvarar en lastbilsflotta på omkring 24 lastbilar för hela rutten. Till slut finns en rad klara rekommendationer om hur den tekno-ekonomiska analysen kan förbättras. Det upptäcktes både områden med otillräcklig dokumentation och summerades hur den teknoekonomiska modellen kan förbättras.

The transition to renewable energy sources is vital to mitigate global warming and achieve the climate targets set by the EU. The availability of natural gas in Europe is challenged due to the Russian invasion of Ukraine, leading to a shift towards fossil-free alternatives. In collaboration with Siemens Energy, this thesis investigates the availability of green fuels for gas turbines in Europe, specifically in Germany, Poland, and the UK. The methodology includes analysing literature, internal and official documents, and conducting a customer survey.  The fuel availability outlook indicates an upcoming expansion of hydrogen infrastructure, with Germany and the UK expected to have operational hydrogen infrastructure within the next 5-10 years. While green ammonia and e-methanol may have limited roles in the energy transition, ammonia's capacity to transport hydrogen makes it a potential energy carrier, and the existing distribution network could facilitate the early adoption of large-scale ammonia transportation. Biofuel availability varies across regions, feedstocks, and production methods, with biogas, biomethane and HVO showing significant potential. Natural gas remains the most cost-effective fuel until 2040, with blue hydrogen and ammonia, along with carbon capture, utilisation, and storage (CCUS), identified as the best alternative green fuels. After 2035, green hydrogen will emerge as the most cost-effective green option. The customer survey highlights the preference for hydrogen and ammonia, driven by governmental requirements and environmental responsibility. This study emphasises the promising transition fuels and the need to explore CCUS technologies' impact on fossil-based fuel prices.