Analyzing the levelized cost of hydrogen in refueling stations with on-site hydrogen production via water electrolysis
| datacite.contributor.RelatedPerson | Δημαρόγκωνα, Μαρία | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Κορνάρος, Μιχάλης | |
| datacite.contributor.Supervisor | Κούκος, Ιωάννης | |
| dc.contributor.author | Στούπα, Μαρία | |
| dc.contributor.other | Stoupa, Maria | |
| dc.date.accessioned | 2024-03-22T11:40:25Z | |
| dc.date.available | 2024-03-22T11:40:25Z | |
| dc.date.issued | 2024-03-21 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Conventional modes of transportation, that are long-established in the market, utilize fuels such as natural gas, gasoline and diesel, that are derived from crude oil, a nonrenewable resource. The overconsumption of fossil fuels has led to the depletion of their reserves, which, in conjunction with the negative effects to earth’s climate has made the transition to renewable alternatives resources urgent. That is why there is a shift towards renewable energy sources that are perpetual, and their utilization has a minimal environmental impact. In accordance with this approach, hydrogen seems to be an optimal option to deal with the problem of the climate crisis that has surfaced since years ago and has escalated in the recent years. Hydrogen, as a transportation fuel has been the subject of research from both academia and industry, and Fuel Cell Electric Vehicles (FCEVs) have matured and compete with other technologies for a place in the market in the years to come. The current diploma thesis is a techno-economic study of green hydrogen production via water electrolysis, which occurs in the Hydrogen Refueling Station (on-site HRS) and utilizes renewable electrical energy, retrieved from wind turbines. The research is looking into the modelling of the PEM electrolyzers and the optimal determination of model parameters (the exchange current density, the transfer coefficient and the correction of the ohmic resistance). For model validation purposes, experimental data were collected from the open literature. To this end, 19 case studies from the literature were examined, that are extensively analyzed in Chapter 4. The model adequacy is tested based on the ability of the proposed model to reproduce the experimentally derived polarization curve, which is a representation that illustrates the influence of current density on voltage. Important to this study are two more performance curves: the specific (per kg of H2 produced) electrical energy consumption of the PEM electrolyzer as a function of current density and the efficiency of the PEM electrolyzer versus the current density. The results have shown that the proposed model fits the experimental data accurately when its parameters are optimized. Furthermore, research has shown that that the required energy value to produce 1 kg of H2 is around to 50 kWh and according to the model’s result, the current density required for this quantity of energy is in the range of ~(0.5-2) A⁄cm^2 . The main purpose of Chapter 5 is to calculate the levelized cost of (energy and) hydrogen (LCOE & LCOH), which is a measure of estimating the cost to produce, electricity and subsequently, hydrogen from wind energy. A case study of a wind turbine, with rated power at 1000 kW, is examined. A model was built, that connects the electrical power and green hydrogen produced as a function of the average wind speed under the assumption that wind speed follows the Weibull distribution. The aim is to directly connect the wind potential with the LCOH and to give a guidance on deciding of what is a realistic LCOH when a realistic performance of the electrolyzer is assumed. LCOH is taking into consideration the purchasing and installations costs of wind turbine, electrolyzer, as well as their maintenance and operations costs for the project’s lifespan. The graphs that were extracted, has shown that the cost to produce 1 kg of hydrogen ranges between 10 $ and 3 $ for average windspeed values (3-7) m/s. This is in agreement with results from the open literature and shows that green hydrogen can be a competitive transportation fuel that can offer a sustainable solution to some of our socioeconomic problems in the near future. | |
| dc.description.translatedabstract | Τα κλασσικά μέσα μεταφοράς, τα οποία έχουν εδραιωθεί στην αγορά, χρησιμοποιούν καύσιμα όπως βενζίνη ή πετρέλαιο κίνησης, τα οποία προέρχονται από αργό πετρέλαιο, που είναι μη ανανεώσιμη πηγή. Η υπερκατανάλωση των ορυκτών καυσίμων έχει οδηγήσει στην εξάντληση των αποθεμάτων τους, γεγονός που σε συνδυασμό με τις αρνητικές επιπτώσεις στο κλίμα της γης, κατέστησε επείγουσα τη μετάβαση στις εναλλακτικές ανανεώσιμες πηγές. Για το λόγο αυτό, υπάρχει μία στροφή προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που είναι αέναες και η χρήση τους έχει ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Σχετικά με την προσέγγιση αυτή, το υδρογόνο φαίνεται να αποτελεί μία ιδανική επιλογή για να αντιμετωπίσει την κλιματική αλλαγή που εμφανίστηκες πριν χρόνια και έχει κλιμακωθεί τα πρόσφατα χρόνια. Το υδρογόνο, ως καύσιμο για τα οχήματα, αποτελεί θέμα έρευνας τόσο στον ακαδημαϊκό χώρο όσο και στο χώρο της βιομηχανίας, και τα Οχήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας με Κυψέλες Καυσίμου (FCEV) έχουν ωριμάσει και ανταγωνίζονται άλλες τεχνολογίες για μία θέση στην αγορά τα επόμενα χρόνια. Η παρούσα διπλωματική εργασία είναι μία τεχνοοικονομική μελέτη της παραγωγής υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης του νερού, διαδικασία που συμβαίνει στους Σταθμούς Εφοδιασμού Υδρογόνου (HRS) και χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια, που προέρχεται από ανεμογεννήτριες. Η έρευνα εμβαθύνει στη μοντελοποίηση των PEM ηλεκτρολυτικών κελιών και τη βελτιστοποίηση και καθορισμό των παραμέτρων του μοντέλου (την πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής, τη σταθερά μεταφοράς και τον συντελεστή διόρθωσης της ωμικής αντίστασης). Για να επικυρωθεί η ορθότητα των αποτελεσμάτων του μοντέλου, συλλέχθηκαν πειραματικά δεδομένα από την ανοιχτή βιβλιογραφία. Για το λόγο αυτό, 19 σετ πειραματικών δεδομένων εξετάστηκαν, τα οποία αναλύθηκαν εκτενέστερα στο Κεφάλαιο 4. Η επάρκεια του μοντέλου ελέγχεται με βάση την ικανότητα του προτεινόμενου μοντέλου να αναπαράγει την πειραματική καμπύλη πόλωσης, η οποία είναι μία αναπαράσταση που απεικονίζει την επιρροή της πυκνότητας ρεύματος στην τάση. Σημαντικές για την παρούσα μελέτη είναι ακόμα δύο καμπύλες απόδοσης: η ειδική (ανά kg του H2 που παράγεται) κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από τα PEM ηλεκτρολυτικά κελιά ως συνάρτηση της πυκνότητας ρεύματος και η απόδοση των PEM ηλεκτρολυτικών κελιών ως συνάρτηση της πυκνότητας ρεύματος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το προτεινόμενο μοντέλο προσαρμόζεται με ακρίβεια στα πειραματικά δεδομένα όταν βελτιστοποιούνται οι παράμετροί του. Επιπρόσθετα, η έρευνα έδειξε ότι το ποσό της ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή 1 kg του H2 είναι περίπου 50 kWh και σύμφωνα με τα αποτελέσματα του μοντέλου, η πυκνότητα ρεύματος που απαιτείται για αυτή την ποσότητα ενέργειας βρίσκεται στην περιοχή των ~(0.5-2) A⁄cm^2 . Ο κύριος σκοπός του Κεφαλαίου 5 είναι να υπολογιστεί το ισοσταθμισμένο κόστος (της ενέργειας και) του υδρογόνου (LCOE & LCOH), που είναι ένα μέτρο εκτίμησης του κόστους παραγωγής του ηλεκτρισμού και εν συνεχεία, του υδρογόνου από την αιολική ενέργεια. Μία περίπτωση ανεμογεννήτριας μελετήθηκε, με εκτιμώμενη ισχύ ίση με 1000 kW. Κατασκευάστηκε ένα μοντέλο, που συνδέει την ηλεκτρική ενέργεια και το παραγόμενο πράσινο υδρογόνο ως συνάρτηση της μέσης ταχύτητας του ανέμου, με την υπόθεση ότι η ταχύτητα του ανέμου ακολουθεί την κατανομή Weibull. Στόχος είναι η απευθείας σύνδεση του αιολικού δυναμικού με το LCOH και να δοθεί μία καθοδήγηση για την απόφαση σχετικά με το ποιο είναι ένα ρεαλιστικό LCOH, όταν γίνεται η υπόθεση της ρεαλιστικής λειτουργίας του ηλεκτρολυτικού κελιού. Το LCOH λαμβάνει υπόψιν τα κόστη αγοράς και εγκατάστασης της ανεμογεννήτριας, του ηλεκτρολυτικού κελιού, όπως και τα κόστη συντήρησης και λειτουργίας τους κατά τη διάρκεια ζωής του έργου. Τα γραφήματα που εξήχθησαν, έδειξαν ότι το κόστος για την παραγωγή 1 kg υδρογόνου κυμαίνεται μεταξύ 10 $ και 3 $ για τιμές μέσης ταχύτητας του ανέμου (3-7) m/s. Αυτό είναι σε συμφωνία με αποτελέσματα από την ανοιχτή βιβλιογραφία και δείχνει ότι το πράσινο υδρογόνο μπορεί να είναι ένα ανταγωνιστικό καύσιμο για τα μέσα μεταφοράς, που μπορεί να προσφέρει μία βιώσιμη λύση σε κάποια από τα κοινωνικοοικονομικά μας προβλήματα στο εγγύς μέλλον. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/26927 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.subject | Hydrogen refueling station | |
| dc.subject | Fuel cell electric vehicle | |
| dc.subject | Electrolysis | |
| dc.subject | Hydrogen | |
| dc.subject | Proton exchange membrane (PEM) electrolyzer | |
| dc.subject | Wind turbine | |
| dc.subject | Wind energy | |
| dc.subject | Levelized cost of hydrogen (LCOH) | |
| dc.subject | Levelized cost of energy (LCOE) | |
| dc.subject.alternative | Υδρογόνο | |
| dc.subject.alternative | Ανεμογεννήτρια | |
| dc.subject.alternative | Ηλεκτρικό αυτοκίνητο με κελί καυσίμου | |
| dc.subject.alternative | Ισοσταθμισμένο κόστος της ενέργειας | |
| dc.subject.alternative | Ηλεκτρόλυση | |
| dc.subject.alternative | Αιολική ενέργεια | |
| dc.subject.alternative | Σταθμός ανεφοδιασμού υδρογόνου | |
| dc.subject.alternative | Ισοσταθμισμένο κόστος του υδρογόνου | |
| dc.subject.alternative | Ηλεκτρολυτικό κελί με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων | |
| dc.title | Analyzing the levelized cost of hydrogen in refueling stations with on-site hydrogen production via water electrolysis | |
| dc.title.alternative | Ανάλυση του ισοσταθμισμένου κόστους του υδρογόνου σε σταθμούς ανεφοδιασμού με αποκεντρωμένη παραγωγή υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης νερού |