Optimization of hydrogen production planning through electrolysis

The research at hand has been conducted to analyze the optimization of Hydrogen onsite production through electrolysis for a Hydrogen refueling station (HRS), which has a specific hourly Hydrogen demand that needs to be met. This HRS utilizes a specific configuration (including an electrolyzer, a compressor, a storage system, and a distribution network). The objective of the thesis is to determine an optimal configuration in terms of electrolyzer and storage installed capacities and hourly setpoints, and to further investigate the price and the CO_2 content of each kilogram of Hydrogen in each of the five case studies. We proposed a mixed integer programming for the treated optimization problems, which we solve with CPLEX. Several models have been developed. These models use either the Cost Minimization (energy/electricity costs and CAPEX and OPEX costs) approach or the CO_2 Minimization Approach. The used data as inputs for these models are real time data of hourly electricity prices, hourly renewable energy sources (RES) production profile, and hourly CO_2 content of 1 MWh (grid related emissions) for France and Germany in 2019. The results have shown that allocating Frequency Containment Reserve (FCR) does not affect the price of Hydrogen. Furthermore, the Carbon Dioxide content of each Kg of Hydrogen will not be affected considerably and as a result, due to the risk of aging that it will bring for the configuration, integration of FCR does not make any sense. Also, technological advancements analysis regarding electrolyzers and its following reductions in CAPEX in the next upcoming years were evaluated. The investigation showed that these matters are not going to make massive changes in configuration in terms of electrolyzer and storage capacity used, while the reductions in the price of Hydrogen in the market is considered to be noteworthy. Moreover, integrating RES as one of the sources to provide electricity for the system in addition to the electricity coming from the grid and making it a priority source for the electrolyzer was the last examined topic. Results showed that RES integration will exceptionally change the CO_2 content of each kilogram of Hydrogen by reducing the consumption of fossil fuels for electricity production. However, the price of each Kg of Hydrogen will be affected in a reverse manner due to the high prices of each MWh of electricity coming from RES. Thus, reductions in RES price can heavily contribute to making the RES Hydrogen competitive in the market since it makes of a huge part of the RES Hydrogen price.

La ricerca in corso è stata condotta per analizzare l'ottimizzazione della produzione di idrogeno in loco attraverso l'elettrolisi per una stazione di rifornimento di idrogeno (HRS), che ha una specifica domanda oraria di idrogeno che deve essere soddisfatta. Questo HRS utilizza una configurazione specifica (comprendente un elettrolizzatore, un compressore, un sistema di accumulo e una rete di distribuzione). L'obiettivo della tesi è quello di determinare una configurazione ottimale in termini di capacità installate di elettrolizzatori e accumulo e di setpoint orari, e di approfondire ulteriormente il prezzo e il contenuto di CO_2 di ogni chilogrammo di idrogeno in ciascuno dei cinque casi studio. Abbiamo proposto una programmazione mista intera per i problemi di ottimizzazione trattati, che risolviamo con CPLEX. Sono stati sviluppati diversi modelli. Questi modelli utilizzano l'approccio di minimizzazione dei costi (costi di energia/elettricità e costi CAPEX e OPEX) o l'approccio di minimizzazione di CO_2. I dati utilizzati come input per questi modelli sono dati in tempo reale dei prezzi orari dell'elettricità, del profilo di produzione oraria delle fonti di energia rinnovabile (RES) e del contenuto orario di CO_2 di 1 MWh (emissioni relative alla rete) per Francia e Germania nel 2019.orario di CO_2 di 1 MWh (emissioni relative alla rete) per Francia e Germania nel 2019. I risultati hanno dimostrato che l'allocazione della riserva di contenimento della frequenza (FCR) non influisce sul prezzo dell'idrogeno. Inoltre, il contenuto di Anidride Carbonica di ogni Kg di Idrogeno non ne risentirà notevolmente e di conseguenza, a causa del rischio di invecchiamento che comporterà per la configurazione, l'integrazione di FCR non ha alcun senso. Inoltre, è stata valutata l'analisi dei progressi tecnologici riguardanti gli elettrolizzatori e le sue successive riduzioni di CAPEX nei prossimi anni a venire. L'indagine ha mostrato che questi aspetti non apporteranno enormi cambiamenti nella configurazione in termini di elettrolizzatore e capacità di stoccaggio utilizzata, mentre le riduzioni del prezzo dell'idrogeno sul mercato sono considerate degne di nota. Inoltre, l'ultimo argomento esaminato è stato l'integrazione delle RES come una delle fonti per fornire elettricità al sistema in aggiunta all'elettricità proveniente dalla rete e renderla una fonte prioritaria per l'elettrolizzatore. I risultati hanno mostrato che l'integrazione delle RES modificherà eccezionalmente il contenuto di CO_2 di ogni chilogrammo di idrogeno riducendo il consumo di combustibili fossili per la produzione di elettricità. Tuttavia, il prezzo di ogni Kg di Idrogeno sarà influenzato in maniera inversa a causa dei prezzi elevati di ogni MWh di energia elettrica proveniente da RES. Pertanto, le riduzioni del prezzo delle RES possono contribuire pesantemente a rendere l'idrogeno da RES competitivo sul mercato poiché costituisce una parte enorme del prezzo dell'idrogeno da RES.