Assessment of offshore wind transmission technologies for green hydrogen production : Case study in Gävleborg County, Sweden

Abstract

The usage of green hydrogen is expected to reduce the annual greenhouse gas emissions by 2% that are currently generated by the consumption of fossil-based hydrogen, while also hard-to-abate industries that are difficult to shift to low-carbon alternatives in the future. Gävleborg county, a crucial part of Sweden's industrial value chain, aims to decrease its carbon footprint in hydrogen-based industries by producing competitive green hydrogen by deploying offshore wind energy along the Gävleborg coast. To enhance the industrial competitiveness of Gävleborg by making the most of the wind resources in the area, it is important to select suitable energy transmission technologies. Therefore, this study aims to evaluate the potential of different offshore wind-to-shore technologies and assess the feasibility of hydrogen production for dedicated future offshore wind plants in the region. This case study examined the annual average power and energy recovery from wind resources in two different locations along the Gävleborg coast. More than 100 000 wind data values collected over 14 years from the New European Wind Atlas database were analyzed using the continuous Weibull function. Moreover, to evaluate the energy losses in the transmission to shore it was used the π-equivalent schema for either high voltage alternating current (HVAC) or high voltage direct current (HVDC), considering different voltage levels or the usage of reactive compensation. Finally, the power and energy input requirements of the largest operational PEM electrolyzer for hydrogen production were assessed. Three different offshore wind farm designs have been proposed for analysis, varying the installed power capacity and distance from the shore in accordance with the current offshore wind farm pro-spects in the region. On the one hand, designs with lower power capacity and closer to the shore are more likely to use HVAC technology with low voltage levels and little significance on reactive compensation. On the other hand, larger offshore wind designs will potentially use either HVAC technology with higher voltage levels and reactive compensation, or HVDC technology. After analysis, it can be concluded that the deployment of any of the suggested offshore wind designs will have a significant impact on the region´s energy mix, covering most of the current Swedish hydrogen demand when considering dedicated offshore wind-to-hydrogen plants. Nevertheless, most of these plans are currently in the initial stages of conception and planning and are awaiting political initia-tives and technological advancements to reach a level of economic competitiveness. This study also shows that Gävleborg county has a significant opportunity to become a prominent hydrogen producer in the next few decades; not only reducing the national carbon footprint, but also providing a significant business opportunity for the region. Furthermore, the selection of the best-suited offshore wind-to-shore technology will have a great impact in the investment and efficiency of the project, thus highlighting the most cost-effective and competitive offshore wind farms in the region.Användningen av grön vätgas förväntas minska de årliga utsläppen av växthusgaser med 2 % för närvarande genererade av förbrukningen av fossilbaserad vätgas, samt från industrier som har svårt att övergå till alternativ med låga koldioxidutsläpp i framtiden. Gävleborgs län, som är en viktig del av Sveriges industriella värdekedja, har som mål att minska sitt koldioxidavtryck inom vätgasbaserade industrier genom att producera konkurrenskraftig grön vätgas med hjälp av havsbaserad vindkraft längs Gävleborgs kust. För att öka Gävleborgs industriella konkurrenskraft genom att utnyttja vindresurserna i området på bästa sätt är det viktigt att välja lämplig teknik för energiöverföring. Den här studien syftar därför till att utvärdera potentialen hos olika tekniker för överföring av havsbaserad vindkraft till land och bedöma genomförbarheten av vätgasproduktion för dedikerade framtida havsbaserade vindkraftverk i regionen. I denna fallstudie undersöktes den årliga genomsnittliga effekten och energitillförseln från vindresurser på två olika platser längs Gävleborgs kust. Mer än 100 000 vinddatavärden som samlats in under 14 år från databasen New European Wind Atlas analyserades med hjälp av den kontinuerliga Weibull-funktionen. För att utvärdera energiförlusterna i överföringen till land användes dessutom π-ekvivalentschemat för antingen högspänd växelström (HVAC) eller högspänd likström (HVDC), med beaktande av olika spänningsnivåer eller användning av reaktiv kompensation. Slutligen bedömdes effekt- och energibehovet för den största operativa PEM-elektrolysören för vätgasproduktion. Tre olika layouter för havsbaserade vindkraftparker har föreslagits för analys, där den installerade effektkapaciteten och avståndet från kusten varierade i enlighet med de aktuella utsikterna för havsbaserade vindkraftparker i regionen. Å ena sidan är det troligare att layouter med lägre effektkapacitet och närmare kusten använder HVAC-teknik med låga spänningsnivåer och liten betydelse för reaktiv kompensation. Å andra sidan kommer större havsbaserade vindkraftsanläggningar potentiellt att använda antingen HVAC-teknik med högre spänningsnivåer och reaktiv kompensation eller HVDC-teknik. Efter analysen kan man dra slutsatsen att utbyggnaden av någon av de föreslagna havsbaserade vindkraftsutformningarna kommer att ha en betydande inverkan på regionens energimix och täcka större delen av Sveriges nuvarande vätgasbehov om man beaktar dedikerade havsbaserade vindkraftverk för vätgas produktion. De flesta av dessa planer befinner sig dock för närvarande i ett inledande skede av utformning och planering och väntar på politiska initiativ och tekniska framsteg för att nå en nivå av ekonomisk konkurrenskraft. Denna studie visar också att Gävleborgs län har en betydande möjlighet att bli en framstående vätgasproducent under de närmaste decennierna, vilket inte bara minskar det nationella koldioxidavtrycket utan också ger regionen en betydande affärsmöjlighet. Vidare kommer valet av den bäst lämpade tekniken för överföring av havsbaserad vindkraft till land att ha stor betydelse för investeringar och effektivitet i projektet, och därmed bidra till de mest kostnadseffektiva och konkurrenskraftiga havsbaserade vindkraftparkerna i regionen