Large-scale hydrogen supply chain: a comprehensive evaluation

Abstract

The current climate change crisis requires extraordinary efforts to reduce the overall carbon dioxide emissions. One of the solutions to this problem is the transition of dependency from fossil fuels to renewable energy sources, such as solar, and wind. This shift to a more environmentally friendly alternative comes with many challenges. A key and suitable solution to store fluctuating renewable energy power must be established. Hydrogen is a promising energy carrier for storing and distributing renewable energy around the world. This thesis provides a comprehensive analysis of the large-scale hydrogen economy. It extensively evaluates the entire process of green liquid hydrogen, including gas and liquid hydrogen production, as well as the reconversion to hydrogen gas via the regasification of liquid hydrogen. The study includes energetic, exergetic, and economic analyses. For green hydrogen production, a PEM electrolyzer is considered, and an exergy efficiency of 60% is calculated, and the levelized cost of green hydrogen amounts to 8.8 US$/kgH2. For the liquefaction of hydrogen, the exergetic efficiency is determined to be 42%, and the levelized cost of liquid hydrogen corresponds to 1.7 US$/kgH2. For hydrogen regasification, the exergy efficiency is found to be 62%. A levelized cost for hydrogen regasification is calculated at 0.7 US$/kgH2. Additionally, the costs are determined based on different operating hours and electricity prices. For the values above, 7446 h/a and 110 US$/MWh were considered, respectively. Even though large-scale hydrogen regasification presents challenges due to the cryogenic temperature of liquid hydrogen (-252.8 °C), it also offers the potential to use the transferred exergy during the regasification process, which would otherwise be destroyed. Hydrogen is the smallest element in the periodic table, and it presents many challenges in its pure form due to its reactivity. Therefore, four pathways for hydrogen...

Alemán: Die Klimakrise erfordert außerordentliche Anstrengungen zur Verringerung der gesamten Kohlendioxidemissionen. Eine der Lösungen für dieses Problem ist die Umstellung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie. Diese Umstellung ist mit vielen Herausforderungen verbunden. Es muss eine wichtige und geeignete Lösung für die Speicherung der schwankenden Energie aus erneuerbaren Quellen gefunden werden. Wasserstoff ist ein vielversprechender Energieträger für die Speicherung und Verteilung von erneuerbaren Energien auf der Welt. Die vorliegende Arbeit liefert eine umfassende Analyse der großtechnischen Wasserstoffwirtschaft. Sie bewertet ausführlich den gesamten Prozess des grünen Flüssigwasserstoffs, einschließlich der Produktion von gasförmigem und flüssigem Wasserstoff sowie der Rückumwandlung in Wasserstoffgas über die Regasifizierung von flüssigem Wasserstoff. Die Studie umfasst exergetische und ökonomische Analysen. Für die Erzeugung von grünem Wasserstoff wird ein PEM-Elektrolyseur betrachtet und ein Exergie-Wirkungsgrad von 60 % errechnet, wobei sich die nivellierten Kosten für grünen Wasserstoff auf 8,8 US$/kgH2 belaufen. Für die Verflüssigung von Wasserstoff wird ein exergetischer Wirkungsgrad von 42,1 % ermittelt, und die nivellierten Kosten für flüssigen Wasserstoff entsprechen 1,7 US$/kg H2. Für die Wiedervergasung von Wasserstoff wird ein exergetischer Wirkungsgrad von 62 % ermittelt. Die spezifischen nivellierten Kosten für die Wasserstoffverflüssigung werden mit 0,7 US$/kgH2 berechnet. Zusätzlich werden die Kosten auf der Grundlage verschiedener Betriebsstunden und Strompreise ermittelt. Obwohl die Regasifizierung von Wasserstoff in großem Maßstab aufgrund der kryogenen Temperatur des flüssigen Wasserstoffs (-252,8 °C) eine Herausforderung darstellt, bietet sie auch das Potenzial, die während des Regasifizierungsprozesses übertragene Exergie zu nutzen...