• Ingen resultater fundet

In this chapter, an energy system analysis tool is introduced and a three‐step energy system  analysis methodology is presented which enables the identification of suitable applications  of e.g. fuel cells and electrolysers in different future energy systems. The three‐step energy  system analysis methodology described in this chapter is based on “Energy system analyses  of fuel cells and distributed generation” and “Solid oxide fuel cells in renewable energy  systems” [10;17]. This methodology builds on the methodology of designing 100 per cent  renewable energy systems used in “Danish Society of Engineers' Energy Plan 2030” [11‐13].  

2.1 Energy system analyses model 

When conducting energy system analyses, an energy system analysis tool is needed. Such  tools have been designed and used by public planning authorities, utility companies and  different NGOs. Sometimes operation models originally developed to design suitable oper‐

ating strategies on a day‐to‐day basis have been used for planning purposes. They were  typically designed in the context of the current energy supply system with the aim of identi‐

fying lowest‐cost electricity production strategies with several productions units. In order  to be able to calculate exact operational costs and emissions, the models are typically  rather comprehensive and detailed in their description of each individual power plant. In  such models, the possibilities of introducing radical changes are rather limited.  

In this dissertation, the energy system analysis and planning model EnergyPLAN is used  [18]. The aim of a planning model is to design suitable future investment strategies or to  analyse  environmental  impacts  of  different  initiatives.  The  EnergyPLAN  model  is  a  deterministic input/output energy system analysis model, which has been developed and  expanded on a continuous basis since 1999. It involves total national or regional energy  systems on an aggregated basis and emphasises the evaluation of different operation  strategies. The main purpose of the model is to facilitate the design of energy planning  strategies. The model defines technical and economic consequences of different energy  system designs or investments in new technologies. It includes interaction between CHP  and fluctuating renewable energy sources in steps of one hour throughout one year as well  as  different  regulation  strategies.  This  integration  is  needed  in  order  to  be  able  to  determine both technical and economic impacts of fuel cells and electrolysers in future  energy systems. General inputs are demands, renewable energy sources, energy plant  capacities, costs, and a number of optional regulation strategies emphasising import/export  and  excess  electricity  production.  Outputs  are  energy  balances  and  resulting  annual  productions, fuel consumption, CO2 emissions, import/export, and total costs including  income from the international exchange of electricity. 

The EnergyPLAN model enables the analysis of radical technological changes. The model  describes current fossil fuel systems in aggregated technical terms, which can be changed  into radically different systems, e.g. systems based on 100 per cent renewable energy  sources. The model divides the input to market economic analyses into taxes and fuel costs  and thereby makes it possible to analyse different institutional frameworks in the form of  different taxes. Moreover, if more radical institutional structures are to be analysed, the  model can provide purely technical optimisations. This makes it possible to separate the  discussion of institutional frameworks, such as specific electricity market designs, from the  analysis of fuel and/or CO2 emissions alternatives. Compared to many other models, the  EnergyPLAN has not incorporated the institutional set‐up of the electricity market of today  as the only institutional framework.  

Though the EnergyPLAN model is able to analyse different energy systems, it does not pro‐

vide an overview of which power plants are built in which years. The CHP and power plants  are pooled into categories according to their location in the district heating areas. This en‐

ables the integrated analyses of energy systems as well as faster data handling, but it also  limits the level of details in the results for the individual types of technologies in the model. 

Instead, the model enables an exploration and identification of suitable applications of  technologies, such as fuel cells and electrolysers, and the design of future energy systems. 

The model conducts one‐point energy system analyses; i.e. no internal bottlenecks in Den‐

mark are assumed, but it includes the possibilities of analysing different ancillary service  designs.  

2.2 The three‐step energy system analysis methodology 

This methodology includes technical modelling with different regulation strategies to re‐

duce the fuel consumption and improve the integration of intermittent resources. It also  involves the economic optimisation of the performance of electricity market exchange  analyses and socio‐economic analyses. 

2.2.1 Technical and market economic energy system analyses 

The first step in the methodology is the technical or market economic energy system  analysis. In this analysis, the design of large and complex energy systems at the national  level and under different technical or market regulation strategies is investigated. In such  energy system, the effects on fuel efficiency or the ability of different technologies to  integrate intermittent renewable energy can be analysed. In the technical energy system  analyses, inputs include energy demands, production capacities and efficiencies, energy  sources and distributions. In the market economic optimisations, further inputs are needed  in  order  to  determine  marginal  production  costs,  such  as  variable  operations  and  maintenance costs (O&M), fuel costs and CO  emission costs. This modelling is based on the 

taxes. Output consists of annual energy balances, fuel consumptions and CO2 emissions,  fuel costs, etc.  

The technical and market‐economic analyses can be conducted under different regulation  strategies, i.e. in closed or open systems or with different regulations of CHP plants and  critical excess electricity production as well as ancillary service designs, etc. In open energy  systems, the ability to integrate excess electricity production can be investigated; while in  closed energy systems, the abilities of the fuel cell and electrolysers to improve the fuel  efficiency are analysed. In a closed energy system, all excess electricity production is either  converted or avoided. It is not the aim to avoid electricity trade, but in order to analyse the  fuel efficiency of the different energy systems and the technologies involved, it is necessary  to apply these to a closed system. 

Such analyses have been conducted in several of the publications which form part of this  dissertation; both in the construction of future energy systems and the analyses of fuel cells  and electrolysers [2‐6;9‐13;15‐17;19‐21]. 

2.2.2 Electricity market exchange analyses 

In the next step, a market exchange analysis is conducted in which the ability of the  different energy systems to trade and exchange electricity on international markets and  according to prices is analysed. Such analyses can reveal the flexibility of energy systems or  technologies,  when  large  amounts  of  CHP  and  intermittent electricity  are  produced. 

Additional inputs are different external electricity market prices as well as market price  distributions and a price dependence factor, which are applied in order to determine the  response of the market prices to changes in production or demand, import or export. 

Hence, the ability of the system to profit from exchange can be identified [22].  

These analyses are performed in an open energy system with international electricity trade  and are compared to a market economic optimisation of a closed system. This enables the  identification of the net earnings made on electricity trade. The results represent the socio‐

economic profits of electricity trade, excluding taxes. Different variations of such analyses  have been conducted of fuel cells, electrolysers and other technologies in different energy  systems. The results are presented in a selection of the publications which form part of this  dissertation  [5;6;10‐13;15;16;19‐21].  

2.2.3 Socio‐economic feasibility studies 

Finally, as the third step, the socio‐economic feasibility of the system is investigated in  terms of total annual costs under different designs and regulation strategies. In this step,  inputs are investment costs as well as fixed O&M costs together with plant lifetime and an  interest rate.  In this analysis, a market energy system analysis is conducted in which the  operation is optimised economically. In the feasibility study, total socio‐economic costs 

exclude taxes. The costs are divided into 1) fuel costs, 2) variable operation costs, 3)  investment costs, 4) fixed operation and maintenance costs, 5) electricity exchange costs  and benefits, and 6) CO2 payment costs. Such analyses can also be conducted either in open  or closed systems. The socio‐economic feasibility of technologies can also be analysed on  the basis of technical or market economic energy systems analyses, using modelling results  and combining these with the costs etc. of these technologies. This type of analysis has  been conducted of energy systems and technologies in several of the publications forming  part of this thesis [3;5;6;10‐13;19;21].  

A further step along this path is to use the result from the three‐step energy system  analyses methodology for constructing new public regulation. This involves an analysis of  the current institutional and regulatory setup in terms of taxes, levies, and access to  markets, technical requirements etc., as well as recommendations on how to change these. 

Such recommendations can make the business‐economic situation reflect socio‐economic  cost or technically suitable technologies [6]. 

The outputs from the technical analyses, the electricity market exchange analyses or the  socio‐economic feasibility study can also be used as input to other types of analyses, such  as life cycle assessments of the energy system or a technology forming part of this system  [15;16;20]. 

The three‐step energy system analyses methodology leads to a conclusion on the technical  potentials for the integration of renewable energy sources, fuel efficiency, CO2 emissions as  well as the ability of the system to trade electricity, taking into account system restraints,  e.g. in relation to heat demand. Finally, it enables analyses of the total socio‐economic fea‐

sibility of a system or a technology.  

3 Reference systems and the design of future renewable energy systems