• Ingen resultater fundet

C OST OF ELECTRICITY GENERATION AND EFFECTS ON ELECTRICITY TRADE

6  A PPLICATIONS OF SOLID OXIDE FUEL CELLS FUTURE ENERGY SYSTEMS

6.3   C OST OF ELECTRICITY GENERATION AND EFFECTS ON ELECTRICITY TRADE

hydrogen Central and Local FC‐CHP systems, the excess electricity can now be utilised. The  natural gas Micro FC‐CHP application increases the excess electricity production marginally  in energy systems with wind power. Although heat storages are used, these are less flexible  than central and local FC‐CHP plants. This is due to the fact that the units are prioritised to  increase the total efficiency, but are sometimes forced to produce electricity at times when  the demand is already met by wind power and the production of power plants and other  CHP plants has already been reduced to a minimum. This is also the case in the hydrogen  Micro FC‐CHP system in the traditional and the 100 per cent renewable energy systems. 

Here, electrolysers reduce excess electricity production, but this is increased again during  some hours due to the electricity produced by Micro FC‐CHP.   

‐4.00

‐3.00

‐2.00

‐1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00

Central FC‐CHP Local FC‐CHP Micro FC‐CHP Central FC‐CHP Local FC‐CHP Micro FC‐CHP

Natural gas Electrolyser hydrogen

TWh/year

Marginal changes in excess electricity

Electric heating system Electric heating system  24,5 TWh wind Traditional system Traditional system +  24,5 TWh wind CHP system

CHP system + 24,5 TWh  wind

Integrated system 100 per cent renewable  energy system

 

Fig. 13, Marginal changes in excess electricity production of the six applications   analysed in the eight different energy systems. 

Large Central FC‐CHPs cannot compete with coal‐based CHP, but they have long‐term costs  similar to those of CCGT and have lower costs than biomass‐based CHP, especially if the  long‐term cost goals are met.  

Small Local FC‐CHPs are able to compete with small SCGT, also in case that only the cost  goals for 2015 are met. The better efficiencies of FCs can compensate for the high costs of  replacing stacks in Local FC‐CHP, represented by the high fixed O&M. Two different price  levels of Micro FC‐CHP have been included, assuming that, in the long term, it is possible to  scale the Local FC‐CHP; but the efficiencies do not increase due to larger auxiliary power  requirements in small‐scale generation. In all the fuel and CO2 quota price scenarios, the  Micro FC‐CHPs are unable to compete with the other technologies. Some may argue that  the main purpose of Micro FC‐CHP technologies is to produce heat, and that this element  should be taken into account. This, however, is the also the case for some of the other fu‐

ture CHP technologies listed.  

One mayor problem for the FC‐CHPs is the fuel prices, because natural gas is more expen‐

sive than coal. This is, however, also the case of gas turbines. If the electrolysers were able  to operate solely on wind power, the long‐term costs of hydrogen would be approx. 15 

€/GJ, not taking into account the costs of the electrolysers. Such prices cannot compete  with the fuel costs used in FC‐CHP included here. 

Future technologies  Inv. costs  Life‐

time  Fixed  O&M 

Var. 

O&M 

Efficiency  Total €/MWh incl. CO2 quotas     Low fuel  High fuel 

  M€/MW    (%)  €/MWh el.  th.  Low CO2  High CO2 

Wind On‐shore  1.07  20  3.0  12  ‐  ‐  38  38 

Wind Off‐shore  1.87  25  2.8  15  ‐  ‐  44  44 

Large Coal CHP (2030)  1.20  30  1.3  1.8  55.0  38.0  46  80 

Large Biomass CHP (2030)  1.30  30  1.9  2.7  48.5  41.5  137  160 

Ngas CCGT (>100MW)  0.55  30  2.3  1.5  61.5  29.5  62  116 

Ngas CCGT (>10 MW)  0.70  25  1.4  2.8  52.0  39.0  74  138 

Ngas SCGT (40‐125)  0.49  25  1.5  2.5  46.0  46.0  79  151 

Ngas SCGT (5‐40)  0.70  25  1.1  3.3  41.5  50.5  130  209 

Ngas Large FC‐CHP ‘15  0.80  30  ‐  66  24  68  118 

Ngas Large FC‐CHP ‘30  0.40  30  ‐  66  24  58  108 

Ngas Small FC‐CHP ‘15  0.80  20  10  ‐  56  34  116  175 

Ngas Small FC‐CHP ‘30  0.40  20  ‐  56  34  97  156 

Ngas Micro FC‐CHP ‘15  1.87  20  ‐  45  45  254  328 

Ngas Micro FC‐CHP ‘30  0.80  20  10  ‐  45  45  231  305 

Table 3, Long‐term electricity prices of future technologies. For the FC‐CHP technologies, the prices are based on potential  future costs and efficiencies for 2015 and 2030. The low fuel prices represent costs equivalent to 62 $/bbl oil and the high  fuel costs represent costs equivalent to 172 $/bbl oil. The low CO2 quota costs represent 23.3 €/ton, and in the high cost  scenario, this level is doubled. Low fuel‐high CO2, high fuel‐low CO2 and the base fuel costs, representing costs equivalent  to 120 $/bbl, have been left out. For coal CHP and gas turbines, potential future efficiencies are listed; however, the costs  of these are approx. current costs [49;65]. Electricity prices are based on a 3 per cent interest rate.  

The combinations of seven different future energy systems, four different applications, six  different fuel and CO2 quota prices, and three different electricity price levels result in more  than 650 energy system analyses in the market exchange analyses.  The electricity market  exchange analyses are presented in detail for the Local FC‐CHP in the CHP system with 24  TWh of wind power. Subsequently, the aggregated results of the analyses are presented for  all energy systems and all applications.  

In Fig. 14, the electricity trade effects of the reference CHP system with 24 TWh of wind  power are illustrated, in combination with Local FC‐CHP in this energy system. In the  normal year, the Local FC‐CHPs are able to marginally increase net earnings by reducing  import and increasing export due to a more efficient fuel conversion. In the wet year,  electricity prices are rather low and net earnings are mainly connected to imports. The  Local FC‐CHPs reduce import and, when electricity prices are rather low, this results in  decreased net earnings, even though the Local FC‐CHPs are very efficient. In the dry year,  the Local FC‐CHPs are able to increase net earnings based on larger earnings from more  efficient  electricity exports. When applying  the assumptions on  the frequency of the  different electricity, fuel and CO2 quota cost levels described above, the electricity market  analyses of Local FC‐CHP show that the net earnings are unchanged.  

0 100 200 300 400 500 600

CHP system + 24,5 TWh wind, Revenue of electricity trade in a normal year, M€/year

0 100 200 300 400 500 600

CHP system + 24,5 TWh wind, Revenue of electricity trade in a wet year, M€/year

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000

62$/bbl 120$/bbl 178$/bbl 62$/bbl 120$/bbl 178$/bbl

23.3€/ton CO2 46.6 €/ton CO2

CHP system + 24,5 TWh wind, Revenue of electricity trade in a dry year, M€/year

Ref. Net earnings Ref. Import Ref. Export

Ngas Local FC‐CHP,  Net earnings Ngas Local FC‐CHP,  Import Ngas Local FC‐CHP,  Export

 

Fig. 14, Electricity market exchange analyses of the reference CHP system with 24 TWh of wind power and Local FC‐CHP  added to this system. The results are illustrated for three electricity and three fuel prices and two CO2 quota costs. 

In Fig. 15, the total average revenue of electricity trade of the reference energy systems is  shown. The total net revenue of electricity trade in the references is between 110 and 170  M€/year. In the four electricity and traditional systems, the main earnings on trade are  connected to imports, due to rather high production costs. This is also the case of the CHP  system; while in the CHP system with 24 TWh of wind power as well as in the integrated  system, the earnings on trade are reduced, due to lower system flexibility with a high pene‐

tration of CHP and fluctuating renewable energy.  

In Fig. 15, the net average revenue of the four applications added in the reference energy  systems is also illustrated. In all energy systems, the production of electricity in FC‐CHP,  replacing the production of heat in boilers, generates rather low marginal production costs. 

Still for the natural gas Central, Local and Micro FC‐CHP applications, the changes in reve‐

nue are rather low in most systems. The large import in wet years and high fuel costs ham‐

per the ability of the FC‐CHP to increase earnings on trade. In the reference systems, im‐

ports would reduce power plant production and thus enable more fuel savings than when  replacing FC‐CHP, because the replaced FC‐CHP production leads to a higher boiler produc‐

when fuel prices are high, especially on the Nordic electricity market where prices are often  low due to the Norwegian hydro power production. 

In normal years, the profits of trade increase significantly in the CHP energy system with 24  TWh of wind; hence, FC‐CHP has good abilities to compete with the gas turbine CHPs in this  system, which use the heat storages. In normal years, smaller profits can also be generated  for FC‐CHPs in the CHP energy system.  

In dry years, FC‐CHPs generate profits in most systems; especially in the CHP systems in  which they compete with gas turbines. In the dry year, however, the Local FC‐CHP performs  better than the Central FC‐CHP in the CHP energy system with wind power. This is due to  the larger heat storages of the local systems. 

For the hydrogen Micro FC‐CHP, electrolysers are able to profit from fluctuations in the  traditional energy system with wind power. This system is rather inflexible compared to the  CHP system with wind and the integrated energy system, in which CHP plants already ad‐

just prices and hence hydrogen Micro FC‐CHPs are able to increase profits. In the integrated  system, the net earnings on international trade decrease marginally, as the other compo‐

nents in the system are, among others, flexible demands and heat pumps. 

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

References , Total average revenue of electricity trade, M€/year

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5 0 5 10 15 20 25

Ngas Central FC‐CHP , Net average revenue of electricity trade, M€/year

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5 0 5 10 15 20 25

Ngas Local FC‐CHP , Net average revenue of electricity trade, M€/year

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5 0 5 10 15 20 25

Ngas Micro FC‐CHP , Net average revenue of electricity trade, M€/year

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5 0 5 10 15 20 25

H2 Micro FC‐CHP , Net average revenue of electricity trade, M€/year

‐50

‐40

‐30

‐20

‐10 0 10 20 30 40 50

Ngas Local FC‐CHP , Total marginal socio‐economic revenue, M€/year

‐50

‐40

‐30

‐20

‐10 0 10 20 30 40 50

Ngas Micro FC‐CHP , Total marginal socio‐economic revenue, M€/year

‐400

‐350

‐300

‐250

‐200

‐150

‐100

‐50 0

H2 Micro FC‐CHP , Total marginal socio‐economic revenue, M€/year 0

2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 18,000

References , Total socio‐economic costs, M€/year

Electric heating system Electric heating system  + 24,5 TWh wind Traditional system Traditional system +  24,5 TWh wind CHP system CHP system + 24,5 TWh  wind

Integrated system

‐50

‐40

‐30

‐20

‐10 0 10 20 30 40 50

Ngas Central FC‐CHP , Total marginal socio‐economic revenue, M€/year

 

Fig. 15, Total average revenue of electricity trade and total socio‐economic feasibility of the reference energy systems and  net change in revenue of the four applications. Please note that the scales vary.