Vedyn tuotanto pienen kokoluokan elektrolyysilaitteilla
Lahtinen, Lauri (2019)
Kandidaatintyö
Lahtinen, Lauri
2019
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019041812921
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019041812921
Tiivistelmä
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää vedyn tuotannon pienen kokoluokan elektrolyysiteknologiaa. Tutkimuksessa selvitettiin myös Ferroplan Oy:n konttivoimalaitokseen sopivaa elektrolyysiteknologiaa. Lisäksi tutkimuksessa selvitettiin vedyn ja hapen erilaisia varastointiratkaisuja sekä elektrolyysilaitteiston laitetoimittajia. Vedyn tuotannon elektrolyysiteknologiaa ja varastointikeinoja tutkittiin kirjallisuusselvityksen avulla. Markkinoilla olevista laitetoimittajista koottiin taulukko, josta käy ilmi laitteistojen tekniset tiedot.
Työssä tutkittiin kolmea pieneen kokoluokkaan soveltuvaa elektrolyysiteknologiaa, joiden ominaisuuksia vertailtiin keskenään. Työssä tutustuttiin elektrolyysiteknologioiden laitteistoihin, ominaisuuksiin ja toimintaprosesseihin. Kirjallisuusselvityksen perusteella alkali- ja polymeerielektrolyysi ovat nykyteknologialla soveltuvin ratkaisu pienen kokoluokan elektrolyysilaitteeksi. Veden alkalielektrolyysi on toistaiseksi vielä halvin ja käytetyin teknologia. Polymeerielektrolyysin ominaisuudet ovat kuitenkin soveltuvammat pieneen kokoluokkaan. Tulevaisuudessa höyryelektrolyysi voi kasvattaa suosiotaan pienessä kokoluokassa, mutta teknologia on nykyään vielä kehitysvaiheessa.
Vedyn varastointikeinoista tutustuttiin kolmeen pääteknologiaan, joista selvitettiin toimintaprosessi ja käytännön sovelluskohteet. Vedyn varastoiminen kaasuna on nykyisin suosituin varastointikeino. Vedyn varastoiminen nestemäisessä olomuodossa on suosittua stationaarisissa ja suurikapasiteettisissa sovelluksissa. Vedyn varastoiminen metallihydridinä on lupaava varastointikeino stationaarisiin sovelluksiin, mutta teknologia ei ole vielä yleistä kaupallisessa mittakaavassa. Veden elektrolyysi tuottaa myös happikaasua, joten hapen varastointikeinoja tutkittiin myös. Tutkimuksessa selvitettiin myös vedyn ja hapen varastoinnin turvallisuusvaatimuksia. Tutkimuksessa taulukoitiin 25 markkinoilta löytyvää laitetoimittajaa ja niiden tarjoamien laitteistojen tekniset tiedot ja kokoluokat. The objective of this thesis was to find out the small-scale electrolysis technology of hydrogen production. The study also investigated suitable electrolysis technology for the Ferroplan Oy mobile CHP-plant. In addition, various storage solutions for hydrogen and oxygen and equipment suppliers for electrolysis unit were investigated. Electrolysis technology and storage techniques for hydrogen production were investigated through a literature review. A list of equipment specifications was gathered from the equipment suppliers on the market.
The thesis examined three electrolysis technologies suitable for small-scale production, the properties of which were compared. In this thesis, equipment, properties and operating processes of electrolysis technologies were introduced. Based on the literature review, alkaline- and proton exchange membrane electrolysis are the most suitable solution for small-scale electrolysis devices with modern technology. So far, alkaline water electrolysis is the cheapest and most used technology. However, the properties of proton exchange membrane electrolysis are more suitable for small-scale production. In the future, steam electrolysis can increase its popularity in a small-scale production, but the technology is still in the development phase.
Hydrogen storage techniques were introduced to three main technologies, which explored the process of operation and practical applications. The storage of hydrogen as gas is now the most popular storage method. The storage of hydrogen in liquid form is popular in stationary and high capacity applications. Hydrogen storage as a metal hydride is a promising storage method for stationary applications, but technology is not yet common on a commercial scale. Water electrolysis also produces oxygen gas, so oxygen storage methods were also studied. The study also examined the safety requirements for the storage of hydrogen and oxygen. The study listed 25 suppliers of equipment found on the market and the technical specifications and sizes of the equipment they offer.
Työssä tutkittiin kolmea pieneen kokoluokkaan soveltuvaa elektrolyysiteknologiaa, joiden ominaisuuksia vertailtiin keskenään. Työssä tutustuttiin elektrolyysiteknologioiden laitteistoihin, ominaisuuksiin ja toimintaprosesseihin. Kirjallisuusselvityksen perusteella alkali- ja polymeerielektrolyysi ovat nykyteknologialla soveltuvin ratkaisu pienen kokoluokan elektrolyysilaitteeksi. Veden alkalielektrolyysi on toistaiseksi vielä halvin ja käytetyin teknologia. Polymeerielektrolyysin ominaisuudet ovat kuitenkin soveltuvammat pieneen kokoluokkaan. Tulevaisuudessa höyryelektrolyysi voi kasvattaa suosiotaan pienessä kokoluokassa, mutta teknologia on nykyään vielä kehitysvaiheessa.
Vedyn varastointikeinoista tutustuttiin kolmeen pääteknologiaan, joista selvitettiin toimintaprosessi ja käytännön sovelluskohteet. Vedyn varastoiminen kaasuna on nykyisin suosituin varastointikeino. Vedyn varastoiminen nestemäisessä olomuodossa on suosittua stationaarisissa ja suurikapasiteettisissa sovelluksissa. Vedyn varastoiminen metallihydridinä on lupaava varastointikeino stationaarisiin sovelluksiin, mutta teknologia ei ole vielä yleistä kaupallisessa mittakaavassa. Veden elektrolyysi tuottaa myös happikaasua, joten hapen varastointikeinoja tutkittiin myös. Tutkimuksessa selvitettiin myös vedyn ja hapen varastoinnin turvallisuusvaatimuksia. Tutkimuksessa taulukoitiin 25 markkinoilta löytyvää laitetoimittajaa ja niiden tarjoamien laitteistojen tekniset tiedot ja kokoluokat.
The thesis examined three electrolysis technologies suitable for small-scale production, the properties of which were compared. In this thesis, equipment, properties and operating processes of electrolysis technologies were introduced. Based on the literature review, alkaline- and proton exchange membrane electrolysis are the most suitable solution for small-scale electrolysis devices with modern technology. So far, alkaline water electrolysis is the cheapest and most used technology. However, the properties of proton exchange membrane electrolysis are more suitable for small-scale production. In the future, steam electrolysis can increase its popularity in a small-scale production, but the technology is still in the development phase.
Hydrogen storage techniques were introduced to three main technologies, which explored the process of operation and practical applications. The storage of hydrogen as gas is now the most popular storage method. The storage of hydrogen in liquid form is popular in stationary and high capacity applications. Hydrogen storage as a metal hydride is a promising storage method for stationary applications, but technology is not yet common on a commercial scale. Water electrolysis also produces oxygen gas, so oxygen storage methods were also studied. The study also examined the safety requirements for the storage of hydrogen and oxygen. The study listed 25 suppliers of equipment found on the market and the technical specifications and sizes of the equipment they offer.