Teollinen vedyn tuotanto ja kulutus sekä vedyn tärkeimmät synteesituotteet

Abstract

Kandidaatintyössä esitetään vedyn rooli Power-to-X tekniikan nykyhetkellä sekä sen tulevaisuuden sovelluksia. Työssä esitetään vedyn tuotanto ja kulutus yksityiskohtaisesti sekä sinisen ja vihreän vedyn tuotantoa käsitellään laajasti. Vedyn kahta tärkeintä synteesituotetta, ammoniakkia ja metanolia, käsitellään sekä esitetään näiden aineiden mahdollisia tulevaisuuden käyttökohteita.

Tämänhetkisestä vedyn tuotannosta vain 0,04 % toteutetaan elektrolyysillä. Loput vuosittaisesta vedyntuotannosta toteutetaan fossiilisilla polttoaineilla, joiden käytöstä aiheutuvia päästöjä on pyritty minimoimaan vain muutamilla tuotantolaitoksilla. Uusiutuvalla energianmuodolla tuotetun sähkön käyttäminen elektrolyysissä tuottaa päästötöntä vetyä, joka saattaa mahdollistaa päästöttömän ammoniakin, metanolin ja teräksen valmistamisen. Päästöttömän vedyn tuotanto on kuitenkin haastavaa tuuli- ja aurinkovoimalla tuotetun sähkön vaihtelevuuden, korkeiden tuotantokustannusten sekä varastoinnin haasteiden takia.

Päästöttömän ammoniakin ja metanolin tuotanto riippuvat molemmat vahvasti vedyn tuotannosta. Ammoniakin käyttö lannoitteen valmistamisessa, metanolin asema muoviteollisuuden raaka-aineena sekä teollisuuden vedyn kulutus ovat merkittävimpiä syitä päästöttömän vedyn tuotannon yleistymiselle. Myös vedyn sekä ammoniakin käyttöä sähköntuotannossa sekä käyttöä polttomoottoreissa käsitellään tässä työssä.

In this bachelor’s thesis the role of hydrogen in Power-to-X is presented in the present and in the future. The production and the consumption of hydrogen is discussed in detail and the production of green and blue hydrogen is discussed. The two most important synthetic chemical products of hydrogen, ammonia and methanol, are presented and the future application of these chemicals is discussed.

Today only 0,04 % of hydrogen is produced with electrolysis. The rest of the yearly hydrogen production is derived from fossil fuels whose emissions have only been attempted to be minimized in only a handful of production plants. Electricity which is produced with renewable energy sources and is used in electrolysis produces emission free hydrogen which could enable the production of emission free ammonia, methanol and steel. Emission free hydrogen production is difficult due to the intermittency of wind and solar power, high production costs and storage challenges.

Emission free ammonia and methanol production depend heavily on hydrogen production. The use of ammonia in fertilizers, methanol being the most important feedstock chemical of the plastic industry and industrial use of hydrogen are the most significant reasons for emission free hydrogen becoming more common. Additionally, the use of hydrogen and ammonia in electricity generation and usage in internal combustion engines is discussed in this thesis.