Veden elektrolyysin käyttö uusiutuvalla energialla ilman akkua

Abstract

Vihreän siirtymän myötä vety on noussut esiin lupaavana tulevaisuuden polttoaineeksi. Se on mahdollista tuottaa hiilineutraalisti, ja sen palamistuote on vettä. Vetyä on mahdollista valmistaa eri tavoin, mutta tässä työssä keskitytään elektrolyysiin.

Vihreät elektrolyysilaitokset tarvitsevat uusiutuvan energian lähteen ja siihen on usein liitetty akkujärjestelmä, jotta ylimääräinen energia saadaan varastoitua, ja pystytään säädellä energian käyttöä. Tämän työn tarkoituksena on tutkia elektrolyysilaitoksen käyttöä ilman akkujärjestelmää. Akkujärjestelmän sijaan laitoksiin kytketään verkkovirta varmistamaan laitoksen katkeamaton toiminta. Tällaista elektrolyysin käyttötapaa on kannattavaa tutkia elektrolyysin käytön tulevaisuutta ajatellen. Työssä keskitytään laitoksen ajamiseen uusiutuvalla energialla, mutta verkkovirran kautta tulevat ominaisuudet otetaan huomioon.

Työssä käsitellään elektrolyysin teoria, jonka perusteella tehdään simulaatio elektrolyysilaitoksesta, joka tuottaa vetyä pääosin uusiutuvalla energialla. Teoriaosuudessa kerrataan elektrolyysireaktiot kennotasolla, vedyn tuotanto laitoksessa sekä vedyn tuotantoa haittaavat tekijät. Työssä tutkitaan AWE ja PEM elektrolyysilaitosten toimintaa. Tutkimuksessa suoritetun simulaation tarkoituksena on määrittää tuotetun vedyn hinta, laitoksen ollessa 30 vuotta toiminnassa. Tutkimus poikkeaa perinteisestä elektrolyysilaitoskokeesta, sillä koe suoritetaan ilman energian varastointia.

Simulaatio piirtää kuvaajia, jotka osoittavat elektrolyysilaitosten toiminnan halutulla aikavälillä. Kuvaajat visualisoivat vedyn tuotannon määrää, ominaisenergiakulutuksen käyriä sekä verkkovirrasta tarvittavan energian hintoja. Vedyn hinnaksi simulaatio laskee 2.34 €/kg AWE:lle ja 2.86 €/kg PEM:lle. Näitä arvoja vertaillessa muihin tutkimuksiin akkujärjestelmä on kannattava.

Green transition has elevated hydrogen to a significant role as a future fuel. Hydrogen is possible to produce carbon-neutral, and its combustion product is only water. There are various ways to produce hydrogen, but this thesis focuses on hydrogen production through electrolysis.

Green electrolysis plants require a renewable energy source and are often coupled with a battery storage system to store extra energy and to control the use of energy. This thesis research electrolysis plant’s usage without the battery storage system. Instead of a battery system, the plant is connected to the grid, ensuring uninterrupted operation. This production method is worth looking into for the future of electrolysis. This work’s focus is running the plants with renewable energy but taking notice of the power lines’ factors.

This thesis presents the fundamental principles of electrolysis and uses them to simulate electrolysis plants running mainly with renewable energy. Theoretical section overviews electrolysis reactions at a cellular level, the production of hydrogen within the plant and factories harming the hydrogen production rate. The primary objective of the simulation is to determine the price of produced hydrogen with a 30-year operational electrolysis plant. A distinguishing part of this study is that the experiment is done without energy storage.

The simulation produces visual graphs depicting the performance of the electrolysis plant over the specified timeframe. The graphs enable the visualization of hydrogen production, specific energy consumption and the cost of grid electricity. The simulation calculates the levelized cost of hydrogen to 2.34 €/kg for AWE and 2.86 €/kg for PEM. Comparing these results with existing studies inform that a battery system is economically advantageous.