Life cycle assessment comparisons between AEL, PEMEL and SOEC hydrogen technologies from an environmental sustainability perspective
Wikström, Robert (2025)
Diplomityö
2025
School of Energy Systems, Ympäristötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025022413362
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025022413362
Tiivistelmä
This thesis examines the environmental sustainability of three water electrolysis technologies: Alkaline Electrolysis (AEL), Proton Exchange Membrane Electrolysis (PEMEL) and Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) for green hydrogen production. A life cycle assessment (LCA) methodology is applied to evaluate the environmental impacts of these technologies throughout their entire lifecycle, covering raw material extraction, manufacturing, operational performance and end-of-life. The analysis explores multiple energy scenarios, including Finnish wind power, the Finnish electricity market mix and the European electricity market mix, to assess the role of energy sources in shaping environmental outcomes.
The findings highlight the dominant role of electricity sources in determining climate change impacts, with renewable energy scenarios significantly reducing emissions. AEL demonstrates durability and simplicity but necessitates higher material use. PEMEL provides operational flexibility and produces high-purity hydrogen but imposes a greater environmental burden due to its reliance on rare materials like platinum and iridium. SOEC, the most energy-efficient technology and achieves minimal energy requirements per kilogram of hydrogen but faces challenges related to material degradation and high operating temperatures. The study identifies key environmental hotspots, such as electricity use during operation and material demands in stack production. It also highlights opportunities for improvement, including the integration of renewable energy and advancements in material efficiency and durability. Tässä opinnäytetyössä tarkasteltiin kolmen veden elektrolyysiteknologian, alkalinen elektrolyysi (AEL), protoninvaihtokalvoelektrolyysi (PEMEL) ja kiinteän oksidin elektrolyysikenno (SOEC), ympäristökestävyyttä vihreän vedyn tuotannossa. Elinkaariarviointimenetelmää (LCA) sovellettiin näiden teknologioiden ympäristövaikutusten arviointiin niiden koko elinkaaren ajan, kattaen raaka-aineiden hankinnan, valmistuksen, toiminnan aikaisen suorituskyvyn ja elinkaaren loppuvaiheet. Analyysi tutkii useita energiaskenaarioita, kuten Suomen tuulivoimaa, Suomen sähkömarkkina ja Euroopan sähkömarkkina, arvioidakseen energialähteiden vaikutusta ympäristöllisiin tuloksiin.
Tulokset korostavat sähkönlähteiden keskeistä roolia ilmastonmuutosvaikutusten määrittämisessä, ja uusiutuvan energian skenaariot pienentävät merkittävästi päästöjä. AEL tarjoaa kestävyyttä ja yksinkertaisuutta, mutta vaatii suurempaa materiaalimäärää. PEMEL tarjoaa operatiivista joustavuutta ja tuottaa erittäin puhdasta vetyä, mutta aiheuttaa suuremman ympäristökuorman harvinaisten materiaalien, kuten platinan ja iridiumin, käytön vuoksi. SOEC, energiatehokkain teknologia, saavuttaa alhaisimman energiantarpeen tuotettua vetykiloa kohti, mutta kohtaa haasteita materiaalin heikentymisen ja korkeiden toimintalämpötilojen vuoksi.
Tutkimuksessa tunnistetaan keskeisiä ympäristöllisiä pullonkauloja, kuten sähkönkulutus toiminnan aikana ja materiaalitarpeet kennojen valmistuksessa. Lisäksi esiin nostetaan parannusmahdollisuuksia, kuten uusiutuvan energian integrointi ja materiaalitehokkuuden ja kestävyyden kehittäminen.
The findings highlight the dominant role of electricity sources in determining climate change impacts, with renewable energy scenarios significantly reducing emissions. AEL demonstrates durability and simplicity but necessitates higher material use. PEMEL provides operational flexibility and produces high-purity hydrogen but imposes a greater environmental burden due to its reliance on rare materials like platinum and iridium. SOEC, the most energy-efficient technology and achieves minimal energy requirements per kilogram of hydrogen but faces challenges related to material degradation and high operating temperatures. The study identifies key environmental hotspots, such as electricity use during operation and material demands in stack production. It also highlights opportunities for improvement, including the integration of renewable energy and advancements in material efficiency and durability.
Tulokset korostavat sähkönlähteiden keskeistä roolia ilmastonmuutosvaikutusten määrittämisessä, ja uusiutuvan energian skenaariot pienentävät merkittävästi päästöjä. AEL tarjoaa kestävyyttä ja yksinkertaisuutta, mutta vaatii suurempaa materiaalimäärää. PEMEL tarjoaa operatiivista joustavuutta ja tuottaa erittäin puhdasta vetyä, mutta aiheuttaa suuremman ympäristökuorman harvinaisten materiaalien, kuten platinan ja iridiumin, käytön vuoksi. SOEC, energiatehokkain teknologia, saavuttaa alhaisimman energiantarpeen tuotettua vetykiloa kohti, mutta kohtaa haasteita materiaalin heikentymisen ja korkeiden toimintalämpötilojen vuoksi.
Tutkimuksessa tunnistetaan keskeisiä ympäristöllisiä pullonkauloja, kuten sähkönkulutus toiminnan aikana ja materiaalitarpeet kennojen valmistuksessa. Lisäksi esiin nostetaan parannusmahdollisuuksia, kuten uusiutuvan energian integrointi ja materiaalitehokkuuden ja kestävyyden kehittäminen.