Vesielektrolyysillä päästöttömän vedyn tuotanto

Abstract

Suomen hallitus hyväksyi 9.2.2023 periaatepäätöksen laajamittaisesta päästöttömän vedyn tuotannosta. Periaatepäätöksessä oli esitetty, että Suomessa olisi valmiudet tuottaa 10 prosenttia EU: n tarvitsemasta vedystä päästöttömästi. Suomen tavoite olisi tuottaa miljoona tonnia päästötöntä vetyä vuoteen 2030 mennessä. Päästötön vety tuotettuna vesielektrolyysitekniikalla vaatii suuren määrän uusiutuvaa sähköenergiaa.

Työn tavoitteena oli tutkia vesielektrolyysillä tuotetun vedyn ja sen tarvitseman sähkön kustannuksia ja kannattavuutta. Työssä tutkittiin myös kuukausitasolla ja tuntisarjaennusteista tuuli- ja aurinkovoiman yhteistuotantoa ja tarvitsemaa elektrolyyseri kapasiteettia. Työssä tutkittiin kirjallisuudesta saatavilla olevaa tietoa alkali- ja polymeerielektrolyysi järjestelmistä sekä aurinko- ja tuulivoimajärjestelmistä. Kirjallisuudesta ja energia-alan julkaisuista saatavilla investointikustannuksilla laskettiin vesielektrolyysillä tuotetun vedyn sekä aurinko- ja tuulivoiman tuotantokustannus. Vesielektrolyysillä tuotetun vedyn tuotantokustannukseen vaikuttaa sähkön hinta merkittävästi. Sähkön hinnalle käytettiin vaihtoehtoina aurinko- ja tuulivoiman painotettua tuotantokustannusta sekä vuoden 2023 Nord Pool pörssihinnan keskiarvoa sovellettuna 25 ja 45 €/MWh rajahinnoille. Sähkön alkuperän perusteella muodostettiin käyttötunnit vedyn tuotannolle.

Maakaasureformoinnilla tuotettu vety on edullisempaa kuin vesielektrolyysillä tuotettu, jonka sähkö on tuotettu tuuli- ja aurinkovoimalla.

Tässä työssä käytettyyn dataan perustuen aurinko- ja tuulivoima tukevat toistensa tuotantoa vedyn tuotannossa vesielektrolyysillä kuukausitasolla tarkasteltuna ja tuntitasolla tarkasteltuna. Tuuli- ja aurinkovoiman yhteistuotannolla saa vedyn tuotannosta tasaisempaa kuin pelkällä tuulivoimalla. Tuuli- ja aurinkovoiman yhteistuotannolla olisi mahdollista hyödyntää optimaalisesti sähköliittymän tehokapasiteetti sekä elektrolysaattori kokoonpanon tehokapasiteetti. Maankäytössä saavutetaan myös etua, jos kaikki laitokset ovat samalla alueella.

Euroopan unionin säädöksessä on esitetty, että päästötön vety tarvitsee pitkäaikaiset sähkönostosopimukset vuoden 2028 jälkeen käyttöönotetuille laitoksille ja tätä ennen tuotannossa olevien laitosten tarvitsee hankkia uusiutuvan energian sähkönostosopimuksia vuodesta 2038 eteenpäin. Vuodesta 2030 eteenpäin vedyn tuotanto pitää sovittaa tuntitasolla uusiutuvan energian tuotantoon. Ennen vuotta 2030 yhteensovittaminen tapahtuu saman kalenterivuoden kuukausitasolla.

Suomessa on tämän tutkimuksen perusteella kohtalaiset mahdollisuudet tuottaa päästötöntä vetyä vesielektrolyysiteknologialla, jonka prosessin sähkö on tuotettu uusiutuvalla energialla. Suomen suuri maa-ala tukee päästöttömän vedyn tuotantoa.

On February 9, 2023, Finnish government approved decision of principle to produce emission-free hydrogen in a large scale. Hydrogen produced with water electrolysis needs high amount of renewable electricity. In the decision of principle were shown that in Finland has readiness to produce 10 percent of the EU needed renewable hydrogen with emission free. Finland’s target is to produce 1 million ton of renewable hydrogen by 2030. Renewable hydrogen produced through water electrolysis needs high amount of renewable electricity.

The aim of the work was to investigate the costs and profitability of emission-free hydrogen produced with water electrolysis and the electricity it needs. Also, in this study are studied on a monthly basis and on a hourly basis based on prognostications the wind power and solar power combined production and the need of the electrolyser capacity. In this work are studied, the information available in the literature on alkali and polymer electrolysis systems and solar power and wind power systems. Investments costs in the literature and energy field publications was used in the calculations to calculate the life cycle cost of hydrogen. The production price of hydrogen produced by water electrolysis is significantly affected by the price of electricity. As electricity costs, the weighted average production price of solar and wind power and the average of the 2023 Nord Pool stock exchange price for hours below 25 and 45 €/MWh were used, and those hours were used to form the operating hours of the electrolysis plant.

Hydrogen produced with steam methane reforming the production cost is lower than hydrogen produced with water electrolysis using renewable electricity.

Using the data based on the research of this work the wind power and solar power complement each other’s production with monthly basis and hourly basis. Combined electricity production with solar and wind powers the hydrogen production is more regular than with only wind power. With the combined production of solar and wind power it can be utilized optimally the electricity connection power capacity and electrolyser stack amount and power capacity. If the production plants are in the same area the land use can better utilize.

There has shown in the delegated acts of renewable hydrogen that to produce renewable hydrogen the producer needs to have renewable electricity energy power purchase agreements to the plants that has been started to operate after 2028 and plant that are operating before 2028 the agreement must be done by 2038. Before year 2030, the production of the hydrogen has to match to the production of renewable electricity energy on a monthly basis and after that the production should be integrate on a hourly basis.

Based on this research, Finland has moderate opportunities to produce green hydrogen using water electrolysis technology, the electricity in the process of which is produced with renewable energy. Finland's large land area supports renewable hydrogen production.