Elektrolyysin sivuvirtojen hyödyntäminen ravinnontuotannossa : kiertovesiviljelylaitos elektrolyysin hukkalämmön ja sivuvirtahapen käyttäjänä

Abstract

Elektrolyysiin perustuvan vedyntuotannon ja sen sivuvirtojen ennakoidaan kasvavan energiamurroksen edetessä. Sivuvirtoina muodostuvaa happea ja lämpöenergiaa on kaavailtu hyödynnettäväksi kaukolämmön ja teollisuuden tarpeisiin. Suunniteltujen vetyhankkeiden suuruuden vuoksi tarvitaan kuitenkin uusia ratkaisuja sivuvirtojen hyödynnettävyyden tehostamiseksi. Tässä Itä-Suomen yliopiston toimeksiannosta tehdyssä diplomityössä tutkittiin elektrolyysin sivuvirtojen hyödyntämismahdollisuuksia ravinnontuotantoprosessissa. Tavoitteena oli selvittää sivuvirtojen hyödyntämisen tekninen ja taloudellinen toteutettavuus sekä määrittää tarvittava jatkotutkimus.

Tutkimuksessa selvitettiin kolmen eri nimellistehoisen alkalielektrolyyserin tuottamien sivuvirtojen määrä ja sovitettiin ne kiertovesiviljelylaitoksen (RAS) lämpöenergian ja hapen kulutuksesta vuoden tarkasteluajanjaksolta laadittuun dynaamiseen mallinnukseen. Saatujen tulosten perusteella arvioitiin elektrolyysin ja ravinnontuotantoprosessin yhteensopivuutta ja sivuvirtojen hyödyntämisen vaikutusta vedyn tasoitettuun tuotantohintaan (LCOH) sekä ravinnontuottajalle mahdollisesti muodostuvia hyötyjä.

Tulosten perusteella havaittiin, että elektrolyysin ja ravinnontuotannon yhteensovittaminen on teknisesti toteutettavissa. Kiertovesiviljelylaitoksen hapentarve osoittautui merkittävimmäksi tekijäksi elektrolyyserin mitoituksessa. Taloudellisesti kannattavimmaksi skenaarioksi todettiin 2,5 MW nimellisteholla toimiva elektrolyyseri. Sivuvirtojen hyödyntäminen voi parantaa elektrolyysin kokonaishyötysuhdetta ja investointien kannattavuutta erityisesti pienen kokoluokan vedyntuotantolaitoksissa, jotka sijoittuvat ravinnontuotantolaitoksen läheisyyteen. Lisäksi se voi vähentää ravinnontuotantolaitoksen investointitarpeita ja pienentää molempien toimijoiden hiilijalanjälkeä.

Hydrogen production via electrolysis and its by-products are expected to increase during the energy transition. The by-products, oxygen and waste heat, have been considered for utilization in district heating and industrial applications. Due to the large scale of hydrogen projects, new solutions are needed to improve the utilization of by-products. This master's thesis, commissioned by the University of Eastern Finland, examined the potential for utilizing electrolysis by-products in a food production process. The objective of the study was to determine how the by-products can be technically and economically utilized, and to identify the need for further research.

The study examined the number of by-products generated by an alkaline electrolyzer at three different nominal power levels. These were fitted to a dynamic model based on the annual heat and oxygen consumption of a Recirculating Aquaculture System (RAS). Based on the results, the integration potential of electrolysis into the food production process and its effect on the levelized cost of hydrogen (LCOH) were evaluated along with possible benefits for the food producer.

The results showed that the integration of electrolysis and food production is technically feasible. The required amount of oxygen for the aquaculture process proved to be the most significant factor in determining the size of the electrolyzer. The most economically viable scenario was a 2.5 MW electrolyzer. The utilization of by-products can improve the overall efficiency of electrolysis, and the investment profitability of small-scale hydrogen production facilities located near food production plants. Additionally, it may reduce the investment needs of the food production facility and lower the carbon footprint of both facilities.