Elektrolyysiteknologiat vihreän vedyn tuotannossa : teknistaloudellinen analyysi ja soveltuvuus Suomen energiajärjestelmään

Abstract

Euroopan Unioni ja Suomi pyrkivät korvaamaan fossiilisia polttoaineita vähähiilisillä ratkaisuilla, joissa vedyllä on keskeinen rooli. Vaikka eri elektrolyysiteknologioita on tutkittu laajasti, tarkastelu tapahtuu usein yleiseurooppalaisilla oletuksilla. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia kolmen keskeisen elektrolyysiteknologian: AEL, PEM ja SOEC kilpailukykyä Suomen olosuhteissa. Tutkimuksessa selvitetään mikä vihreän vedyn tuotantoteknologioista on teknisesti ja taloudellisesti kilpailukykyisin Suomen sähkömarkkinaympäristössä. Tutkimuksessa selvitetään myös, miten teknologioiden kilpailukyky muuttuu eri sähkö- ja käyttöasteskenaarioissa.

Tutkimus toteutetaan Levelized Cost of Hydrogen, LCOH-mallinnusmenetelmän avulla. Menetelmä mahdollistaa teknologioiden tarkastelun yhdenmukaisella ja vertailukelpoisella tavalla. Tutkimuksen tausta-aineistona hyödynnetään toissijaista aineistoa, joka koostuu viime vuosina tuotetuista tieteellisistä julkaisuista. Teknologioita tarkastellaan niiden teknisten ominaisuuksien sekä taloudellisten parametrien avulla. Tarkastelu on rajattu vedyn tuotantovaiheeseen, eikä tarkasteluun ole otettu mukaan vedyn elinkaaren muita vaiheita.

Diplomityön tuloksena kullekin elektrolyysiteknologialle laskettiin niiden LCOH-arvot eri sähkön hintaskenaariossa. Tutkimuksen perusskenaariossa tulokseksi saatiin AEL-elektrolyysin LCOH-arvoksi 5,30 €/kg H₂, joka oli selkeästi alhaisempi kuin PEM-elektrolyysin 6,22 €/kg H₂ tai SOEC-elektrolyysin 6,71 €/kg H₂. Tulokset osoittavat sähkön hinnan olevan merkittävin yksittäinen LCOH-arvoon vaikuttava tekijä kullakin tarkastellulla teknologialla, mutta teknologioiden herkkyys sähkön hintavaihteluille erosi teknologioiden välillä. Saatujen tulosten perustella huomattiin että, vaikka AEL-teknologia on investointikustannuksiltaan alhaisin, se on kaikkein herkin sähkön hintavaihteluille. Tulokset osoittivat, että teknologioiden kilpailukyky riippuu käyttöprofiilista, erityisesti sähkön hinnasta ja käyttöasteesta. Suomen energiaympäristössä, jossa runsas tuulivoima ja ilmasto aiheuttavat kausivaihtelua ja sähkön hinnan vaihtelua, näiden tekijöiden merkitys korostuu.

The European Union and Finland aim to replace fossil fuels with low-carbon solutions, in which hydrogen plays a significant role. Although different electrolysis technologies have been studied, analyses are often based on general European or global- level assumptions. The objective of this master’s thesis is to evaluate the competitiveness of three key electrolysis technologies (AEL, PEM, and SOEC) under Finnish conditions. The study examines which of these green hydrogen production technologies is the most technically and economically competitive in the Finnish electricity market environment. In addition, the study investigates how the competitiveness of these technologies changes under different electricity prices and utilization scenarios.

The study is conducted using the Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) modelling approach, which enables a consistent and comparable evaluation on different technologies. The analysis is based on secondary data derived from recent scientific publications. The technologies are assessed based on their technical characteristics and economic parameters. The scope of the analysis is limited to the hydrogen production phase, excluding other stages of the hydrogen value chain.

As a result of the thesis, LCOH values were calculated for each electrolysis technology under different electricity price scenarios. In the base scenario, the LCOH of AEL was 5,30 €/kg H₂, which was clearly lower than that of PEM (6,22 €/kg H₂) or SOEC (6,71 €/kg H₂). The results indicate that electricity price is the most significant single factor affecting the LCOH of all technologies, although their sensitivity to electricity price variations differs. Despite having the lowest investment cost, AEL was found to be most sensitive to electricity price fluctuations.

Overall, the competitiveness of the technologies depends strongly on the operating profile, particularly electricity price and utilisation rate. In the Finnish energy system, where a high share of wind power and climatic conditions cause seasonal and price variability, the importance of these factors is further emphasised.