Power-to-X technologies for decarbonizing the transport sector

Abstract

This thesis is a literature review about Power-to-X technologies and their potential for decarbonizing the transport sector. Power-to-X (PtX) technologies use renewable electricity and water to produce hydrogen through electrolysis. This hydrogen can then be synthesized into other synthetic fuels. Fuels based on PtX are a promising alternative to fossil fuels and help decarbonize the transport sector alongside electrification. This thesis examined several different PtX pathways and three different electrolyzer technologies. The potential of PtX-based fuels in transportation was also evaluated. The case study was carried out to evaluate hydrogen production, energy efficiency and transport applications using alkaline water electrolysis (AWE), proton exchange membrane electrolysis (PEM), and solid oxide electrolysis (SOEC) technologies.

The results showed that SOEC produced the largest amount of hydrogen from a given electricity input and had the highest system efficiency compared to the other two technologies. The findings indicate that PtX technologies are a promising solution for reducing greenhouse gas emissions, particularly in applications where direct electrification is more difficult. These include aviation, maritime and heavy-duty road transport. However, the large demand for renewable electricity and high production costs still limits their large-scale commercialization.

Tämä kandidaatintyö on kirjallisuuskatsaus Power-to-X (PtX) -teknologioista ja niiden mahdollisuuksista liikennesektorin hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä. Power-to-X-teknologioissa uusiutuvalla sähköllä ja vedellä tuotetaan vetyä elektrolyysillä. Tuotettu vety voidaan jalostaa edelleen synteettisiksi polttoaineiksi. PtX-pohjaiset polttoaineet ovat lupaava vaihtoehto fossiilisille polttoaineille ja voivat tukea liikennesektorin hiilestä irtautumista sähköistymisen rinnalla.Tässä työssä tarkasteltiin useita PtX-tuotantoreittejä ja kolmea eri elektrolysaattoriteknologiaa. Tässä työssä arvioitiin PtX-pohjaisten polttoaineiden potentiaalia liikenteessä. Tapaustutkimuksessa arvioitiin vedyn tuotantoa, energiatehokkuutta ja liikennesovelluksia emäksisen vesielektrolyysin (AWE), protoninvaihtokalvoelektrolyysin (PEM) ja kiinteäoksidielektrolyysin (SOEC) avulla.

Tulokset osoittivat, että SOEC tuotti suurimman määrän vetyä annetulla sähköenergian syötöllä ja saavutti korkeimman järjestelmähyötysuhteen verrattuna kahteen muuhun teknologiaan. Tulosten perusteella PtX-teknologiat ovat lupaava ratkaisu kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseen, erityisesti liikenteen sovelluksissa, joissa suora sähköistäminen on haastavaa. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi ilmailu, meriliikenne ja raskas tieliikenne. Suuri tarve uusiutuvalle sähkölle sekä korkeat tuotantokustannukset kuitenkin rajoittavat edelleen PtX-teknologioiden laajamittaista kaupallistamista.