Uusiutuvan energian avulla tuotettu vihreä vety on avainasemassa useiden teollisuuden alojen vihreässä siirtymässä. Vihreän vedyn tuotantokustannukset muodostuvat pääasiassa sähköenergiasta ja elektrolyysilaitteistosta, jossa sähköjärjestelmällä on suuri merkitys. Näiden kustannusten karsiminen auttaa alentamaan vihreän vedyn tuotannon kustannusta.
”Elektrolyysijärjestelmän jännitetason nosto auttaa parantamaan vedyntuotannon investointi- ja energiatehokkuutta. Teolliset alkalielektrolyysilaitteistot toimivat tavallisesti noin 200–400 voltin jännitteellä, mutta me pyrimme nostamaan jännitettä kustannustehokkuuden parantamiseksi. Olemme saavuttaneet laboratoriossamme 1000 voltin jännitteen kytkemällä kennostoja sarjaan. Se on tiettävästi maailmanennätys”, sanoo LUTin energiatehokkuuden professori Jero Ahola.
Koko järjestelmän investointikustannukset pienenevät
Kun elektrolyysijärjestelmän jännitettä nostetaan, saman tehon saavuttamiseksi tarvitaan vähemmän sähkövirtaa. Se puolestaan vähentää sähkönsyötön ja tehoelektroniikan kustannuksia sekä häviöitä.
”Sähkönsyöttö ja tehoelektroniikka muodostavat noin neljänneksen vedyntuotantolaitoksen kustannuksista. Jos tämä osuus saadaan esimerkiksi puolitettua jännitettä nostamalla ja sähkövirtaa pienentämällä, koko järjestelmän investointikustannus voi laskea noin 10–15 prosenttia”, sanoo Ahola.
LUTin tutkimus keskittyy erityisesti järjestelmän investointikustannuksiin ja joustavuuteen, koska uusiutuvan sähkön vaihteleva saatavuus vähentää laitteiston vuosittaisia käyttötunteja ja korostaa näin pääomakustannusten merkitystä.
Video LUT-yliopiston 1000 voltin alkalielektrolyysilaitteistosta. Jos video ei näy, voit katsoa sen YouTubesta.
Haasteellinen sarjakytkentä
Ennätyskorkea jännite saavutettiin käyttämällä ABB:n tehoelektroniikkaa ja virolaisen elektrolyyserivalmistaja Stargate Hydrogenin elektrolyysikennoja. ABB on myös tutkimuksen osarahoittaja.
Yksittäinen elektrolyysikenno toimii noin kahden voltin jännitetasolla, joten tuhannen voltin järjestelmäjännite saavutetaan kytkemällä lähes 500 kennoa sähköisesti sarjaan. Se on kuitenkin teknisesti haasteellista, koska kennojen välillä kiertävä sähköä johtava elektrolyytti aiheuttaa hajavirtoja, jolloin sähköä kulkee väärissä paikoissa ja syntyy lisähäviöitä. Niitä voidaan vähentää erilaisilla teknisillä ratkaisuilla.
”Tutkimuksemme osoittaa, että sarjaan kytketty alkalielektrolyysijärjestelmä voi toimia tuhannen voltin jännitteellä ja modernilla, tuuli- ja aurinkovoimaloissa sekä akkujärjestelmissä käytettävällä tehoelektroniikalla”, Ahola summaa.
Vedyn tuotantokustannuksen aleneminen riippuu tarkemmin siitä, missä laitosta käytetään ja käytetäänkö sitä jatkuvasti vai tuuli- ja aurinkosähkön saatavuuden mukaan. Uusiutuvalla sähköllä käyttötunteja on vähemmän, jolloin investointikustannuksen vaikutus tuotettua vety-yksikköä kohden kasvaa.
Jatkotutkimus keskittyy optimointiin ja hajavirtojen minimointiin
Seuraavaksi tutkijat pyrkivät kehittämään menetelmiä, joilla sarjaan kytketty järjestelmä voidaan suunnitella teknistaloudellisesti mahdollisimman tehokkaaksi. Tähän kuuluu myös digitaalista mallinnusta, simulointia ja optimointia, jotta laboratoriossa saatu oppi voidaan siirtää laajempiin järjestelmiin. Lisäksi jatkotutkimuksessa keskitytään minimoimaan elektrolyyttien hajavirtoja ilman, että järjestelmän suorituskyky heikkenee merkittävästi.
Tuhannen voltin järjestelmästä ei ole vielä julkaistu vertaisarvioitua tieteellistä artikkelia, mutta tutkimuksen aiemmista vaiheista on julkaistu useita artikkeleita kolmen viime vuoden aikana. Lisäksi aihetta on tarkasteltu useissa väitöskirjatutkimuksissa.
Lisätietoja:
Vesa Ruuskanen
Markku Niemelä
Lue myös:
Curious People -uutiskirje kertoo ratkaisuista, joilla autamme yhteiskuntaa, teollisuutta ja liiketoimintaa uudistumaan sekä raivaamme tietä energiasiirtymässä ja luonnonvarojen kestävässä käytössä.