Alkalielektrolyysilaitteistojen investointikustannusten pienentäminen vedyn tuotannossa: Turvallisuustekninen ja teknistaloudellinen tarkastelu
Kaleva, Ville (2020)
2020
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Environmental and Energy Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-12
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005125228
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005125228
Tiivistelmä
Vedyn tuotannon vuosittaiset hiilidioksidipäästöt ovat arviolta 830 megatonnia. Päästötöntä vetyä voidaan tuottaa uusiutuvaa sähköä hyödyntäen, mutta elektrolyysilaitteistojen kalliiden investointikustannusten sekä prosessin energiaintensiivisyyden vuoksi tekniikka on vielä laajalti kannattamatonta. Tämän työn tavoitteena on selvittää elektrolyyttisesti tuotetun vedyn potentiaalisia sovelluskohteita teollisuudessa hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Sen lisäksi tunnistetaan alkalielektrolyysilaitteistojen investointikustannuksiin vaikuttavia tekijöitä sekä näiden pienentämisen keinoja ja niiden vaikutusta elektrolyyserin suoriutumiseen.
Työn ensimmäisessä kirjallisuustutkimuskappaleessa luodaan katsaus vedyn nykyiseen tuotantorakenteeseen, käyttökohteisiin sekä potentiaalisiin sovelluskohteisiin. Lupaavina aloina näyttäytyvät teräksen valmistus sekä ammoniakin tuotanto, molemmat erityisesti tulevaisuudessa rakennettavien laitosten suhteen. Termiset ja elektrolyyttiset vedyn tuotantoprosessit esiteltiin ja elektrolyysitekniikoita verrattiin keskenään.
Toisessa kirjallisuustutkimuskappaleessa eriteltiin alkalielektrolyysilaitteiston investointikustannusten muodostumista. Kennosto on elektrolyyserin suurin yksittäinen kuluerä, kompressoriyksikkö puolestaan toimilaitteiden. Räjähdysvaarallisten alueiden Atex-laitteet ovat huomattavasti kalliimpia kuin vastaavat normaalitilojen toimilaitteet. Tiiviitä seinäläpivientejä hyödyntäen voidaan nestepumppujen tapauksessa pienentää toimilaitteista muodostuvia kustannuksia.
Teknistaloudellisessa tarkastelussa selvitettiin pienen mittakaavan vedyn tuotantoon tarkoitetun alkalielektrolyyserin investointikustannusten muodostumista tilanteessa, jossa osa putkistosta ja toimilaitteista asennettiin tilaustyönä toimitettuun laitteeseen. Tutkimus suoritettiin Paraisilla Q Power Oy:n tutkimus- ja tuotekehitystilalla. Alkalielektrolyyserin alkuinvestointi oli 30 000 €. Työ- ja materiaalikustannuksista muodostuva kustannus oli myöskin noin 30 000 €. Vedyn tuotantolaitoksen hyötysuhteeksi nimellisteholla mitattiin 43,2 % ja ominaiskulutukseksi 6,94 kWh/Nm3.
Energiatehokkain kuormitusaste oli 80 %. Sähkön hinnalla 10 snt/kWh ja päivittäisellä ajoajalla 6 tuntia laitteiston takaisinmaksuajaksi laskettiin 5,5 vuotta, kun vuosittaiset tulot muodostuvat ostovedyn korvaamisesta. Tällöin LCH on 18,99 €/kg.
Työn ensimmäisessä kirjallisuustutkimuskappaleessa luodaan katsaus vedyn nykyiseen tuotantorakenteeseen, käyttökohteisiin sekä potentiaalisiin sovelluskohteisiin. Lupaavina aloina näyttäytyvät teräksen valmistus sekä ammoniakin tuotanto, molemmat erityisesti tulevaisuudessa rakennettavien laitosten suhteen. Termiset ja elektrolyyttiset vedyn tuotantoprosessit esiteltiin ja elektrolyysitekniikoita verrattiin keskenään.
Toisessa kirjallisuustutkimuskappaleessa eriteltiin alkalielektrolyysilaitteiston investointikustannusten muodostumista. Kennosto on elektrolyyserin suurin yksittäinen kuluerä, kompressoriyksikkö puolestaan toimilaitteiden. Räjähdysvaarallisten alueiden Atex-laitteet ovat huomattavasti kalliimpia kuin vastaavat normaalitilojen toimilaitteet. Tiiviitä seinäläpivientejä hyödyntäen voidaan nestepumppujen tapauksessa pienentää toimilaitteista muodostuvia kustannuksia.
Teknistaloudellisessa tarkastelussa selvitettiin pienen mittakaavan vedyn tuotantoon tarkoitetun alkalielektrolyyserin investointikustannusten muodostumista tilanteessa, jossa osa putkistosta ja toimilaitteista asennettiin tilaustyönä toimitettuun laitteeseen. Tutkimus suoritettiin Paraisilla Q Power Oy:n tutkimus- ja tuotekehitystilalla. Alkalielektrolyyserin alkuinvestointi oli 30 000 €. Työ- ja materiaalikustannuksista muodostuva kustannus oli myöskin noin 30 000 €. Vedyn tuotantolaitoksen hyötysuhteeksi nimellisteholla mitattiin 43,2 % ja ominaiskulutukseksi 6,94 kWh/Nm3.
Energiatehokkain kuormitusaste oli 80 %. Sähkön hinnalla 10 snt/kWh ja päivittäisellä ajoajalla 6 tuntia laitteiston takaisinmaksuajaksi laskettiin 5,5 vuotta, kun vuosittaiset tulot muodostuvat ostovedyn korvaamisesta. Tällöin LCH on 18,99 €/kg.