Tuulivoiman käyttö terästehtaan vetypelkistyksessä

Abstract

Terästeollisuus aiheuttaa noin 7 % Suomen kasvihuonekaasupäästöistä. Teräksen kysynnän noustessa tulevaisuudessa on imperatiivista omaksua ympäristöystävällisempiä teräksen tuotan toprosesseja saavuttaakseen Euroopan unionin asettamat ilmastotavoitteet. Tässä kandidaatin työssä perehdytään teräksen vetypelkistysprosessiin, joka on luultavasti lupaavin väylä kohti hii lineutraalia teräksen tuotantoa. Vetypelkistysprosessi korvaa masuuniprosessin, joka on nykyi sistä teräksentuotantomenetelmistä ylivoimaisesti yleisin. Masuunin päästöt ovat peräisin tämän käyttämästä polttoaineesta, koksista. Koksi toimii rau tamalmin pelkistimenä, eli masuuniprosessin kontekstissa koksi reagoi rautamalmin kanssa va pauttaen elementaarisen raudan malmista. Vetypelkistysprosessin perimmäisenä ideana on kor vata malmin pelkistin, eli koksi vetykaasulla. Vetypelkistysprosessi on käytännössä monivaihei nen. Aluksi sähköä tuotetaan uusiutuvien sähköenergiateknologioiden avulla, jonka jälkeen tätä käytetään veden elektrolyysissä. Veden elektrolyysissä vapautuu vetykaasua, jota käytetään rau tamalmin pelkistyskaasuna. Malmin pelkistys tapahtuu kuilu-uunissa, joka on vetypelkistyspro sessin vastine masuuniuunille. Kuilu-uuni on rakenteeltaan hyvin samanlainen kuin muissa suo rapelkistysprosesseissa käytetyt kuilu-uunit. Erona vetypelkistyksellä ja suorapelkistyksellä on pelkistyskaasu: Vetypelkistyksessä pelkistimenä toimii vetykaasu, kuin taas suorapelkistyksessä pelkistimenä toimii tyypillisesti niin sanottu synteesikaasu, joka on vedyn ja maakaasun seos. Pelkistyskaasujen kinetiikka, termodynaamiset ominaisuudet sekä koostumus ovat oleellisessa roolissa optimaalisen kuilu-uunin suunnittelussa. Vetypelkistyksen hiilijalanjälki ja elektrolyysiä varten tuotetun sähkön tuotantotapa ovat vah vasti kytköksissä toisiinsa. Tämän kandidaatintyön kannalta tarkastellaan tuulivoimaa sähkön tuo tantotapana. Tuulivoiman ongelmana on tämän riippuvuus säästä. Mikäli tuulivoima on ainoa energianlähde vetypelkistysprosessille, tämän epävarma ja epäsäännöllinen saanti vaikuttaa ne gatiivisesti prosessin tuottavuuteen. Sääriippuvaisen sähköntuotannon haitat on mahdollista mi nimoida energian varastoinnilla, tai käyttämällä tuulivoiman rinnalla muita stabiileja ja hiilineutraa leja energiantuotantomenetelmiä, kuten ydinvoimaa. Vedyn ja sähkön tuonti on myös vaihtoehto, mikäli ydinvoiman käyttö ei ole mahdollista. Kandidaatintyössä keskitytään vedyn varastointiin sähköenergian varastoinnin sijasta, sillä vety on työn osalta oleellisemmassa roolissa. Paineiste tut säiliöt ja suolaluolat ovat tällä hetkellä kustannustehokkaimmat vedyn varastointimetodit. Työn kahdessa viimeisessä luvussa ennen johtopäätöksiä ja yhteenvetoa analysoidaan vety pelkistyksen kannattavuutta teknistaloudelliselta näkökulmalta tiedekirjallisuuden avulla, sekä pohditaan vetypelkistyksen roolia tulevaisuudessa. Vetypelkistykseen liittyvän teknologian tuo reuden vuoksi tämän implementointi on huomattavasti perinteistä masuuniprosessia hintavampi. Investointikustannukset ovat arvioltaan 30 % korkeammat vetypelkistysprosessilla masuunipro sessiin verrattuna. Tämän lisäksi vetypelkistyksen operointikustannukset ovat suoraan riippuvai sia sähkön hinnasta elektrolyysilaitteiston toiminnan seurauksena. On kuitenkin ennustettavissa, että teknologioiden kypsentyessä ja pilottihankkeiden edetessä kustannukset ajautuvat jyrkem pään laskevaan trendiin. Euroopan unionin valtiomaiden välinen yhteistyö on avainasemassa kestävän ja kustannustehokkaan vetyinfrastruktuurin suunnittelussa ja toteutuksessa.