Vedyn tuottaminen sähkökemiallisella elektrolyyserillä hyödyntäen keskitettyä aurinkoenergiaa

Abstract

Vety on yksi potentiaalisimmista vaihtoehdoista korvaamaan fossiilisia polttoaineita energian varastointitapana. Se on myös tärkeä raaka-aine kemikaalien ja synteettisten polttoaineiden valmistuksessa. Vedyn tuotanto onnistuu esimerkiksi veden elektrolyysillä. Siihen vaadittava sähkö voidaan tuottaa uusiutuvilla energialähteillä, jolloin puhutaan vihreän vedyn tuotannosta. Auringon säteilemää energiaa voidaan hyödyntää elektrolyysissä erillisten aurinkopaneeleiden avulla. Tässä työssä tutkittiin anioninvaihtomembraanielektrolyyserin ja keskittävän aurinkokennon toimintaa sekä laskettiin arvio vedyn tuotantokustannuksille.

Työssä käytetyn elektrolyyserin tuottaman vedyn määrää mitattiin ajan suhteen eri virrantiheyksillä. Myös mittauksien aikaista lämpötilaa vaihdeltiin. Elektrolyyserin ottama teho ja siten myös hyötysuhde pystyttiin laskemaan mittaamalla elektrolyyserin yli olevaa jännitettä. Elektrolyyserissä käytettyjä elektrodeja kuvannettiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, jotta niiden rakenne pystyttiin hahmottaaan paremmin. Keskittävälle aurinkokennolle mittaukset suoritettiin ulkona auringonvaloa käyttäen. Mittaamalla kennon tuottamaa virtaa ja jännitettä eri suuruisten vastusten yli pystyttiin laskemaan aurinkokennon tuottama teho sekä hyötysuhde. Hinta yhdelle kilogrammalle vetyä saatiin laskemalla tuotantoon liittyvät pääoma- ja käyttökustannukset, minkä jälkeen vedyn hinta asetettiin siten, että tulojen ja menojen summa oli nolla.

Hyötysuhteeksi anioninvaihtomembraanielektrolyyserille saatiin mittauksien perusteella 62,9 % ja keskittävälle aurinkokennolle 21,4 %. Tällöin kaikesta aurinkokennoon osuneesta auringon säteilystä noin 13,4 % saadaan sidottua tuotettuun vetyyn. 50 tonnia vetyä päivässä tuottavan laitoksen pääomakustannuksiksi laskettiin noin 564 miljoonaa euroa ja käyttökustannuksiksi vuodessa noin 4,51 miljoonaa. Näillä kuluilla vedyn hinnaksi arvioitiin 5,85 €/kg. Jos vedyn tuotantolaitos käyttäisi keskittävien aurinkokennojen sijaan verkkosähköä, laskisivat arvioidut pääomakustannukset vain 141 miljoonaan euroon johtuen aurinkopaneelin suurista hankintakuluista. Tämä puolestaan nostaisi käyttökustannukset 18,3 miljoonaan euroon. Pääomakustannuksien lasku on kuitenkin merkittävämpi tekijä, joten vedyn hinnaksi verkkosähköä käyttäessä saatiin 2,31 €/kg. Jotta vedyn hinta saataisiin alemmas, se edellyttäisi edullisempia laitteita tai esimerkiksi käytetyn virrantiheyden nostamista. Virrantiheyden nostaminen kaksinkertaiseksi laskisi molemmissa tapauksissa vedyn hintaa 20—30 %. Tämä vaatisi kuitenkin katalyyttimateriaalien kehittämistä.