Energian varastoiminen vetyyn sähkökemiallisilla menetelmillä

Abstract

Ilmastonmuutoksen myötä pyritään eroon fossiilisista polttoaineista. Kun siirrytään käyttämään uusiutuvia energian tuotantotapoja, energian varastoinnin merkitys korostuu. Uusiutuva energia on vaikeasti ennustettavaa ja vaihtelee vuorokauden ajan, vuodenajan ja vuoden sisällä merkittävästi. Jotta uusiutuvasta energiasta saataisiin kilpailukykyistä, sitä tulisi saada varastoitua tuotantopiikin aikana, jotta energiaa olisi varastossa hetkille, joissa uusiutuvaa energiaa ei saada tuotettua. Tässä työssä selvitetään, miten energiaa voidaan varastoida vetyyn sähkökemiallisilla menetelmillä. Työ on tehty kirjallisuusselvityksenä. Työssä on tarkasteltu tieteellisiä julkaisuja energian varastoinnista ja elektrolyysimenetelmistä ja hyödynnetty yritysten nettisivuja esimerkiksi tuulivoiman ja aurinkovoiman tutkimiseen. Työssä on kolme osaa. Ensimmäisessä osassa tarkastellaan energian varastointia. Tässä osassa tarkastellaan lyhyestä millä eri tavoilla energiaa voidaan varastoida ja keskitytään lopuksi siihen, millainen energian varasto vety on. Osassa esitellään myös millaisia etuja ja haasteita vetyvarastojen käytöllä on. Työn toisessa osassa esitellään sähkökemialliset menetelmät varastoida energiaa vetyyn. Sähkökemiallisista menetelmistä tutkitaan elektrolyysimenetelmiä, joita ovat alkalielektrolyysi, polymeerielektrolyysi, vesihöyryelektrolyysi sekä anioninvaihtomembraani elektrolyysi. Työ keskittyy näistä elektrolyysimenetelmistä kolmeen ensimmäiseen, sillä ne ovat paremmin tunnettuja ja niiden kaupallinen kypsyys on parempi kuin anioninvaihtomembraani elektrolyysillä. Vesihöyryelektrolyyseistä tutkitaan vain kiinteä oksidielektrolyysiä, sillä se on kyseisen menetelmän tutkituin tyyppi. Viimeinen osa keskittyy toisessa osassa esiteltyjen elektrolyysimenetelmien vertailuun. Osassa vertaillaan menetelmissä käytettäviä materiaaleja, menetelmällä tuotetun vedyn puhtautta, tuotannon hyötysuhdetta, menetelmälle soveltuvia käyttökohteita sekä menetelmien taloudellisuutta. Tutkimus osoittaa, että elektrolyysimenetelmät poikkeavat toisistaan sekä rakenteen että käytön kannalta. Taloudellisen kannattavuuden kannalta on tärkeä tuntea menetelmien ominaisuudet ja valita käyttökohteeseen soveltuva menetelmä. Työssä havaittiin, että lähitulevaisuudessa ja tällä hetkellä elektrolyysimenetelmistä merkittävin on alkalinen elektrolyysi. Polymeerielektrolyysin kehityksessä on kuitenkin tehty merkittävää edistystä ja tulevaisuudessa se tulee kilpailemaan alkalielektrolyysin kanssa myös suuremman kokoluokan vedyn tuotannossa. Kehitysvaiheessa oleva kiinteä oksidielektrolyysi vaatii vielä työtä erityisesti materiaalien elinajan kehittämiseen. Vaikka alkalinen elektrolyysi onkin jo todella lupaavassa vaiheessa, siirtymä vihreään vetytalouteen vaatii vielä paljon työtä erityisesti toimivan vetyverkoston rakentamiseksi.