Tasasuuntaajan valinta elektrolyysiteknologioille

Abstract

Ilmaston lämpeneminen ja fossiilisten polttoaineiden rajallisuus ovat lisänneet tarvetta kehittää uusiutuvaan energiaan perustuvia ratkaisuja. Vetyä pidetään potentiaalisena ratkaisuna, sillä sitä voidaan hyödyntää raaka-aineena, polttoaineena, energiankantajana ja energianvarastointiin. Monipuolisten käyttömahdollisuuksien ansiosta sitä on suhteellisen helppo siirtää ja varastoida, mitkä ovat yleisesti haastavia toteuttaa uusiutuvan energian sovelluksissa. Vedyn tuottamiseen vaaditun elektrolyysiyksikön toiminta edellyttää tasavirtaa, minkä lisäksi sähkönkulutuksen osuus on yli 90 % elektrolyyserin suorituskyvystä vedyn tuotannon aikana. Tämän vuoksi optimaalisen tasasuuntaajan valinta on hyvin kriittistä. Työssä tutkitaan ja vertaillaan kahta tasasuuntaajateknologiaa, 12-pulssista tyristorisiltaa ja IGBT-pohjaista tasasuuntaajaa. 12-pulssisen tyristorisillan keskeinen etu on sen edullisempi hinta, kun taas IGBT-pohjainen tasasuuntaaja tunnetaan paremmasta teholaadusta. Tutkielman tarkoituksena on löytää tasasuuntaajien tärkeimmät ominaisuudet veden elektrolyysin kannalta ja analysoida näiden perusteella yleisimmille elektrolyysimenetelmille parhaiten sopiva tasasuuntausteknologia. Työ keskittyy erityisesti kustannustehokkuuden näkökulmaan. Työn alussa esitellään vetytalouden kehittymistä, nykytilannetta sekä vedyn käyttöä raaka-aineena. Tämän jälkeen esitellään yleisimmät elektrolyysimenetelmät, alkalivesielektrolyysi (AWE), polymeerielektrolyysi (PEM) ja kiinteäoksidielektrolyysi (SOE). Tasasuuntaajien analysointi aloitetaan esittelemällä ensin kumpikin teknologia, jonka jälkeen niitä vertaillaan teknisten ominaisuuksien ja kustannusten näkökulmasta. Lopuksi analysoidaan, mikä tasasuuntausteknologia on kullekin elektrolyysimenetelmälle ja niiden sovelluksille optimaalisin. Vety on potentiaalinen energiamuoto ja on odotettavaa, että vetytalouden rooli tulee kasvamaan. Jotta vedyn tuotanto olisi mahdollisimman kustannustehokasta ja kestävää, on elektrolyysijärjestelmiä mietittävä kokonaisuutena niiden koko elinkaaren ajalta kriittisten komponenttien valinnassa. Tasasuuntaajan valinta on usein kompromissi teholaadun ja investointikustannusten väliltä, joten on mietittävä, kummasta voidaan tinkiä, minkä lisäksi lisääntyvä uusiutuvien energialähteiden käyttö lisää haastetta suunnitteluun vaihtelevan luonteensa takia.