Elektrolyysiteknologioiden vertailu hybridihankkeessa
Järvinen, Ilari (2025)
2025
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2025051511967
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2025051511967
Tiivistelmä
Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli vertailla eri vesielektrolyysiteknologioiden soveltuvuutta hybridivoimalaitokseen, jossa sähkö tuotetaan tuuli- ja aurinkovoimalla ja tuotantoa tasapainotetaan akkuenergiavarastolla. Tavoitteena oli selvittää, millä teknologialla vihreän vedyn tuotanto on teknisesti ja taloudellisesti kannattavinta vaihtelevissa tuotanto-olosuhteissa.
Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena, jota täydennettiin tuuli- ja aurinkovoiman tuotantosimulaatioilla sekä järjestelmätason simuloinnilla. Työssä vertailtiin kolmea elektrolyysiteknologiaa, joita olivat alkalielektrolyysi, protoninvaihtomembraanielektrolyysi ja kiinteäoksidielektrolyysi. Arvioinnissa tarkasteltiin muun muassa kuormaväliä, vasteaikaa, käynnistys- ja sammutusnopeutta sekä vedyn tuotantokustannuksia.
Tulosten perusteella protoninvaihtomembraaniteknologia soveltuu parhaiten vaihtelevaan sähkösyöttöön sen nopean reagointikyvyn ja lyhyiden käynnistys- ja sammutusaikojen ansiosta. Alkalielektrolyysi osoittautui kustannustehokkaaksi, kun taas kiinteäoksidielektrolyysin etuna oli korkea hyötysuhde. Sen käyttöä kuitenkin rajoittavat korkea käyttölämpötila ja lyhyempi käyttöikä. Tuloksia voidaan hyödyntää vihreän vedyn tuotannon suunnittelussa uusiutuvaan energiaan perustuvissa hybridijärjestelmissä. The objective of this thesis was to compare different water electrolysis technologies for a hybrid power plant utilizing wind and solar energy, with production balanced by battery energy storage. The aim was to determine which technology enables the most technically and economically feasible green hydrogen production under variable operating conditions.
The thesis was carried out as a literature review, which was supplemented by wind and solar power production simulations as well as system-level simulations. The study compared three electrolyzer technologies: alkaline electrolysis, proton exchange membrane electrolysis, and solid oxide electrolysis. The evaluation focused on aspects such as load range, response time, start-up and shutdown speed, and the cost of hydrogen production.
The results indicate that proton exchange membrane electrolysis is best suited for variable electricity supply due to its fast response time and short start-up and shutdown durations. Alkaline electrolysis proved to be cost-effective, while solid oxide electrolysis offered high efficiency. However, its usability is limited by high operating temperature and shorter service life. The findings can support the planning of green hydrogen production in hybrid systems based on renewable energy.
Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena, jota täydennettiin tuuli- ja aurinkovoiman tuotantosimulaatioilla sekä järjestelmätason simuloinnilla. Työssä vertailtiin kolmea elektrolyysiteknologiaa, joita olivat alkalielektrolyysi, protoninvaihtomembraanielektrolyysi ja kiinteäoksidielektrolyysi. Arvioinnissa tarkasteltiin muun muassa kuormaväliä, vasteaikaa, käynnistys- ja sammutusnopeutta sekä vedyn tuotantokustannuksia.
Tulosten perusteella protoninvaihtomembraaniteknologia soveltuu parhaiten vaihtelevaan sähkösyöttöön sen nopean reagointikyvyn ja lyhyiden käynnistys- ja sammutusaikojen ansiosta. Alkalielektrolyysi osoittautui kustannustehokkaaksi, kun taas kiinteäoksidielektrolyysin etuna oli korkea hyötysuhde. Sen käyttöä kuitenkin rajoittavat korkea käyttölämpötila ja lyhyempi käyttöikä. Tuloksia voidaan hyödyntää vihreän vedyn tuotannon suunnittelussa uusiutuvaan energiaan perustuvissa hybridijärjestelmissä.
The thesis was carried out as a literature review, which was supplemented by wind and solar power production simulations as well as system-level simulations. The study compared three electrolyzer technologies: alkaline electrolysis, proton exchange membrane electrolysis, and solid oxide electrolysis. The evaluation focused on aspects such as load range, response time, start-up and shutdown speed, and the cost of hydrogen production.
The results indicate that proton exchange membrane electrolysis is best suited for variable electricity supply due to its fast response time and short start-up and shutdown durations. Alkaline electrolysis proved to be cost-effective, while solid oxide electrolysis offered high efficiency. However, its usability is limited by high operating temperature and shorter service life. The findings can support the planning of green hydrogen production in hybrid systems based on renewable energy.