Mikä elektrolyyseriteknologia toimii parhaiten uusiutuvan energian hybridivoimalassa?
Vihreän vedyn tuotanto on tärkeä osa fossiilivapaan energiajärjestelmän rakentamista, mutta kustannustehokkuus edellyttää huolellista teknologian valintaa. Tuuli- ja aurinkovoiman tuotannon vaihdellessa sääolosuhteiden mukaan vedyn tuotantoteknologian on kyettävä toimimaan osakuormalla sekä mukautumaan sähkösyötön muutoksiin nopeasti ja joustavasti.
Vedyllä on monia käyttötarkoituksia, sitä voidaan käyttää raaka-aineena, polttoaineena, energiankantajana ja väliaineena energian varastoinnissa. Puhtaasti tuotetulla vedyllä voidaan korvata fossiilisten raaka-aineiden ja energialähteiden käyttöä useilla aloilla. Puhdasta vetyä voidaan tuottaa elektrolyysillä hyödyntäen uusiutuvaa energiaa tai vaihtoehtoisesti muilla menetelmillä biopohjaisista raaka-aineista. (Valtionneuvosto 2022, 19.)
Sähköntuotantoprofiili on keskeinen tekijä elektrolyysiteknologian valinnassa
Uusiutuvan energian tuotanto on säästä riippuvaa, mikä tekee sähköntuotannosta vaihtelevaa. Vaihtelevan sähkösyötön asettamat joustavuusvaatimukset vaikuttavat merkittävästi elektrolyysiteknologian valintaan. Elektrolyyserin joustavuuteen liittyviä keskeisiä ominaisuuksia ovat vastekyky, minimikuorma sekä käynnistys- ja sammutusajat kylmä- ja lämpökäynnistyksissä. Teknologian mukautumiskyky muuttuvaan sähköntuotantoon vaikuttaa suoraan vedyn tuotantomääriin ja koko hankkeen taloudelliseen kannattavuuteen.
Yleisesti ottaen tehonmuutokset voidaan toteuttaa riittävän nopeasti, mutta merkittävä rajoittava tekijä voi olla elektrolyyserin minimikuorma. Minimikuorma määrittää alhaisimman tehon tai virrantiheyden, jolla laitetta voidaan käyttää turvallisesti ilman, että sen suorituskyky tai käyttöikä heikkenee. (de Groot & al 2022, 34474.) Opinnäytetyön teknisessä vertailussa keskityttiin erityisesti arvioimaan eri minimikuorma-arvojen vaikutusta laitteen käyttöasteeseen.
Uusiutuvan energian hybridivoimala mahdollistaa tasaisemman sähköntuotannon
Aurinko- ja tuulivoima täydentävät toisiaan hyvin, mikä tekee niiden yhdistelmästä houkuttelevan ratkaisun tasaisemman sähköntuotannon saavuttamiseksi. Aurinkovoimatuotanto painottuu vahvasti kesäaikaan, jolloin auringon säteilyä on eniten saatavilla. Tuulivoima puolestaan tuottaa sähköä tasaisemmin ympäri vuoden, ja suurin tuotanto ajoittuu yleensä talvikuukausille, jolloin tuulen voimakkuus kasvaa.
Hybridivoimalassa nämä kaksi tuotantomuotoa tukevat toisiaan myös vuorokauden aikana. Aurinkovoima tuottaa sähköä päiväsaikaan, kun taas tuulivoima voi kasvattaa tuotantoaan yöaikaan, jolloin tuuliolosuhteet ovat usein suotuisammat. Näiden ominaisuuksien ansiosta hybridivoimala pystyy vähentämään uusiutuvan sähköntuotannon vaihteluita ja parantamaan sähköntuotannon jatkuvuutta, mikä on erityisen tärkeää vedyn tuotannossa käytettävän elektrolyyserin toiminnan kannalta.
Kolme teknologiaa vertailussa
Elektrolyyseriteknologiat voidaan luokitella neljään pääteknologiaan: alkalinen (AEL), polymeerielektrolyyttimembraani tai protoninvaihtomembraani (PEM), anioninvaihtomembraani (AEM) ja kiinteäoksidi (SOEC). Teknologioiden suurimmat erot liittyvät ensisijaisesti elektrolyyttiin, toimintalämpötilaan ja kennon rakenteeseen. (IRENA 2020, 31) Opinnäytetyössä keskityttiin AEL, PEM ja SOEC teknologioiden vertailuun.
AEL-teknologia on vanhin ja kaupallisesti vakiintunein teknologia, joka tunnetaan edullisista investointikustannuksistaan ja pitkästä käyttöiästään. PEM-teknologia puolestaan mahdollistaa nopeat käynnistys- ja sammutusajat sekä hyvän vastekyvyn sähkönsaannin muutoksiin. SOEC-teknologia toimii korkeissa lämpötiloissa ja tarjoaa potentiaalisesti parhaan hyötysuhteen, mutta se on vielä kehitysvaiheessa ja vaatii tarkkaa lämpötilanhallintaa sekä mahdollisesti ulkoisen lämmönlähteen tehokkaan toiminnan varmistamiseksi.
Vanha teknologia vie ensimmäisen sijan
Opinnäytetyön teknisessä ja taloudellisessa vertailussa alkalielektrolyysi (AEL) osoittautui parhaaksi vaihtoehdoksi tarkastellun uusiutuvan energian hybridivoimalan olosuhteissa. AEL pärjäsi erityisesti minimikuormavaatimusten ja vedyn tasoitettujen tuotantokustannusten (LCOH) osalta. Alhainen minimikuorma mahdollistaa laitteen tehokkaan käytön vaihtelevan sähköntuotannon olosuhteissa, ja edulliset investointi- ja käyttökustannukset tukevat vedyn taloudellista tuotantoa tässä hankekokonaisuudessa.
Vaikka AEL-teknologia osoittautui tässä tarkastelussa parhaaksi ratkaisuksi, teknologioiden kehitys on jatkuvaa ja tilanne voi muuttua tulevaisuudessa. Uudemmat teknologiat, kuten PEM ja SOEC, voivat parantaa kilpailukykyään erityisesti, jos investointikustannuksia saadaan laskettua ja käyttöikää kasvatettua. Uusiutuvan energian hybridivoimaloissa, joissa tuulivoimakapasiteetti on suurempi suhteessa aurinkovoimakapasiteettiin, sähköntuotanto voi tasoittua entisestään ympäri vuoden, mikä puolestaan voisi muuttaa myös elektrolyyserin minimikuormavaatimuksia. Tästä syystä elektrolyysiteknologian valinta kannattaa aina tehdä projektikohtaisesti, huomioiden sekä nykyiset olosuhteet että tulevaisuuden kehitysnäkymät.
Lähteet
de Groot, M. T.; Kraakman, J. & Barros, R.L.G. 2022. Optimal operating parameters for advanced alkaline water electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy. Vol 47, No 82, 34773–34783. Viitattu 26.3.2025. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.08.075
IRENA 2020. Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5°C Climate Goal. Abu Dhabi: International Renewable Energy Agency. Viitattu 20.1.2025. https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Dec/IRENA_Green_hydrogen_cost_2020.pdf
Järvinen, I. 2025. Elektrolyysiteknologioiden vertailu hybridihankkeessa – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.
Sivill, L.; Bröckl, M.; Semkin, N.; Ruismäki, A.; Pilpola, H.; Laukkanen, O.; Lehtinen, H.; Takamäki, S.; Vasara, P. & Patronen, J. 2022. Vetytalous – mahdollisuudet ja rajoitteet. Valtioneuvoston selvitys- ja tutkimustoiminnan julkaisusarja 2022:21. Valtioneuvoston kanslia. Viitattu 15.1.2025. https://julkaisut.valtioneuvosto.fi/bitstream/handle/10024/163901/VNTEAS_2022_21.pdf
Kuva: Ilari Järvinen / ChatGPT