Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems

An electric system based on renewable energy faces challenges concerning the storage and utilization of energy due to the intermittent and seasonal nature of renewable energy sources. Wind and solar photovoltaic power productions are variable and difficult to predict, and thus electricity storage will be needed in the case of basic power production. Hydrogen’s energetic potential lies in its ability and versatility to store chemical energy, to serve as an energy carrier and as feedstock for various industries. Hydrogen is also used e.g. in the production of biofuels. The amount of energy produced during hydrogen combustion is higher than any other fuel’s on a mass basis with a higher-heating-value of 39.4 kWh/kg. However, even though hydrogen is the most abundant element in the universe, on Earth most hydrogen exists in molecular forms such as water. Therefore, hydrogen must be produced and there are various methods to do so. Today, the majority hydrogen comes from fossil fuels, mainly from steam methane reforming, and only about 4 % of global hydrogen comes from water electrolysis. Combination of electrolytic production of hydrogen from water and supply of renewable energy is attracting more interest due to the sustainability and the increased flexibility of the resulting energy system. The preferred option for intermittent hydrogen storage is pressurization in tanks since at ambient conditions the volumetric energy density of hydrogen is low, and pressurized tanks are efficient and affordable when the cycling rate is high. Pressurized hydrogen enables energy storage in larger capacities compared to battery technologies and additionally the energy can be stored for longer periods of time, on a time scale of months. In this thesis, the thermodynamics and electrochemistry associated with water electrolysis are described. The main water electrolysis technologies are presented with state-of-the-art specifications. Finally, a Power-to-Hydrogen infrastructure design for Lappeenranta University of Technology is presented. Laboratory setup for water electrolysis is specified and factors affecting its commissioning in Finland are presented.

Uusiutuvaan energiaan pohjautuva energiajärjestelmä kohtaa haasteita energian varastointiin ja käyttöön liittyen uusiutuvien energialähteiden ollessa jaksottaisia ja kausittaisia. Tuuli- ja aurinkosähköntuotannot ovat vaihtelevia ja vaikeasti ennustettavissa, joten voimajärjestelmä tulee tarvitsemaan sähköenergiavarastoja taatakseen tasapainon tuotannon ja kulutuksen välillä. Vedyn potentiaali piilee sen kyvyssä varastoida kemiallista energiaa ja toimia energiankantajana sekä teollisuuden raaka-aineena. Vetyä voidaan käyttää myös biopolttoaineiden valmistuksessa. Vedyn palaessa vapautuva energiamäärä massayksikköä kohden on suurempi kuin millään muulla polttoaineella sen ylemmän lämpöarvon ollessa 39,4 kWh/kg. Vaikka vety onkin maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, maapallolla vetyä esiintyy lähinnä kemiallisissa yhdisteissä kuten vedessä. Vety ei siis ole primäärienergianlähde vaan sitä on tuotettava. Valtaosa vedystä tuotetaan fossiilisista polttoaineista, eritoten maakaasua reformoimalla, ja vain noin 4 % vedystä tuotetaan elektrolyyttisesti vettä hajottamalla. Veden elektrolyysin ja uusiutuvan energiantuotannon yhdistäminen saa osakseen kasvavaa kiinnostusta muodostuvan energiajärjestelmän kestävyyden ja kasvavan joustavuuden ansiosta. Yleisin vedyn varastointimenetelmä on paineistettuna kaasuna, sillä huoneen lämpötilassa ja normaalipaineessa vedyn energiatiheys tilavuusyksikköä kohden on alhainen, ja paineistus säiliöön on menetelmänä kustannus- ja energiatehokas lataus- ja purkauskertojen kasvaessa. Paineistettu vety mahdollistaa suurempien energiamäärien varastoinnin akkuteknologioihin verrattuna ja lisäksi energiaa voidaan varastoida pidemmäksi aikaa, jopa useiksi viikoiksi. Tässä työssä kuvataan veden elektrolyysiin liittyvä termodynamiikka ja sähkökemia. Keskeiset veden elektrolyysiteknologiat esitellään ja teknologioiden kehitys sekä tämänhetkinen tila arvioidaan. Lisäksi työssä esitellään Lappeenrannan teknillisen yliopiston tuleva vetyinfrastruktuuri. Työssä spesifioidaan veden elektrolyysin laboratoriolaitteisto ja sen käyttöönottoon vaikuttavat tekijät Suomessa.