Heat Integration in Power-to-X technologies

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-04-17

Department

Major/Subject

Energia- ja ympäristötekniikka

Mcode

ENG3042

Degree programme

Insinööritieteiden kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

30

Series

Abstract

Power-to-X (PtX) technologies utilize renewable energy for producing various end products. One of the most common end products is hydrogen, which can be used as a carbon-free fuel. Hydrogen has gained broad interest during the last years and its production is predicted to increase rapidly in the future. However, the production causes heat losses which lowers the efficiency of the process. This bachelor’s thesis compares heat integration in green hydrogen production in the most common types of electrolysers and analyses the feasibility of different heat integration methods from ecological and economic points of view. Waste heat sources are compared in alkaline, proton exchange membrane (PEM), and solid oxide electrolysers (SOE). These technologies differ from each other by their operating principles, temperatures, and stages of commercialization, which consequently affects the suitability of different heat integration methods. The heat recovery methods compared in this thesis are heat exchangers and heat pumps. Waste heat utilization is considered for internal use of the production for maintaining suitable operation temperatures and for external use for selling the heat to a nearby customer or a district heating network. Greenhouse gas emissions can be reduced most in heat integration by utilizing heat pumps that use renewable energy. If green energy cannot be used for operating heat pumps, the most emission-saving method is to use heat exchangers. From an economic point of view, heat exchangers are more suitable for heat integration because heat pumps can require more expensive investments. The most optimal use of recovered waste heat depends greatly on the electrolyser type and its location. For low-temperature electrolysers internal use is usually the most optimal option, whereas for high- temperature electrolysers it can be more suitable to deliver waste heat to an external consumer or a district heating network. However, transporting heat for long distances and selling it to a district heating network is feasible only when the electrolyser is located close to a grid.

Power-to-X-teknologiat (PtX) hyödyntävät uusiutuvaa energiaa useiden eri lopputuotteiden, kuten synteettisten polttoaineiden, valmistamiseen. Yksi yleisimmistä PtX:n lopputuotteista on vety, jonka valmistamista kutsutaan nimellä Power-to-Hydrogen (PtH). Kiinnostus vedyn käyttöä kohtaan on kasvanut viime aikoina merkittävästi sen mahdollistaman päästöttömyyden vuoksi. Kasvavasta kysynnästä johtuen myös vedyn tuotannon odotetaan lisääntyvän tulevaisuudessa. Toistaiseksi tuotannon hyötysuhdetta heikentää kuitenkin prosessissa syntyvä hukkalämpö. Tässä kandidaatintyössä hukkalämmön talteenottoa ja hyödyntämistä tutkitaan erityisesti vihreän vedyn tuotannossa elektrolyysissä. Työn tarkoituksena on selvittää lämmön talteenoton eroavaisuuksia yleisimpien elektrolyysityyppien välillä, sekä tutkia lämmön hyödyntämisen kannattavuutta päästöjen vähentämisen sekä taloudellisten vaikutusten näkökulmasta. Tässä työssä hukkalämmön lähteitä vertaillaan sekä alkali-, protoninvaihtokalvo- (proton exchange membrane, PEM) että kiinteäoksidielektrolyyseissä (solid oxide electrolysis, SOE). Nämä elektrolyysityypit eroavat toisistaan niin niiden toimintaperiaatteiden, käyttölämpötilojen kuin myös tämänhetkisen kaupallisen käytön yleisyyden perusteella. Alkali- ja PEM-elektrolyyserit toimivat matalissa käyttölämpötiloissa, kun taas uudemmat SOE-teknologiat hyödyntävät tuotannossaan hyvin korkeita lämpötiloja. Tämän vuoksi hukkalämmön kerääminen vaihtelee elektrolyysereiden välillä merkittävästi toisistaan. Työssä vertaillaan lämmön talteenottoa lämmönvaihtimia ja lämpöpumppuja hyödyntämällä. Kerätyn lämmön käyttöä vertaillaan puolestaan vedyn tuotannon sekä sisäisessä käytössä elektrolyysin vaatimien käyttölämpötilojen ylläpitämiseen että ulkoisessa käytössä lämmön myymiseen lähellä sijaitsevalle kuluttajalle tai kaukolämpöverkkoon. Tutkimuksen perusteella kasvihuonepäästöjä saadaan vähennettyä eniten hyödyntämällä lämmön talteenotossa lämpöpumppuja, jotka toimivat uusiutuvalla sähköllä. Mikäli lämmön talteenottoon ei voida käyttää uusiutuvaa energiaa, lämmönvaihtimet ovat ekologisesta näkökulmasta paras vaihtoehto. Taloudelliselta kannalta lämmönvaihtimet ovat kuitenkin lämpöpumppuja parempia, sillä lämpöpumput vaativat usein suurempia investointeja. Hukkalämmön käyttökohteiden sopivuuteen vaikuttaa sekä elektrolyysin lämpötila että sen sijainti. Matalan lämpötilan elektrolyysissä hukkalämmön hyödyntäminen sisäisesti prosessin lämmittämiseen on usein sopivin vaihtoehto, kun taas korkean lämpötilan elektrolyysissä hukkalämmön myyminen ulkoisiin käyttötarkoituksiin toiselle yritykselle tai kaukolämpöön voi olla kannattavampaa. Kaukolämpöön liittymistä rajoittaa kuitenkin tuotannon ja kaukolämpöverkon välinen etäisyys kuljetuksesta syntyvien häviöiden vuoksi. Lämmön talteenoton kokonaiskannattavuus on riippuvainen monesta tekijästä, minkä vuoksi yksiselitteisen arvion tekeminen integroinnin hyödystä on haastavaa.

Description

Supervisor

Alanne, Kari

Thesis advisor

Toldy, Arpad

Keywords

Power-to-X, Power-to-Hydrogen, heat integration

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406114160

Collections

[kand] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG