Comparative Life Cycle Emission Study of Selected Hydrogen Production 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

2024-04-18

Department

Major/Subject

Energia- ja ympäristötekniikka

Mcode

ENG3042

Degree programme

Insinööritieteiden kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

29

Series

Abstract

Hydrogen is a key in moving toward a sustainable and green energy sector. Hydrogen production is quickly increasing. To ensure that the hydrogen produced is green, low emission production technologies need to be researched and continuously developed. This thesis reviews the life cycle emissions of two different hydrogen production technologies: alkaline electrolysis and photocatalysis. Both technologies split water into hydrogen and oxygen. Electrolysis does this using electrical current while photocatalysis utilizes light energy. Electrolysis is a far developed technology with a technology readiness level of 8-9, while photocatalysis is still low on the scale, around 2-4. Currently, comparing the two technologies presents challenges due to these unequal premises. This thesis found that the best way to produce hydrogen is through alkaline electrolysis, utilizing wind power as the electricity source. Life cycle emissions in this scenario are 0.65 kgCO2eq/kgH2. The second most favorable option is electrolysis using solar PV as the electricity source, with life cycle emissions of 2.90 kgCO2eq/kgH2. Photocatalysis was found to have life cycle emissions of around 2.43 – 4.43 kgCO2eq/kgH2 and 29.3 – 37.7 kgCO2eq/kgH2 using a panel reactor setup and a parabolic concentrator system respectively. When land use does not cause emissions, the parabolic concentrator system can reach life cycle emissions of 4.53 – 9.00 kgCO2eq/kgH2. Three of the four studied technologies are able to reach the EU standard for green hydrogen, life cycle emissions of 3.38 kgCO2/kgH2. Though currently electrolysis is the most viable way to produce clean hydrogen, the photocatalytic systems have potential to become contenders in the hydrogen production field. Progress in the development of better materials and higher efficiencies would enable industrial-scale plants and increase hydrogen yields lowering the emissions currently estimated.

Vety on avain vihreän siirtymän toteuttamisessa. Vetyä käytetään laajasti teollisuudessa, ja se on myös hyvä energiankantaja. Vedyn tuotantomäärät ja niihin liittyvät tavoitteet kasvavat nopeasti. Nykypäivänä valtaosa vedystä tuotetaan kuitenkin fossiilisia polttoaineita hyödyntäen. Fossiilisten polttoaineiden tilalle tulevien vaihtoehtoisten energiankantajien on kuitenkin oltava puhtaasti tuotettuja. Tämä kandidaatintyö vertailee kahden vedyntuotantoteknologian, elektrolyysin ja fotokatalyysin, elinkaaripäästöjä huomioiden tuotantolaitosten eri osien valmistuksen, asennuksen, vedyntuotanto prosessin sekä laitoksen vaatimat maankäytön muutokset. Elektrolyysissä vettä hajotetaan vedyksi ja hapeksi sähkövirran avulla. Tämä kandidaatintyö tarkastelee alkalielektrolyysiä, joka käyttää sähkönlähteenä aurinkopaneeleja tai tuulivoimaa. Alkalielektrolyysin hyötysuhde on noin 65% ja tuotetun vedyn puhtausaste yli 99%. Elektrolyysi on kehittynyt teknologia, jonka teknologisen valmiuden taso on noin 8–9. Tässä työssä laskettu arvo aurinkosähköllä tuotetun vedyn elinkaaripäästöille on 2,90 kgCO2eq/kgH2. Tuulivoimalla tuotetun vedyn lasketut päästöt ovat tästä yli 75% pienemmät: 0,65 kgCO2eq/kgH2. Samoin fotokatalyysissä hajotetaan vettä vedyksi ja hapeksi, mutta valon avulla. Fotokatalyysi on laboratoriotason teknologia ja kehittyy edelleen paljon. Sen teknologisen valmiuden taso on noin 2–4. Teollisuustason tuotantolaitoksen päästöjä on huomattavasti vaikeampaa arvioida uudelle teknologialle, kuin kehittyneemmälle teknologialle. Työ vertailee kahta eri fotokatalyyttistä tuotantolaitosta. Ensimmäinen fotokatalyyttinen laitos on paneeleista muodostuva. Systeemiä on testattu 100 neliön kokoisena, mutta toistaiseksi laitos kuluttaa enemmän energiaa kuin tuottaa eikä ole sen takia toteuttamiskelpoinen. Tämän teknologian päästöt ovat noin 2,43–4,43 kgCO2eq/kgH2, kun ei huomioida kaasun tarvitsemaa jatkokäsittelyä. Toinen fotokatalyyttinen laitos muodostuu reaktioliuosputkista, joihin keskitetään auringonvaloa. Pilottilaitos on rakennettu Kiinassa, ja sille suoritettu elinkaariarviointi. Laitoksen erittäin alhainen hyötysuhde aiheuttaa suuren alueen käytön tarpeen, jonka myötä elinkaaripäästöt ovat 29,3–37,7 kgCO2eq/kgH2. Jos maankäytön päästöjä ei huomioida, laitoksen elinkaaripäästöt ovat 4,53–9,00 kgCO2eq/kgH2. Uudet vaihtoehtoiset puhtaat vedyntuotantomenetelmät ovat tärkeitä tutkimuksen kohteita maailman sähköistyessä etenkin, kun se halutaan tehdä vähäpäästöisesti. Menetelmien kehittyessä ne voivat osoittautua puhtaimmiksi vedyn tuotantotavoiksi. Tämän työn neljästä teknologiasta kolme saavuttavat ideaalitilanteessa EU:n standarditason, eli niiden päästöt ovat alle 3,38 kgCO2/kgH2. Tässä työssä havaittiin, että tällä hetkellä tuulivoimaa hyödyntävä alkalielektrolyysi on elinkaaripäästöjen osalta parempi vihreän vedyn tuottamisen vaihtoehto kuin fotokatalyysi. Laboratoriotasolla paljon tutkittu fotokatalyysi on lupaava vaihtoehto vedyntuotantoon. Fotokatalyyttisiä materiaaleja tutkitaan paljon, ja niin pitää edelleen tehdä, että prosessin hyötysuhdetta saadaan parannettua ja auringon valon energiasta mahdollisimman paljon käytettyä vedyn tuotannossa. Paneelilaitoksessa tuotteena olevan happi-vetyseoksen erottelumenetelmiä pitää myös tutkia lisää, jotta vety saadaan riittävän puhtaaksi, mahdollisimman pienellä energiankulutuksella.

Description

Supervisor

Alanne, Kari

Thesis advisor

Himanen, Olli

Keywords

hydrogen production, alkaline electrolysis, photocatalysis, life cycle emissions

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406114171

Collections

[kand] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG