|
|
|
Hankekoodi: A77816
Hankkeen nimi: Vihreän vedyn tuotanto - veden alkalielektrolyysin kenno- ja valmistustekniikan osaamisen kehittäminen
Toimintalinja: 2. Uusimman tiedon ja osaamisen tuottaminen ja hyödyntäminen
Erityistavoite: 4.1. Tutkimus-, osaamis- ja innovaatiokeskittymien kehittäminen alueellisten vahvuuksien pohjalta
Suunnitelman mukainen toteutusaika: Alkaa 1.9.2021 ja päättyy 31.8.2023
Toiminnan tila: Toiminta päättynyt
Vastuuviranomainen: Uudenmaan liitto
Hakijan virallinen nimi: Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto LUT
Organisaatiotyyppi: Yliopisto
Y-tunnus: 0245904-2
Jakeluosoite: PL 20
Puhelinnumero: 029 446 2111
Postinumero: 53851
Postitoimipaikka: Lappeenranta
WWW-osoite: https://www.lut.fi/
Hankkeen yhteyshenkilön nimi: Hynynen Katja
Yhteyshenkilön asema hakijaorganisaatiossa: Tutkijaopettaja
Yhteyshenkilön sähköpostisoite: eura.neuvonta(at)gov.fi
Yhteyshenkilön puhelinnumero: 0405488954
Hakijoiden lukumäärä tai tuen siirto -menettely:
Käynnissä oleva globaali energiamurros ja tavoitteet kasvihuonekaasupäästöjen nollaamiseen vaativat energiajärjestelmän uudistamista ja uudenlaisia energiateknologioita. Uudessa energiajärjestelmässä tuotanto pohjautuu pääosin edulliseen tuuli- ja aurinkosähköön sekä energian käytön sähköistämiseen. Raskasta liikennettä, kemikaaliteollisuutta ja energian kausivarastointia ei voida täysin sähköistää, mutta uusiutuvalla energialla voidaan valmistaa polttoaineita, muovin raaka-aineita ja lannoitteita. Valmistuksessa tarvitaan vetyä, joka tuotetaan sähköllä vedestä. Vihreän, eli uusiutuvalla energialla tuotettavan vedyn ja sen valmistamiseen käytettävien tuotantolaitosten markkinat ovat maailmanlaajuisesti kovassa kasvussa. Kysyntää on kaikille tuotannossa käytettäville elektrolyysitekniikoille, mutta tässä tutkimuksessa keskitytään veden alkalielektrolyysiin, joka on yleisimmin käytetty ja tekniikaltaan yksinkertaisin vedyn kaupallinen tuotantomuoto. Elektrolyysikennon suunnittelun haasteena on sähkökemiallisen, mekaanisen, virtaus- ja valmistusteknisen optimoinnin yhteensovittaminen. Suomessa on elektrolyyserisuunnittelun tutkimusosaamista sekä yrityksiä, joilla on valmiudet valmistaa elektrolyysereitä ja niiden osaprosesseja. Vallitsevaan ja erityisesti tulevaan valtavaan kysyntään vastaaminen on suomalaisille iso mahdollisuus, mutta vaatii suunnittelu- ja rakentamisosaamisen kehittämistä.
Tässä hankkeessa tutkitaan vedyn tuotantoon käytettävän alkalielektrolyyserin kenno- ja valmistustekniikkaa. Hankkeessa suunnitellaan alkalielektrolyyserikennosto, joka on selvästi nykyisin markkinoilla olevia kennostoja energiatehokkaampi. Suunniteltu kennosto rakennetaan rinnakkaisprojektissa. Tavoitteen saavuttamiseksi kehitetään kennon sähkökemiallista, mekaanista ja valmistusteknistä suunnittelua normaalilämpötilassa. Lisäksi tutkitaan komponenttien kustannustehokasta valmistusta tavoitteena valmistusprosessin automatisointi. Lisäksi tutkitaan korotetussa lämpötilassa toimivan alkalielektrolyyserin materiaali- ja kalvotekniikkaan sekä sähkökemialliseen suunnitteluun liittyviä haasteita. Korotettu lämpötila pienentäisi sähköenergian tarvetta ja häviöitä sekä helpottaisi hukkalämmön hyödyntämistä.
Ohjausryhmään kutsutut yritykset edustavat toimijoita eri teollisuudenaloilta (sähkö-, kemian- ja metalliteollisuus)
Hankkeen konkreettisina tuloksina saadaan:
- Normaalilämpötilassa toimivan alkalielektrolyyserin kennon suunnittelu- ja rakentamisosaaminen sisältäen osaamisen sarjatuotantovalmistamiseen. Suunnitelma normaalilämpötilassa toimivasta kennostosta.
- Korotetussa lämpötilassa toimivan alkalielektrolyyserin kennon suunnitteluosaaminen.
- Rinnakkaishankkeena toteutettuna normaalilämpötilassa toimiva laboratoriomittakaavan kennosto, jolla todennetaan saavutettu ominaisenergiankulutus.
Hankkeen tuloksilla on merkittävä vaikutus osaamisen lisääntymiseen suomalaisissa yrityksissä ja yliopistossa. Hankkeen tuloksena saatu osaaminen mahdollistaa elektrolyyserikennojen tai niiden komponenttien tuotannon aloittamisen olemassa olevissa yrityksissä sekä uusien yritysten perustamisen.
Maakunnalliset ja suomalaiset alan yritykset, kunnalliset laitokset ja tutkijat. Esimerkkinä energiasektori, sähkö- ja kemianteollisuuden valmistajat, konepajat sekä näihin liittyvien palveluiden tuottajat.
Viranomaiset, poliittiset päättäjät, kotitaloudet sekä alan opiskelijat.
Myönnetty EU- ja valtion rahoitus: 252 000
Toteutunut EU- ja valtion rahoitus: 252 000
Suunniteltu julkinen rahoitus yhteensä: 360 000
Toteutunut julkinen rahoitus yhteensä: 360 000
Maakunnat: Etelä-Karjala
Seutukunnat: Lappeenrannan
Kunnat: Lappeenranta
Jakeluosoite: Yliopistonkatu 34
Postinumero: 53850
Postitoimipaikka: Lappeenranta
Suunniteltu: 4, joihin työllistyvät naiset 1
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joihin työllistyvät naiset 0.00
Suunniteltu: 0, joista naisten perustamia 0
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joista naisten perustamia 0.00
| Välitön | Välillinen | |
| Ekologinen kestävyys | ||
| Luonnonvarojen käytön kestävyys | 0 | 5 |
| Hanke vaikuttaa luonnonvarojen kestävyyteen välillisesti edesauttamalla uusiutuvien ja kestävien energiantuotantomuotojen hyväksikäyttöä. | ||
| Ilmastonmuutoksen aiheuttamien riskien vähentäminen | 10 | 0 |
| Vihreän vedyn tuotanto on tärkeä osa energiajärjestelmän uudistamisessa. | ||
| Kasvillisuus, eliöt ja luonnon monimuotoisuus | 0 | 5 |
| Hanke vaikuttaa luonnonvarojen asvillisuuden ja eliöiden monimuotoisuuteen välillisesti edesauttamalla uusiutuvien ja kestävien energiantuotantomuotojen hyväksikäyttöä, jolloin saastuttavampien energiamuotojen käyttö vähenee. | ||
| Pinta- ja pohjavedet, maaperä sekä ilma (ja kasvihuonekaasujen väheneminen) | 5 | 5 |
| Hanke vaikuttaa välittömästi kasvihuonekaasujen vänenemiseen ja välillisesti pinta- ja pohjaveteen, maaperään sekä ilmaan, koska se on yksi osa uusiutuvien energiamuotojen hyväksikäytön edistäjänä. | ||
| Natura 2000 -ohjelman kohteet | 0 | 0 |
| Taloudellinen kestävyys | ||
| Materiaalit ja jätteet | 0 | 0 |
| Uusiutuvien energialähteiden käyttö | 10 | 0 |
| Hanke edistää suoraan uusiutuvien energiamuotojen käyttöä, koska vihreän vedyn tuotanto mahdollistaa mm. sähköenergian varastoinnin. | ||
| Paikallisen elinkeinorakenteen kestävä kehittäminen | 0 | 0 |
| Aineettomien tuotteiden ja palvelujen kehittäminen | 0 | 0 |
| Liikkuminen ja logistiikka | 0 | 0 |
| Sosiaalinen ja kulttuurinen kestävyys sekä yhdenvertaisuus | ||
| Hyvinvoinnin edistäminen | 0 | 0 |
| Tasa-arvon edistäminen | 0 | 0 |
| Yhteiskunnallinen ja kulttuurinen yhdenvertaisuus | 0 | 0 |
| Kulttuuriympäristö | 0 | 0 |
| Ympäristöosaaminen | 0 | 0 |
Vihreän vedyn ja sen valmistamiseen käytettävien elektrolyysereiden markkinat ovat maailmanlaajuisesti kovassa kasvussa. Kokonaisprosessin kallein osa on elektrolyyserikennosto ja sen valmistuskustannusten lasku vaikuttaa eniten kokonaiskustannuksiin. Lisäksi suomalaisella teollisuudella on mahdollisuuksia aloittaa kennojen tai niiden osien valmistus. Näistä syistä tässä hankkeessa keskityttiin kennoston kehittämiseen. Vallitsevaan ja erityisesti tulevaan valtavaan kysyntään vastaaminen on suomalaisille iso mahdollisuus, mutta se vaatii suunnittelu- ja rakentamisosaamisen kehittämistä yhdessä paikallisen teollisuuden kanssa, mikä otettiin hankkeen tavoitteeksi. Saavutettua osaamista testattiin muulla rahoituksella toteutettavassa rinnakkaisprojektissa, jossa toteutettiin normaalilämpötilassa (70-90 °C) toimiva laboratoriomittakaavan demolaite.
Hankkeen päätavoitteena oli kehittää alkalielektrolyyserin kenno- ja valmistustekniikkaa. Tavoitteen saavuttamiseksi kehitettiin normaalilämpötilassa (70-90 °C) toimivan kennoston suunnittelu- ja rakentamisosaamista sisältäen sähkökemiallinen suunnittelu, vuotovirtojen minimointi ja nestevirtausten optimointi, kennorakentamisen materiaali- ja valmistustekniikka sekä automatisoitu sarjatuotanto kennoston valmistuskustannusten pienentämiseksi. Lisäksi kehitettiin korotetussa lämpötilassa (n. 150 °C) toimivan alkalielektrolyyserin suunnitteluosaamista materiaali- ja kalvotekniikkaan sekä sähkökemialliseen suunnitteluun liittyen. Projektissa myös rakennettiin 12 kennon alkalielektrolyyserikennosto.
Hankkeessa kartutettiin suunnitteluosaamista alkalielektrolyyserikennon rakenteesta, materiaaleista, elektrodien makro- ja mikrorakenteista sekä niiden vaikutuksista kennon sähkökemiallisiin ominaisuuksiin ja vedyntuotannon tehokkuuteen. Merkittävänä tavoitteena oli rakentaa toimiva elektrolyyserikennosto sekä vertailla tehtyjä simulointi- ja mittaustuloksia. Näistä syistä päädyttiin toteuttamaan perinteisen topologian kennosto ja käyttämään suoria nikkelielektrodeja, jotka on nykyään yleisesti käytettyä zero gap -rakennetta ja verkko- tai vaahtokatalyyttipinnoitteita yksinkertaisempi mallintaa ja rakentaa ja lisäksi pystyttiin paremmin varmistamaan mallinnuksessa hyvin mittauksia vastaavat parametrit. Näin kuitenkin tietoisesti hyväksyttiin, että vedyntuotannon hyötysuhde jäi vaatimattomammaksi. Hankkeessa mallinnettiin alkalielektrolyyserikennoston sähkökemiallisia ominaisuuksia, nestevirtauksia, kuplanmuodostusta sekä hajavirtoja COMSOL-ohjelmistolla. Hajavirtamallinnusta tehtiin COMSOLin rinnalla myös Matlabilla.
Lisäksi kehitettiin alkaalielektrolyyserin mekaanista ja valmistusteknistä suunnittelua sekä valmistettiin hankkeen aikana useita toiminnallisia prototyyppejä projektista riippumattomalla rahoituksella. Toiminnallisissa prototyypeissä testattiin erilaisia aktiivimateriaaleja ja teknisiä, lähinnä kennoston tiivistämiseen ja kanaviston mitoitukseen keskittyviä ratkaisuja.
Edelleen perehdyttiin korotetun lämpötilan merkitykseen ja haasteisiin sekä erilaisten materiaalien soveltuvuuteen korkean lämpötilan alkalielektrolyysiin sekä tarkasteltiin ASPEN-prosessimallinnuksen avulla korkean lämpötilan ja paineen vaikutusta kaasujen liukoisuuteen ja kerääntymiseen elektrolyysiprosessissa kiertävään elektrolyyttiliuokseen. Tämä on tärkeää prosessin turvallisuuden kannalta, jotta kaasujen pitoisuudet pysyvät syttymisrajan alapuolella.
Hankkeen tuloksena saavutettiin normaalilämpötilassa toimivan alkalielektrolyyserikennoston suunnitteluosaaminen sisältäen sähkökemiallinen suunnittelu, sähkökemiallisten materiaalien valintaperusteet ja vaikutus jännitehyötysuhteeseen. Lisäksi saavutettiin sähkökemian, nestevirtausten ja hajavirtojen mallinnusosaamista COMSOL-ohjelmistolla. Edelleen saavutettiin suunnittelu- ja rakentamisosaamista elektrolyyserikennoston materiaali- ja valmistustekniikan osalta. Tulokset ovat skaalautuvia eri kokoluokan laitteistoihin tietyillä rajoituksilla. Rakentamisosaaminen todennettiin 12 kennon laboratorioprototyypin avulla. Korotetussa lämpötilassa toimivan alkalielektrolyyserin osalta saavutettiin suunnitteluosaaminen materiaali- ja kalvotekniikan osalta sekä selvitettiin korotetussa lämpötilassa ja paineessa toimivan elektrolyyserin paineen ja kuorman turvarajat, joiden sisällä vety- ja happikaasujen liukoisuus ei kasva liian suureksi vaan pysyy syttymisrajan alapuolella.