Hitachi Energy ja Vaasan yliopisto tutkimusyhteistyöhön – muuntajien hyötysuhde optimiin ja lämpö talteen vedyntuotannon energia- ja kustannustehokkuuden parantamiseksi

Sähkö on vedyntuotannon tärkein raaka-aine ja koko tuotantoprosessin perusta. Elektrolyyseri ja sen vaatimat tasasuuntaajat, tasasuuntausmuuntajat ja sähkönsyöttöjärjestelmä muodostavat sähköteknisen kokonaisuuden ja vihreän vedyn tuotannon ytimen. Kun sähkön syöttö ja tasasuuntausmuuntajat on oikein suunniteltu, elektrolyysi toimii luotettavasti, tehokkaasti ja verkkoystävällisesti. 

Sähkö muodostaa noin 70 prosenttia vetylaitoksen käyttökustannuksista. Nykyisillä teknologioilla noin kolmannes vetylaitokseen syötetystä sähköstä hukataan lämpö- ja sähköhäviöinä. Tätä osuutta voidaan olennaisesti pienentää sähköistyksen huolellisella suunnittelulla sekä hyödyntämällä muuntajien, tasasuuntaajien, elektrolyysereiden ja kompressoreiden hukkalämpö.

Optimized Electric Power Chain for Electrolyser Systems (OEPCES) -tutkimushankkeen tavoitteena on parantaa muuntajien ja samalla koko järjestelmän hyötysuhdetta ja pienentää lämpöhäviöiden määrää ottamalla lämpö talteen ja hyödyntämällä se joko kaukolämpönä tai vetylaitoksen omissa prosesseissa. Lämmöntalteenoton integroiminen osaksi vedyn tuotantoprosessia parantaa koko järjestelmän energiatehokkuutta ja laskee tuotantokustannuksia. 

Vetylaitosten sähköjärjestelmissä käytettävät tasasuuntaajamuuntajat ovat korkean teknologian erikoismuuntajia, jotka syöttävät sähköä tasasuuntaajalle, jonka tehtävänä on muuntaa vaihtovirta (AC) tasavirraksi (DC) elektrolyysiä varten. Elektrolyysi on sähkönsyötön kannalta vaativa kuorma. Siinä yhdistyvät suuri teho, nopeat dynaamiset muutokset sekä korkeat sähkön laatuvaatimukset vaatien aktiivista ja älykästä integraatiota sähköverkkoon. Tasasuuntaajamuuntajan keskeisenä tehtävänä on muunnon lisäksi sähkön laadun, käytettävyyden ja hyötysuhteen varmistaminen - yliaaltojen kumoaminen ja vaimentaminen, jännitesymmetrian ja verkon vakauden varmistaminen sekä tasasuuntaajan käyttöalueen ja hyötysuhteen optimointi. 

Tällä hetkellä sähkönsyötössä ja muuntajissa syntyvä lämpö poistetaan jäähdytysjärjestelmien avulla, eikä sitä hyödynnetä vetylaitoksen prosesseissa. Hankkeen ensimmäisessä vaiheessa keskitytään muuntajien termisen mallin kehittämiseen - muuntajien lämpötilojen, lämpövirtojen ja häviöiden mallintamiseen, jotta hukkalämmön talteenotto voidaan suunnitella tehokkaasti ja turvallisesti osaksi kokonaisjärjestelmää.

– Teollisen mittakaavan vihreän vedyn tuotannossa elektrolyysi ja siihen keskeisesti kuuluva sähkönsyöttö ovat nopeasti kehittyvää uutta teknologiaa ja me haluamme olla tuon kehityksen eturintamassa. On hienoa, että saamme Vaasan yliopiston mukaan kanssamme kehittämään maailmanluokan ratkaisuja, jotka parantavat energiatehokkuutta, pienentävät kustannuksia ja nopeuttavat puhtaan energian käyttöönottoa. Tällä kehitystyöllä otetaan konkreettinen askel kohti kestävämpää ja kilpailukykyisempää vedyntuotantoa, toimitusjohtaja Matti Vaattovaara Hitachi Energystä sanoo.

– Energiamurros ja sen tuomat uudet mahdollisuudet eri osa-alueilla tekevät tutkimushankkeista entistä tärkeämpiä ja ovat keskeinen osa kokonaisjärjestelmän ymmärtämisessä. Mallinnus ja kyky monimutkaisten järjestelmien luotettavaan analyysiin ja vaihtoehtoisiin mallien ymmärtämiseen on keskeinen tavoite, jolla luodaan uutta tietoa ja kehitetään kilpailukykyisiä ratkaisuja näihin tarpeisiin. Vihreän vedyn tuotanto ja siihen liittyvät uudet ratkaisut ovat keskeinen osa järjestelmätutkimusta, jossa Vaasan yliopiston tutkimusryhmien monitieteinen osaaminen on hyödynnettävissä, kertoo tutkimuksen vararehtori Mika Grundström Vaasan yliopistosta.

OEPCES toteutetaan osana VTT:n ja Vaasan yliopiston HEROES (Heat and Energy Recovery Of Electrolyser Systems) -tutkimus‑ ja kehityshanketta, jonka tavoitteena on mullistaa vedyn tuotannon energiatehokkuus hyödyntämällä elektrolyysijärjestelmien hukkalämpöä kokonaisvaltaisesti. HEROES-hankkeen päätavoitteena on kehittää ja demonstroida vedyn tuotantojärjestelmä, joka voi pienentää sähkönkulutusta jopa 35 prosenttia ja nostaa nettohyötysuhde jopa 85 prosenttiin, kun nykyiset järjestelmät asettuvat tyypillisesti 50–70 prosentin välille. Hanke tukee suoraan Suomen ja EU:n ilmasto- ja vetystrategioita sekä uuden, vähähiilisen teollisuuden syntymistä. Mukana OEPCES-hankkeessa on Vaasan yliopiston Tehokas ja kestävä polttomoottori -tutkimusryhmä.