Vesiniku tootmise võimalused edaspidiseks rakendamiseks Eesti energiasektoris

Käesoleva lõputöö eesmärgiks oli vesiniku tootmismeetodite uurimine ja selle alusel kõige efektiivsemate võimaluste väljatoomine edaspidiseks rakendamiseks Eesti energiasektoris. Lõputöö kirjutamise käigus anti ülevaade Eesti energiastrateegiast, sh erinevatest riiklikest arengukavadest, mis on suunatud kliimaneutraalsuse saavutamiseks, samuti vesinikualaste strateegilistest otsustest. Lõputöös pöörati suurt tähelepanu vesinikule kui potentsiaalsele energiaallikale. Põhjalikult uuriti vesiniku levinumaid tootmismeetodeid, ladustamistehnoloogiaid ning selle kasutamist transpordi-, energeetika- ja tööstussektoris. Viimases, seitsmendas peatükis käsitleti vastavalt lõputöö eesmärgile vesiniku tootmise võimalusi Eestis, sh tehti energiakulu arvutusi gaasilise vesiniku tootmiseks elektrolüüsil ja biometaani auruga reformimisel, tehti gaasilise vesiniku potentsiaalsete tootmismahtude arvutusi, võrreldi kaks peamist gaasilise vesiniku ladustamisviise, samuti uuriti gaasilise vesiniku hinnakujundust ning sellele mõjutavaid tegureid. Eestis on suur potentsiaal vesiniku tootmiseks vee elektrolüüsi teel. Riigis aktiivselt arendatakse tuuleenergeetikat ning selle kasutamine elektrolüüsisüsteemi tööks on atraktiivne, kuna võimaldab saada kõige keskkonnasõbralikumat vesinikuvormi. Päikeseenergia võib ka olla energiaallikaks elektrolüsaatori tööks, kuid Eesti suhteliselt lühikeste päevavalgustundide ja tuulegeneraatoritega võrreldes madala efektiivsuse tõttu ei tagaks päikesepaneelid piisavat energiatootlikkust elektrolüüsi tööks, et toota suurtes kogustes vesinikku. Vastavalt arvutustele, vesiniku tootmisel elektrolüüsi teel toimuvad vältimatud nii energia- kui ka materjalikaod. Elektrolüüsiks minevat vett tuleb eelnevalt puhastada ning puhastusprotsesside kaod on u 50 %. Vesiniku elektrolüütiliseks tootmiseks vajalik energiakulu on kaks korda rohkem, kui toodetava vesiniku kütteväärtus (33 kWh/kg). Samas, tuuleenergiat on otstarbekas suunata vesiniku tootmiseks elektrolüüsi teel just aegadel, kui energiatootmine on suur ja samas elektrivajadus on väike, nt suvel, kui mugavate ilmastikutingimuste korral pole kütet ega konditsioneerimist vaja, ja ka öösel. Vesiniku kujul salvestatud energiat saab kasutada siis, kui nõudlus elektrienergia järele suureneb tipptarbimise ajal, samuti tuulevaikse ilma või taastumatute energiaallikate kõrgema turuhinna korral. Avamere tuuleparkide rajamine muudaks tuulikuid veelgi tootlikumaks ja lubaks suurendada vesiniku tootmist, kuna avamere tuulekiirused on suuremad ja mutuvad vähem, samuti puuduvad takistused nagu kõrgustikud või kõrged hooned. Kõige levinum vesiniku tootmismeetod on metaani auruga reformimine. Metaani allikana kasutatakse tavaliselt maagaasi, mis on Eestis kättesaadav vaid impordi kaudu. Imporditud toorainest sõltumatuse eesmärgil, metaani allikaks saab olla Eestis toodetud biogaas. Biogaasist eralduva süsihappegaasi suudavad täielikult neelata taimed, kuna seda toodetakse orgaanilisest materjalist. Puhastatud biogaasis ehk biometaanis on metaani sisaldus sama, kui maagaasis (96 – 98 %). Biometaanist pärinev vesinik on kõrge puhtusastmega, mida saab kasutada keskkonnasõbraliku transpordikütusena. EKT Ecobio biometaani tehase prognoseeritud biometaani aastamaht (1312 t) suunamisel vesiniku tootmiseks metaani aurureformimisel saab toota u 312 t vesiniku aastas. Käesoleva tehnoloogia kasutuselevõtuga Eestis sõltuks vesiniku tootmismaht tarbijanõudlusest. Tulevikus kasvav tarbijanõudlus keskkonnasõbraliku vesiniku järele ja tootmisprotsessi optimeerimine suudaksid tervikuna katta nii elektrienergia kui ka vajalike paigaldiste ja infrastruktuuri (vesiniku tanklate) rajamise kulusid. Vesinikku saab ladustada gaasilisel ja veeldatud kujul, samuti keemiliselt seotud olekus. Vesinikku ladustatakse veeldatud kujul üsna harva, kuna selle vedeldamiseks tuleb tagada temperatuuri -250 °C, ning 1 kg gaasilise vesiniku vedeldamiseks kulub u 12 kWh elektrienergiat, millega võib kaasneda vesiniku hinnatõus. Vesiniku ladustamine gaasilises olekus on energiasäästlikum, kuna selleks nõutakse ainult teatud rõhku anumas, mis suudab vesiniku tihedust suurendada. Rõhul 700 baari on gaasilise vesiniku tihedus u 39 kg/m3. Keemiliselt seotud olekus – metallhüdriidakus MgH2 – on vesiniku tihedus u 150 kg/m3. Gaasilise vesiniku ladustamine rõhu all roostevabast terasest balloonis on kõige tõhusam auto pardal, kuna vesinikuballoon ei võta palju ruumi (5-liitriline), täitub vesinikuga 3-5 minuti jooksul ning vajadusel vabaneb balloonist koheselt. Metallhüdriidaku MgH2 omab suurt energiatihedust ning on atraktiivne võimalus tuuleenergia vesinikuna salvestamiseks. Vesiniku vabastamine toimub temperatuuril 300 °C ja kestab u 10 – 15 minutit. Metallhüdriidaku, erinevalt vesinikuballoonist, on varustatud ohutusmehhanismidega, mis reguleerivad rõhku paagi sees, vältides leket ning vähendades seeläbi plahvatusohtu. Vastavalt arengudokumendile „Eesti vesiniku teekaart“, aasta 2023 seisuga keskkonnasõbraliku gaasilise vesiniku hind maailmaturul varieerub 4 – 8 eurot/kg, ning teoreetiline hind Eesti turul hetkeseisuga võiks olla vahemikus 4,5 – 5,5 eurot/kg. Kuna Eestis ei ole veel vesiniku tootmistehnoloogiad arendatud, eeldatakse nende kasutuselevõttu aastaks 2030 ning keskkonnasõbraliku vesiniku hinnalangust kuni 3,4 – 4,2 eurot/kg. Fossiilse vesiniku hind on küll madalam, hetkeseisuga selle hind maailmaturul on u 1 eurot/kg, kuid süsinikuneutraalsuse poole püüdlemiseks on kõige parem kaaluda keskkonnasõbralikke vesiniku tootmismeetodeid. Keskkonnasõbraliku vesiniku tootmise tehnoloogiad nõuavad arengu algtasemel suuri investeeringuid. Tarbijanõudluse kasv tulevikus aitaks katta seadmete paigaldamise kulusid. Samuti toimuks aja jooksul tehnoloogiliste protsesside optimeerimine, seadmete efektiivsuse tõus, mis suurendaks toodetava vesiniku mahtu ning selle hind muutuks taskukohaseks.

The purpose of the thesis Possibilities of hydrogen production for future implementation in the Estonian energy sector was to study hydrogen production methods and, based on this, identify the most effective ways for its future implementation in the Estonian energy sector. The thesis provided an overview of the Estonian energy strategy, including various national development plans aimed at achieving climate neutrality, as well as strategic decisions regarding hydrogen. In this work much attention is paid to hydrogen as a potential source of energy. The most common methods of hydrogen production, storage technologies and its use in transport, energy and industrial sectors have been studied in detail. In the last, seventh chapter, according to the purpose of the thesis, the possibilities of hydrogen production in Estonia were considered, including calculations of energy costs for the production of hydrogen gas by electrolysis and steam reforming of biomethane, calculations of the potential annual volume of hydrogen gas, a comparison was made of two main methods of storing hydrogen gas, as well as the pricing of hydrogen gas and the factors affecting it. Estonia has a great potential for hydrogen production through water electrolysis. Wind energy is actively developing in the country, and its use for the operation of the electrolysis system is attractive, as it allows you to get the most environmentally friendly form of hydrogen. Solar power can also be a source of power to run an electrolyzer, but due to the country's relatively short daylight hours and low efficiency compared to wind turbines, solar panels cannot provide enough power output for the electrolysis process to produce large amounts of hydrogen. According to calculations, both energy and material losses are inevitable in the production of hydrogen by electrolysis. Water for electrolysis must be pre-purified, and the losses during the purification process are about 50 %. The energy consumption required for the electrolytic production of hydrogen is twice the calorific value of the produced hydrogen (33 kWh/kg). At the same time, it is advisable to direct wind energy to produce hydrogen by electrolysis precisely during periods when energy production is high and at the same time the need for electricity is low, for example, in summer, when there is no need for heating or air conditioning, under favorable weather conditions, and also at night. Energy which is stored in the form of hydrogen can be used when demand for electricity increases during peak demand, as well as during periods of calm weather or rising market prices for non-renewable energy sources. Building offshore wind farms will make wind turbines even more productive and allow more hydrogen production because offshore wind speeds are higher and less variable and there are no obstructions such as hills or tall buildings. The most common method for producing hydrogen is the steam reforming of methane. The source of methane is usually natural gas, which is only available in Estonia through imports. In order to be independent of imported raw materials, Estonia produces biogas as a source of methane. The carbon dioxide that we get from biogas can be completely taken up by plants because it is produced from organic material. The content of methane in purified biogas, or biomethane, is the same as in natural gas (96 – 98 %). Hydrogen from biomethane has a high degree of purity, which allows it to be used as an environmentally friendly transport fuel. By diverting the predicted annual volume of biomethane (1312 tons) from the EKT Ecobio biomethane plant to hydrogen production using a method such as steam reforming of methane, it is possible to produce about 312 tons of hydrogen per year. With the introduction of this technology in Estonia, the volume of hydrogen production will depend on consumer demand. In the future, the growing consumer demand for environmentally friendly hydrogen and the optimization of the production process can fully cover the costs of both electricity and the necessary installations and infrastructure (hydrogen filling stations). Hydrogen can be stored in gaseous and liquid form, as well as in a chemically bound state. Hydrogen is rarely stored in a liquefied form, since a temperature of -250 °C must be provided for its liquefaction, and approximately 12 kWh of electricity is required to liquefy 1 kg of hydrogen gas, which can lead to an increase in the cost of hydrogen. Storing hydrogen in gaseous form is more energy efficient as it only requires a certain pressure in the vessel, which can increase the hydrogen density. At a pressure of 700 bar, the density of hydrogen gas is approximately 39 kg/m3. In the chemically bound state, metal hydride MgH2, the density of hydrogen is about 150 kg/m3. Storage of hydrogen gas under pressure in a stainless-steel cylinder is the most effective on a board of a car, since a hydrogen cylinder does not take up much space (5 liters), can be filled with hydrogen in 3 – 5 minutes and, if necessary, is released immediately from the cylinder. The MgH2 metal hydride battery has a high energy density and is an attractive option for storing wind energy in the form of hydrogen. Hydrogen evolution occurs at a temperature of 300 °C and lasts approximately 10 – 15 minutes. A metal hydride battery, unlike a hydrogen tank, is equipped with safety mechanisms that regulate the pressure inside the tank, preventing leakage and thereby reducing the risk of explosion. According to the state “Estonian Hydrogen Roadmap” (2023), the price of environmentally friendly gaseous hydrogen on the world market ranges from 4 to 8 euro/kg, while the theoretical price on the Estonian market at the moment it could be from 4.5 to 5, 5 euro/kg. Since hydrogen production technologies have not been developed in Estonia yet, they are expected to be introduced by 2030, and the price of environmentally friendly hydrogen will drop to 3.4 – 4.2 euro/kg. Although the price of fossil hydrogen is comparatively lower on the world market (about 1 euro/kg), the best way to achieve carbon neutrality is to consider environmentally friendly methods of hydrogen production. Environmentally friendly technologies for the production of hydrogen require large investments at the initial stage of their development. The future growth in consumer demand will help cover the cost of installing the equipment. Also, over time, technological processes will be optimized, equipment efficiency will increase, which will increase the volume of hydrogen produced, and its price will become affordable.