Electrochemical ways to utilize wastewater in the hydrogen economy

Abstract

Hydrogen is considered to be one solution for clean energy. A large portion of hydrogen is produced from fossil fuels. Electrolysis of water has been proposed as a greener solution. However, the climate change imposes constraints on water usage. This leads to competition in water use with industrial, agricultural, and consumer sectors. Therefore, water electrolysis may not necessarily be a universally suitable solution. It would be important to find alternative ways to produce hydrogen with maximum water efficiency.

Wastewater is an essential product, and its purification is very energy intensive. Currently nitrogen in wastewater is treated in a manner that nitrogen gas is released by bacteria back into the natural nitrogen cycle. This nitrogen could be utilized for hydrogen storage and production in a form of urea.

The purpose of this bachelor's thesis is to review the use of urea and ammonia contained in wastewater in the hydrogen economy. First, properties of urea and ammonia are explored. Then the composition of wastewater is examined. Additionally, the current wastewater treatment technology is presented focusing on nitrogen removal techniques. The electrochemical reactions are also presented focusing on urea.

The results indicate that focus should be turned from catalyst materials into different kinds of pilot projects. The problems of the hydrogen economy also apply to the electrochemical treatment of wastewater. The growing amount of renewable energy and hydrogen infrastructure could realize the potential of electrochemical treatment of wastewater to produce green hydrogen and urea.

Vetyä pidetään yhtenä ratkaisuna puhtaan energian kysyntään. Suuri osa vedystä tuotetaan fossiilisista polttoaineista. Puhtaammaksi ratkaisuksi on tarjottu veden elektrolyysiä. Lämpiävä ilmasto asettaa rajoitteita globaalille veden käytölle. Vähenevästä veden määrästä kilpailee teollisuus-, maatalous- ja kulutussektori. Tämän takia veden elektrolyysi ei välttämättä sovellu yleiseksi ratkaisuksi. Olisikin tärkeää löytää vaihtoehtoisia tapoja tuottaa vetyä mahdollisimman vesitehokkaasti.

Jätevesi on välttämätön tuote, jonka puhdistaminen on hyvin energiaintensiivistä. Tällä hetkellä jäteveden typenpoistossa typpikaasu vapautuu bakteereiden aineenvaihdunnan seurauksena takaisin luonnolliseen typenkiertoon. Tämä typpi voitaisiin valjastaa vedyn varastointiin ja tuotantoon.

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää jäteveden sisältämän urean ja ammoniakin käyttöä vetytaloudessa. Työssä tutustutaan urean ja ammoniakin ominaisuuksiin. Tämän jälkeen käydään läpi jäteveden ominaisuuksia. Työssä perehdytään lisäksi nykyiseen jätevedenpuhdistustekniikkaan. Etenkin käsitellään nykyisin jätevedenpuhdistuksessa käytettävää typenpoistotekniikkaa ja tarkastellaan elektrolyysin vaikutusta prosessiin.

Työn keskeisin tulos on, että tutkimuksessa tulisi siirtyä käytännön pilottihankkeisiin. Vetytalouden yleiset ongelmat koskevat myös jäteveden sähkökemiallista käsittelyä. Uusiutuvan energian määrän kasvaessa ja vetytalouden kehittyessä jäteveden sähkökemiallinen käsittely voi mahdollistaa sekä puhtaan vedyn että urean tuottamisen.