Vetytalous

TARINA

Energiatalous muuttui koko ajan mosaiikkisemmaksi. Eri tarkoituksiin ja yhteyksiin parhaiten sopivat ratkaisut moninaistuivat.

Vetytalouden kehityksen elementtejä ovat teknologia, infrastruktuuri, investoinnit ja yhteiskunnallinen ulottuvuus, lähinnä ilmastonmuutos. Sen mahdollisuuksien hyödyntämiseksi korkeakouluissa ja tutkimuslaitoksissa lisättiin resursseja etenkin fysiikassa, kemiassa ja materiaalitekniikassa. Biotekniikan merkitys oli myös kasvussa.  

Vedyn pääkäyttömahdollisuudet ovat teollisuuden prosesseissa ja liikenteen energianlähteenä. Lisäksi sitä voidaan käyttää energian varastointiin.

Tuulivoiman osuus Suomen sähköntuotannosta kasvoi jatkuvasti – osin siksi, että se oli keskimäärin edullisempaa kuin kilpailevat sähköntuotannon muodot. Päivä- ja yöenergian välinen hintaero sähkömarkkinoilla loi kannattavuutta sähkön lyhytaikaiselle varastoinnille. Akkuteknologia ja vedyn tuotanto kilpailivat rinnakkain tässä liiketoiminnassa; pumppuvoima ja muut monimutkaisemmat teknologiat osoittautuivat liian kalliiksi. Sähkön veroton keskihinta Suomessa oli vähän yli 4 snt/kWh eli kulutushuippujen leikkaaminen halvalla sähköllä oli kannattavaa. Potentiaalinen volyymi oli selvästi suurempaa luokkaa kuin mihin yksityisiä investointeja löytyi ja vielä kasvoi sähkön kulutuksen mukana. Vaikka nollan sentin pörssihinnat katosivat, korkeita varttihintoja jäi vielä leikattaviksi. (Akkuteknologialla oli toki vielä jäljellä teoreettista potentiaalia saavuttaa parempia tuloksia niin kiinteissä kuin ionipohjaisissa nesteakuissakin.) Vanadiumpentoksidia käyttävät virtausakut olisivat olleet ihanteellisia, mutta rajoituksena oli vanadiumin korkea hinta.

Liikenteen kannalta keskeistä olisi ollut vedyn jakeluverkoston ja tankkausasemien aikaansaaminen. Ilman sitä ei hankittu vetyä käyttävää kuljetuskalustoa, ja kun sitä ei ollut, ei syntynyt kysyntää vedylle. Teollisuus taas kaipasi kansallista siirtoputkistoa, mutta ei olisi pystynyt sisällyttämään sen kustannuksia myyntihintoihinsa. Valtiota toivottiin löytyvän rahaa verkostoa varten, mutta miljardisäästöjen edessä turhaan. Niinpä vedyn tuottajat ja käyttäjät kerääntyivät yhdessä joillekin teollisuusalueille. Vedyn tuottamista Suomessa ja myymistä Keski-Eurooppaan ei pidetty strategisesti järkevänä; parempi oli jatkojalostaa se Suomessa. Maakaasuputkisto ei kelpaa sellaisenaan vedyn siirtämiseen, mutta maakaasuun voidaan lisät jonkin verran vetyä ja ottaa se takaisin talteen siirron jälkeen.

Vetyä kuvattiin aluksi kolmena tyyppinä tuotantotavan mukaan harmaana (fossiilispohjaisena), sinisenä (harmaana, josta CO2 on otettu talteen) ja vihreänä (uusiutuvalla energialla). Harmaan hinta oli noin puolet sinisen ja neljäsosa vihreän vedyn hinnasta. Melkein kaikki vety oli aluksi harmaata, ja sen globaali volyymi oli niin suuri, että sen tuottamiseen sähköllä olisi sitä tarvittu enemmän kuin mitä EU-maat yhdessä käyttivät.

Vedyn vahvuuksia ovat

• poltettaessa ei synny CO2-päästöjä
• polttokennot ovat vapaasti skaalattavia
• vedyn varastoinnissa rajakustannukset pienenevät määrän kasvaessa
• vety on tankattavissa nopeammin kuin sähkö
• varastoitu vety on kevyempää kuin saman energiamäärän sisältävä akusto, ja liikenteeseen tarvittaviin kevyempiin akkuihin käytetään kalliita metalleja (litium, koboltti, nikkeli – mutta vähän painavammat natrium-ioni-akut tulivat henkilöautoihin varhain)  

Vedyn heikkouksiksi taas katsottiin

• jakeluverkosto on pääomavaltainen ja kalliimpi kuin sähkön jakeluverkosto. Siirtoverkko teollisuuden käyttöön on sen sijaan edullisempi toteuttaa
• polttokennoajoneuvot pysyvät kalliimpina kuin sähköajoneuvot
• vety on erittäin helposti syttyvää, joten sen varastointi ja kuljetus vaativat erityistä huolellisuutta
• vedyn säilyttäminen edellyttää poikkeavaa painetta (energiatiheys jää alle 20 prosenttiin fossiilisista) tai kylmyyttä (kallista)
• vety haurastuttaa metallia

Tuotettaessa vihreää vetyä sähköllä (elektrolyysi) on muuntohäviö 20-24 prosenttia, minkä vuoksi vedyllä ei ole hintakilpailukykyä sähkön kanssa. Prosessissa vetyä sähköllä ja takaisin sähköksi hyötysuhde on 30-42 prosenttia. Elektrolyysin hukkalämpöä pystytään hyödyntämään.

Teollisuudessa vetyä voidaan käyttää synteettisten polttoaineiden (metaani, metanoli, ammoniakki) ja puhtaan teräksen valmistukseen; globaaleista CO2-päästöistä 7 prosenttia tulee terästeollisuudesta. Metallien jalostuksessa ja hiilidioksidin hyödyntämisessä on vedyllä kasvavaa käyttöä. Vedyllä saadaan helpommin aikaan hyvin korkeita lämpötiloja kuin sähköllä, ja sementti-, lasi- ja kemian teollisuudessa oli tätä hyödyntäviä prosesseja.

Sähköverkon vakauttamiseen käytettiin vedyllä toimivia turbiineja. Fossiilista varavoimaa korvattiin muuallakin jonkin verran vetyyn perustuvalla.

Tieliikenteessä henkilöautojen sähköistyminen oli niin pitkällä, että vedyllä ei ollut nähtävissä roolia. Vaihdettavat modulaariset akut olisivat olleet mahdollinen ratkaisu raskaassa ja jakeluliikenteessä, jossa autojen tulisi olla käytössä vuorokauden ympäri. Akut kehittyivät kuitenkin niin nopeaksi, että latausajalla ei enää ollut suurtakaan merkitystä. Paikallisliikenteen linja-autoissa saatiin lisäksi toimimaan langaton lataus pysäkeillä.

Vedylle jäi pieni rooli työkoneiden puolella. Kaivosten giganttiset kuormurit ja kauhakuormaimet, metsäkoneet ja muut syrjässä työskentelevät laitteet tarvitsivat energiatäydennystä jostain läheltä, ja siihen siirtokelpoiset vetytankit soveltuivat.

Lentoliikenteeseen tuli pienempiä sähköä käyttäviä koneita, mutta suuremmat koneet lensivät edelleen nestemäisillä polttoaineilla. Synteettisten polttoaineiden (metaani, metanoli, ammoniakki, kerosiini) valmistuksessa käytettiin vetyä.

Junaliikenteessä vety syrjäytti dieselin niillä rataosuuksilla, joita ei vielä ollut sähköistetty, sekä ratapihoilla.

Meriliikenteen puhdistuminen tapahtui hitaammin, koska vanhoja fossiilisia polttoaineita käyttäviä laivoja ei ollut kannattavaa muuttaa vedyllä toimiviksi. Taloudellinen kilpailuetu kyllä pystyttiin niiltä neutralisoimaan kansainvälisin sopimuksin.     

Joihinkin yhteyksiin sopii auringonvalon ja biologisten menetelmien käyttäminen vedyn tuottamiseen. Niillä on myös potentiaalia kasvaa laajemminkin hyödynnetyiksi menetelmiksi.

Käytettäessä auringonvaloa vedyn tuottamiseen on suorin tapa fotokatalyyttinen veden hajottaminen, jota kutsutaan usein ”keinotekoiseksi fotosynteesiksi”. Prosessissa käytetään erikoismateriaaleja (puolijohteita), jotka on upotettu suoraan veteen. Kun auringonvalo osuu materiaaliin, se saa aikaan kemiallisen reaktion, joka irrottaa vedyn vedestä ilman erillistä sähköntuotantoa tai ulkoisia johtoja.

Biologisia tapoja tuottaa vetyä on useita. Pimeäfermentaatiossa anaerobiset bakteerit (esim. Clostridium) hajottavat orgaanista materiaalia, kuten sokereita tai maatalousjätteitä, pimeässä tilassa. Arktisten vesien pohjaeliöstöstä löytyy vastaavia bakteereja. Prosessi on nopea, ja siinä voidaan hyödyntää teollisuuden jätevesiä ja biojätettä. Tosin tämän kanssa kilpailee metaanin tuottaminen samasta raaka-aineesta. Valo- eli fotofermentaatiossa tietyt bakteerit (kuten purppurabakteerit) käyttävät auringonvaloa energiana hajottaessaan orgaanisia happoja vedyksi. Saanto on teoriassa korkeampi kuin pimeäfermentaatiolla, mutta prosessi vaatii valoa ja on hitaampi. Biofotolyysissä  vihreät levät ja syanobakteerit käyttävät auringonvaloa veden hajottamiseen vedyksi ja hapeksi – samalla tavalla kuin kasvit tuottavat happea fotosynteesissä. Mikrobipolttokennoissa bakteerit hajottavat orgaanista ainesta ja vapauttavat elektroneja. Kun järjestelmään syötetään pieni määrä ulkoista sähköä, nämä elektronit saadaan tuottamaan vetykaasua.

Biometaanista voidaan tuottaa kuumentamalla vetyä. Hiili päätyy tällöin mustaksi jauheeksi tai grafiitiksi – ei siis ilmakehään.

Vetyä voidaan varastoida kiinteisiin aineisiin hyödyntämällä kemiallisia tai fysikaalisia sidoksia. Tämä on usein turvallisempaa ja tilaa säästävämpää kuin vedyn puristaminen korkeapaineisiin säiliöihin. Vetyatomit imeytyvät paineessa eräisiin metalleihin ja metalliseoksiin ja muodostavat metallihydridiä niiden kiderakenteeseen. Sitä mahtuu näin enemmän kuin nesteenä vastaavaan tilaan. Vety vapautuu takaisin kaasuksi, kun metallia lämmitetään.

Vetyä voidaan ”tarrata” fysikaalisesti adsorptiolla kiinni sellaisten materiaalien pintaan, joilla on valtava pinta-ala. Näitä ovat mm. aktiivihiili, hiilinanoputket ja MOF-rakenteet (Metal-Organic Frameworks), jotka ovat ikään kuin mikroskooppisia ”rakennustelineitä”. Prosessi ja säilytys vaativat matalia lämpötiloja.

Vety voidaan myös sitoa osaksi nestemäistä tai kiinteää kemikaalia, jota on helppo kuljettaa. Natrium-boorihydridi on valkoinen jauhe, josta saadaan vetyä irti lisäämällä siihen vettä ja katalyyttiä (LOHC = Liquid Organic Hydrogen Carriers). Vaikka kyseessä on neste, menetelmä muistuttaa kiinteää varastointia siinä, että vety ”ladataan” ja ”puretaan” kemiallisesti öljymäiseen kantaja-aineeseen. Nämä ovat siten stabiileja joskin painavia vaihtoehtoja.

Suomessa esiintyy myös maaperään kerrostuneena valkoista vetyä, jota voidaan ottaa talteen poraamalla.