ForTheDoers-blogi

Vetytalous tulee – ennemmin tai myöhemmin

Eero Vartiainen  ·  04 syyskuu 2020

Vety on vanha keksintö, mutta siitä puhutaan tänä päivänä yhä enemmän. Tulevaisuuden energiajärjestelmässä vety voi auttaa tasaamaan energiantuotannon ja -kulutuksen vaihteluja, ja se mahdollistaa aurinko- ja tuulivoiman lisäämisen energiajärjestelmässä.

Energian varastointi

Työssäni aurinkoteknologian asiantuntijana olen tutkinut erilaisia energian varastoinnin tapoja. On selvää, että energiaa on oltava saatavilla myös silloin, kun tuuli- tai aurinkovoimaa ei pystytä tuottamaan riittävästi. Vety on yksi ratkaisu, joka voi tarjota kausivarastointimahdollisuuden ja siten edistää energiamurrosta. Mutta miten tämä toteutetaan teknisesti, ja millaisia haasteita voi tulla eteen, kun siirrytään hypetyksestä todellisuuteen?

Vanha energianlähde

Vety on tunnettu energianlähteenä jo yli kahdensadan vuoden ajan, ja vetytalous nähdään myös yhtenä tulevaisuuden energiajärjestelmän kulmakivistä. Joustavana polttoaineena vety voi korvata maakaasun.

Vety on tärkeässä roolissa myös teollisuuden hiilestä irtautumisessa, sillä se mahdollistaa teräksen ja kemikaalien hiilipäästöttömän jalostamisen ja tuotannon sekä toisen vaihtoehdon hiilettömään liikenteeseen.

Faktalaatikko: Vedyn eri lähteet
  • Uusiutuva vety: uusiutuvilla energianlähteillä, kuten aurinko-, tuuli- tai vesivoimalla tuotettu vety (kutsutaan vihreäksi vedyksi)
  • Päästötön vety: vety, joka tuotetaan ilman CO2-päästöjä, eli uusiutuvilla tai ydinvoimalla
  • Fossiilisilla polttoaineilla tuotettu vety, jonka CO2-päästöjä vähennetään hiilen talteenotolla ja varastoinnilla (kutsutaan siniseksi vedyksi)
  • Pyrolyysin avulla tuotettu vety, jonka sivutuotteena syntyy hiilimustaa (kutsutaan turkoosiksi vedyksi)
  • Fossiilinen vety: fossiilisilla polttoaineilla kuten maakaasulla tuotettu vety, joka tuottaa CO2-päästöjä (kutsutaan harmaaksi vedyksi)

 

Aurinko- ja tuulivoima varastoon vedyn muodossa

Tänä päivänä vetyä käytetään pääasiassa kemianteollisuudessa ammoniakin ja metanolin tuotannossa sekä öljynjalostuksessa. Yli 99 prosenttia käytetystä vedystä tuotetaan reformoimalla fossiilisista polttoaineista, mikä aiheuttaa noin kaksi prosenttia maapallon vuosittaisista hiilidioksidipäästöistä.

Elektrolyysin avulla vedyn tuotantoprosessista voidaan kuitenkin saada täysin päästötön. Prosessissa vesimolekyylit hajotetaan sähkön avulla hapeksi ja vedyksi, joista jälkimmäinen varastoidaan. Tässä onkin tulevaisuuden vetypohjaisen energiantuotannon avain: kun aurinko- ja tuulivoiman tuotanto ylittää sähkön kulutuksen tarpeen, “ylimääräinen” sähkö voidaan käyttää vedyn tuottamiseen. Vety varastoidaan ja otetaan käyttöön, kun aurinko- ja tuulivoimaa ei ole saatavilla.

Vetyä voidaan käyttää polttoaineena erityisissä kaasuturbiineissa, jotka voivat tuottaa siitä sähköä. Toinen tapa on käyttää vetyä polttokennoissa, mutta tällä hetkellä tämä on kallis vaihtoehto. Puhtaan vedyn polttamisesta ei synny lainkaan päästöjä – ainut lopputuote sähkön lisäksi on vesi.

Vety tuotantokaavio
Aurinko- ja tuulivoimaa voidaan käyttää elektrolyysissä vesimolekyylien hajottamiseen hapeksi ja vedyksi. Vety voidaan varastoida ja sitä voidaan käyttää myöhemmin polttokennoissa tai kaasuturbiineissa sähkön ja lämmön tuottamiseen. Vedyn polttamisesta ei synny lainkaan hiilipäästöjä. Ainoa sivutuote energian lisäksi on vesi.

Elektrolyysin kustannukset laskevat

Uusiutuviin energianlähteisiin perustuvan vedyntuotannon kustannukset laskevat jatkuvasti, kun elektrolyysilaitteet yleistyvät ja yksikkökoot kasvavat. Tällä hetkellä koko maailman vedyntuotannossa on käytössä alle 200 megawattia elektrolyysikapasiteettia, ja suurin osa elektrolyysilaitteista on kooltaan alle yhden megawatin. Suunnitteilla on kuitenkin useita 100 megawatin hankkeita, joten tuotantokapasiteetti kasvaa nopeasti.

Optimistisimpien ennusteiden mukaan maailman energiantarpeesta jopa neljännes voitaisiin kattaa tulevaisuudessa vetyyn perustuvalla tuotannolla. Tämä edellyttäisi elektrolyysikapasiteetin valtavaa kasvua ja samalla elektrolyysilaitteiden merkittävää hinnanlaskua. Aurinko- ja tuulivoiman kustannusten jatkuva lasku johtaa myös vedyntuotannon kustannusten alenemiseen. Tällä hetkellä suurin kustannuserä elektrolyysiin perustuvassa vedyntuotannossa on sähkö.

Haasteena varastointi ja siirto

Vedyn suurimpia haasteita ovat sen kemiallisesta luonteesta johtuen varastointi ja siirto. Maanalaiset suolaesiintymät ovat lupaavimpia vedyn varastointipaikkoja. Tänä päivänä vain kuutta tällaista luolaa käytetään vedyn varastointiin koko maailmassa, mutta tuhansissa luolissa varastoidaan maakaasua. Vetyä voidaan varastoida myös kallioluoliin tai ammoniakkina, nestemäisenä vetynä tai nestemäisinä orgaanisina yhdisteinä. Pienempien määrien varastointiin soveltuvat parhaiten paineistetut säiliöt.

Paras tapa kuljettaa suuria määriä vetyä, kuten myös maakaasua, on kaasuputki. Suuren vetymäärän korkeapaineiseen siirtoon tarvittava kaasuputki on erilainen kuin maakaasun kuljetukseen käytettävä putki, mutta olemassa on jo tuhansia kilometrejä vedyn kuljetukseen soveltuvaa putkistoa eri puolilla maailmaa. Tulevaisuudessa vetyputket tehdään todennäköisesti komposiittimuoveista. Vetyä voidaan kuljettaa myös laivoilla tai rekoilla, mutta tämä on selvästi kalliimpaa kuin kaasuputkien käyttö.

Yhdistetty lämmön- ja energiantuotanto parantaa tehokkuutta

Kun vetyä tuotetaan elektrolyysillä, hyötysuhde on tällä hetkellä 60–70 prosenttia, eli noin kolmannes käytetystä sähköstä menee hukkaan lämpönä. Kun vedystätuotetaan sähköä kaasuturbiinilla tai polttokennolla, hyötysuhde on 40–55 prosenttia. Näin ollen kokonaishyötysuhde prosessissa sähköstä vedyksi ja takaisin sähköksi on 24–38 prosenttia.

Hyötysuhdetta voidaan kuitenkin parantaa ottamalla talteen elektrolyysissä syntyvä lämpö. Lämmön ja sähkön yhteistuotantovoimaloissa talteen otettua hukkalämpöä voidaan hyödyntää kaukolämpöverkoissa. Tässä tapauksessa kokonaishyötysuhde sähköstä vedyksi ja takaisin energiaksi voi olla jopa 60–80 prosenttia. Sähkön ja lämmöntuotannon lisäksi vetyä tullaan tulevaisuudessa käyttämään myös liikenteessä.

Fortum uskoo vetytalouteen

Euroopan unionin heinäkuussa julkistama kunnianhimoinen vetystrategia yhdessä kansallisten strategioiden kanssa on lupaava askel kohti vetytalouden käynnistymistä. Myös me Fortumilla uskomme, että vety tulee olemaan suuressa roolissa tulevaisuuden päästöttömässä energiajärjestelmässä, ja olemme hiljattain perustaneet vetytiimin kehittämään tapoja, joilla voimme kiihdyttää puhtaan vedyn käyttöönottoa. Fortum on liittynyt Hydrogen Europeen, joka on Euroopan merkittävin vedyn käyttöä päästöttömässä yhteiskunnassa ajava toimiala- ja tutkimusjärjestö.

Fortumin tytäryhtiö Uniper on myös järjestön jäsen ja energia-alan edelläkävijä vedyn osalta. Uniper omistaa Saksassa kaksi vedyntuotantolaitosta, yksi Hampurissa ja toinen Falkenhagenissa, missä sähköllä tuotettua vetyä voidaan myös metanoida tai siirtää sellaisenaan maakaasuverkkoon ja vähentää näin kaasunkäyttäjien päästöjä. Lisäksi Uniper on mukana lukuisissa hankkeissa Keski-Euroopassa ja Isossa-Britanniassa, joissa päästötöntä vetyä tullaan tuottamaan, varastoimaan ja käyttämään teollisuuden sekä raskaan liikenteen päästöjen vähentämiseksi.

Sen lisäksi, että vedyllä korvataan fossiilisia polttoaineita, se mahdollistaa myös puhtaan energian varastoinnin useiksi viikoiksi ja kuukausiksi kerrallaan. Energian varastointi on välttämätöntä, jotta yhteiskunnat voivat saavuttaa päästöttömyyden vaarantamatta toimitusvarmuuttaan.

Eero Vartiainen
Aurinkoteknologiapäällikkö ja aurinkosähkön pientuottaja.
Eero edustaa Fortumia ja Suomea Euroopan aurinkosähköteknologiakomiteassa.
eero.vartiainen@fortum.com

Tietolaatikko: Vety – maailmankaikkeuden yleisin alkuaine

Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, mutta maan ilmakehässä sitä on hyvin vähän. Se yhdistyy aina muihin alkuaineisiin kuten esimerkiksi maakaasussa hiileen. Vety on hyvä varastoaine, koska sillä on alkuaineista korkein energiatiheys. Se on myös kevyin, mutta vie paljon tilaa, joten käytännössä sitä varastoidaan yleensä paineistettuna. Vetyatomi on hyvin pieni. Se vuotaa helposti ja on räjähdysherkkää, joten vetyä on käsiteltävä varoen.

Vety on tunnettu energian lähteenä jo yli kaksisataa vuotta. Itse asiassa ensimmäinen polttomoottori, joka kehitettiin 1800-luvun alkupuolella, käytti polttoaineenaan vetyä. Tänä päivänä vetyä käytetään pääasiassa kemianteollisuudessa ammoniakin ja metanolin tuottamiseen sekä öljynjalostuksessa. Tällä hetkellä yli 99 prosenttia käytetystä vedystä tuotetaan fossiilisia polttoaineita reformoimalla, mikä tuottaa hiilidioksidipäästöjä.

AU11

ForTheDoers-blogi