Polttokennojen kaupallinen potentiaali Suomessa

Transkriptio

1 Aalto-yliopisto Perustieteiden korkeakoulu Susanna Nikola Polttokennojen kaupallinen potentiaali Suomessa Diplomityö Espoossa Valvoja: Professori Eila Järvenpää Ohjaajat: Jari Ihonen (TkT), Timo Keränen (DI)

2 AALTO-YLIOPISTO TEKNIIKAN KORKEAKOULUT PL 12100, Aalto DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Susanna Nikola Työn nimi: Polttokennojen kaupallinen potentiaali Suomessa Korkeakoulu: Perustieteiden korkeakoulu Laitos: Informaatioverkostojen koulutusohjelma Professuuri: Työpsykologia ja johtaminen Koodi: TU-53 Työn valvoja: Professori Eila Järvenpää Työn ohjaaja(t): Jari Ihonen (TkT), Timo Keränen (DI) Energiantarve kasvaa jatkuvasti. Fossiilisten polttoaineiden rajallinen määrä ja niiden luontoa vahingoittava vaikutus edellyttävät siirtymistä puhtaampiin ja tehokkaampiin energialähteisiin, jollaisia polttokennot ja vetyteknologia ovat. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan polttokennojen kaupallista potentiaalia ja tämän hetken polttokennosovelluksia ja niiden näkymiä Suomessa ja maailmalla. Tutkimuksessa tarkasteltavia sovelluksia ovat kannettavat, stationääriset ja liikkuvat polttokennosovellukset. Kaupallista potentiaalia Suomessa arvioidaan jo tällä hetkellä polttokennoalalla toimivien tai polttokennoalasta kiinnostuneiden toimijoiden näkökulmasta. Lisäksi arvioidaan onko arvoketjussa puutteita, jotka mahdollistaisivat täysin uuden liiketoiminnan synnyttämisen. Teoreettisen tutkimuksen avulla etsitään vastausta siihen, ovatko polttokennomarkkinat ja -toimiala houkuttelevat makro- ja mikrotasolla. Käytännön tutkimuksen avulla tarkastellaan, mitkä ovat Suomessa toimivien, toimialasta kiinnostuneiden yritysten ja muiden sidosryhmien valmiudet ja tavoitteet polttokennoteknologian kaupallistamiseen. Tutkimustuloksena on, että polttokennomarkkinat ovat laajasti tarkasteltuna houkuttelevat, sillä markkinoiden kasvu on nopeaa ja potentiaalinen koko on erittäin suuri. Suurimmat markkinat ovat Aasia, Eurooppa ja Pohjois- Amerikka. Suomessa tutkimus, kehitys ja yritysten kiinnostus on painottunut stationäärisiin sovelluksiin ja liikkuvista sovelluksista työkoneisiin. Painopiste on kuitenkin viime aikoina siirtynyt etenkin stationäärisiin sovelluksiin. Työkoneala on Suomessa vahva ja alalla on merkittäviä toimijoita, mutta polttokennoteknologia kohtaa kuitenkin vielä merkittäviä haasteita ennen kaupallistamista. Polttokennoteknologia on muun muassa tällä hetkellä liian kallista ja teknologia vaatii lisää kehitystyötä. Polttokennoja työkoneisiinsa harkitsevat yritykset seuraavat polttokennoteknologian kehitystä ja ovat mahdollisesti mukana demonstraatioissa, mutta konkreettisia suunnitelmia liiketoiminnasta lähitulevaisuudessa ei ole. Stationääriset sovellukset osoittautuivat potentiaalisimmaksi alueeksi uudelle liiketoiminnalle. Suomessa toimii jo tällä hetkellä yrityksiä stationääristen SOFC-kennostojen ja SOFC-järjestelmien kehittämiseen ja kaupallistamiseen liittyen. Polttokennojen arvoketjussa havaittiin puutetta järjestelmäintegraattoreista ja Suomessa onkin mahdollisuus uuteen liiketoimintaan PEMjärjestelmäintegroinnissa. Päivämäärä: Kieli: suomi Sivumäärä: Avainsanat: polttokenno, kaupallinen potentiaali, polttokennomarkkinat, stationäärinen sovellus, kannettava sovellus, liikkuva sovellus

3 AALTO UNIVERSITY SCHOOLS OF TECHNOLOGY PO Box 12100, FI AALTO ABSTRACT OF THE MASTER S THESIS Author: Susanna Nikola Title: Commercial Potential of Fuel Cells in Finland School: School of Science Department: Degree Programme of Information Networks Professorship: Work Psychology and Leadership Code: TU-53 Supervisor: Professor Eila Järvenpää Instructor(s): Jari Ihonen (Ph.D. (Chem. Eng)), Timo Keränen (M.Sc. (Tech)) Demand for energy continues to grow. The limited amount of fossil fuels and their damaging effect on the environment requires a shift towards cleaner and more efficient energy sources, which fuel cells and hydrogen present. This study examines the commercial potential of fuel cells and the current fuel cell applications, and their prospects in Finland and around the world. The applications reviewed in the study are portable, stationary and mobile fuel cell applications. Commercial potential in Finland is estimated in the point of view of companies already operating in the field of fuel cell or actors interested in the fuel cell sector. In addition, it is evaluated whether the value chain deficiencies, which would allow the generation of a completely new business. Theoretical research seeks to answer the question whether the fuel cell market and the business sector are attractive in the macro and micro level. Practical research examines what are capacity and objectives of companies operating in the fuel cell field in Finland, and of other interested stakeholders, towards the commercialization of fuel cell technology. The research result is that the fuel cell market is widely considered attractive, as the market is growing fast, and the potential size is very large. The largest markets are in Asia, Europe and North America. In Finland, the research, development, and corporate interest have focused on stationary and mobile machinery applications. The focus has recently shifted from working machinery to stationary applications. Working machinery industry in Finland is strong and there are major players within the field, but the fuel cell technology, however, faces significant challenges before fuel cells can be commercialized in these applications. Fuel cell technology is, among other things, currently too expensive and the technology requires further development. Companies operating in this field are mainly following fuel cell technology development and maybe participating in demonstrations, but there are not concrete plans for the business in the near future. Instead, stationary applications turned out to be a potential target area for new business. In Finland there are already companies operating within the development and commercialization of stationary SOFC stacks and SOFC systems. Fuel cell value chain was found to lack a system integrator and in Finland there is a chance to new business in PEM systems integration. Date: Language: Finnish Number of pages: Keywords: fuel cell, market potential, fuel cell market, stationary application, mobile application, portable application

4 Kiitokset Minulla on suuri joukko ihmisiä, joita haluan kiittää korvaamattomasta avusta ja inspiraation antamisesta. Erityiskiitos VTT:lle, Teknologiateollisuudelle ja työni ohjaajille Jari Ihoselle ja Timo Keräselle jatkuvasta tuesta ja asiantuntevista neuvoista. Kiitos professori Eila Järvenpäälle hyvistä ideoista ja kommenteista. Suuri kiitos kuuluu myös haastatteluihin osallistuneille yrityksille ja henkilöille. Kiitos vanhemmilleni, siskoilleni ja poikaystävälleni tuestanne, luottamuksestanne ja rakkaudestanne. Espoo, toukokuu 2013 Susanna Nikola

5 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO TUTKIMUKSEN TAUSTA TUTKIMUKSEN TAVOITE TUTKIMUSAINEISTO JA TUTKIMUSMENETELMÄT Kirjallisuuskatsaus Haastattelut DIPLOMITYÖN RAKENNE POLTTOKENNOTEKNOLOGIA POLTTOKENNOJEN TOIMINTAPERIAATE POLTTOKENNOTYYPIT HINTA POLTTOKENNOMARKKINAT MARKKINOIDEN KOKO JA KASVU POLTTOKENNOALALLA TOIMIVAT YRITYKSET IMMATERIAALIOIKEUDET (IPR) RAHOITUS MARKKINOILLE TULON HAASTEET POLTTOKENNOMARKKINAT SOVELLUKSITTAIN STATIONÄÄRISET SOVELLUKSET Yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto (CHP) Häiriötön sähkönsyöttö (UPS) KANNETTAVAT POLTTOKENNOSOVELLUKSET Lelut ja opetussetit Kannettava elektroniikka Kannettava APU Militaarisovellukset LIIKKUVAT SOVELLUKSET AJONEUVOT Bussit Työkoneet Lisävoima liikkuvissa sovelluksissa POLTTOAINEET VETY NATRIUMBOORIHYBRIDI METANOLI JA ETANOLI MAAKAASU TULOKSET SUOMESSA TOIMIVIEN YRITYSTEN POLTTOKENNOTOIMINTA JA NÄKEMYKSET POLTTOKENNOISTA Sovellukset Vaihtoehtoiset sovellukset Hyödyt Ongelmat Polttoaineet ja infrastruktuuri Markkinoiden koko Polttokennoihin liittyvän toiminnan konkreettinen taso ja suunnitelmat yrityksissä Toimittajat Kilpailu Verkostoituminen Osaamisen taso yrityksessä... 67

6 Teknologian seuranta Immateriaalioikeudet Poliittiset tekijät UUDEN LIIKETOIMINNAN ARVIOIMINEN Polttokennomarkkinoiden analyysi Polttokennoalan analyysi YHTEENVETO JA POHDINTAA LÄHDELUETTELO LIITE I: POLTTOKENNOJEN TOIMITUSMÄÄRÄT LIITE II: HAASTATTELURUNKO

7 KUVALUETTELO Kuva 1. Polttokennoalan arvoketju... 4 Kuva 2. Polymeeripolttokennon (PEMFC) toimintaperiaate... 6 Kuva 3. Yksikkökennoista muodostuva polttokennosto... 7 Kuva 4. PEM-polttokennon kustannusrakenne... 9 Kuva 5. Polttokennojärjestelmien liikevaihto sovelluksittain maailmanlaajuisesti , sekä ennuste vuodelle Kuva 6. Polttokennojen toimitusmäärät jaoteltuna liikkuviin, stationäärisiin ja kannettaviin sovelluksiin Kuva 7. Toimitetut megawatit jaoteltuna liikkuviin, stationäärisiin ja kannettaviin sovelluksiin Kuva 8. Markkinat alueittain toimitusmäärien ja toimitettujen megawattien perusteella15 Kuva 9. Pörssiyhtiöiden bruttotulot aikavälillä Kuva 10. Stationääristen sovellusten toimitusmäärät Kuva 11. Stationääristen sovellusten toimitettujen megawattien määrät Kuva 12. Vertailu eri UPS-järjestelmien (akkugeneraattori, PEMFC ilman verokannustimia, PEMFC verokannustimilla) kokonaishinnoista eri käyttöajoilla (8, 52, 72 ja 176 tuntia) Kuva 13. PEM-polttokennojen markkinoille tulo Yhdysvalloissa eräässä potentiaalisessa niche-sovelluksessa, eli varavoimana hätäkeskuksen kommunikaatiotorneissa Kuva 14. Kannettavien sovellusten toimitusmäärät Kuva 15. Kannettavien sovellusten toimitettujen megawattien määrät Kuva 16. Liikkuvien sovellusten toimitusmäärät Kuva 17. Liikkuvien sovellusten toimitettujen megawattien määrät Kuva 18. Porterin viiden kilpailuvoiman malli... 82

8 TAULUKKOLUETTELO Taulukko 1. Polttokennotyyppien ominaisuudet... 8 Taulukko 2. Vertailu APU-sovelluksista, 5 kw huipputeho, 4 kwh keskiteho 10 tunnin aikana Taulukko 3 Kannettavien polttokennosovellusten SWOT-analyysi Taulukko 4 Stationääristen polttokennosovellusten SWOT-analyysi Taulukko 5 Liikkuvien polttokennosovellusten SWOT-analyysi Taulukko 6 Uusien toimijoiden muodostama uhka Taulukko 7 Ostajien neuvotteluvoima Taulukko 8 Toimittajien neuvotteluvoima Taulukko 9 Korvaavien tuotteiden tai palveluiden uhka Taulukko 10 Jo toimivien yritysten välinen kilpailu Taulukko 11 Yhteenveto toimialan houkuttelevuudesta Porterin mallin perusteella... 89

9 LYHENTEET AFC APU BOP CHP FCEV IPR MCFC PAFC PEMFC SOFC TCO UPS Alkalipolttokenno Lisävoima Oheislaitteisto Yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto Polttokennoauto Immateriaalioikeudet Sulakarbonaattipolttokenno Fosforihappopolttokenno Polymeerielektrolyyttikalvopolttokenno Kiinteäoksidipolttokenno Omistamisen aikaiset kokonaiskustannukset Häiriötön sähkönsyöttö

10

11 1 JOHDANTO 1.1 Tutkimuksen tausta Energiantarve kasvaa jatkuvasti. Fossiilisten polttoaineiden rajallinen määrä ja niiden luontoa vahingoittava vaikutus edellyttävät siirtymistä puhtaampiin ja tehokkaampiin energialähteisiin, jollaisia polttokennot ja vetyteknologia edustavat. Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka tuottavat sähköä. Reaktiossa vety ja happi yhdistyvät ja sähkön lisäksi muodostuu vettä ja lämpöä. Toisin kuin paristot, polttokennot tuottavat niin kauan virtaa kun vain polttoainetta säiliössä riittää. Polttokennot eivät polta polttoainetta, joten prosessi on hiljainen, päästötön sekä tehokas. Polttokennosysteemi on täysin puhdas energianlähde, jos myös vety tuotetaan päästöttömästi. (Fuel Cell Finland Industry Group 2013, Teräsvirta 2010.) Polttokennot auttavat erilaisiin energiatavoitteisiin pääsemisessä ja ilmastonmuutoksen ehkäisemisessä. Polttokennojen avulla voidaan päästä vähähiilisyyteen monilla eri sovellusalueilla, kuten energia-alalla ja liikenteessä (JRC Scientific and Technical Reports 2011). Monet eri polttokennotyypit mahdollistavat polttokennojen käytön laajalti eri sovelluksissa. Polttokennotyypistä riippuen polttoaineena voidaan käyttää vedyn lisäksi muitakin vetyrikkaita polttoaineita, kuten maakaasua. Polttokennosovellusten tehot voivat olla aina mikrowateista megawatteihin. Polttokennomarkkinat jaetaan yleisesti kolmeen eri segmenttiin, jotka ovat stationääriset, kannettavat ja liikkuvat sovellukset. Stationäärisiä sovelluksia ovat polttokennovoimalaitokset, yhdistetyt sähkön- ja lämmöntuotantolaitokset ja varavoimasovellukset. Liikkuvia sovelluksia ovat ajoneuvot, bussit, työkoneet ja erikoisajoneuvot. Kannettaviin sovelluksiin kuuluvat kulutuselektroniikka, kannettava lisävoima, militaarisovellukset sekä lelut ja opetussetit. Näissä kaikissa segmenteissä on jo otettu ensi askeleet kaupallistamista kohti. (Breakthrough Technologies Institute 2012, RNCOS 2013.) Vetyteknologian tutkimus ja demonstraatiot sekä jakeluinfrastruktuurin rakentaminen ovat tällä hetkellä merkittävässä vaiheessa. Tutkimustyötä tehdään sekä tutkimuslaitoksissa että yrityksissä ympäri maailmaa, edelläkävijöitä ovat Yhdysvallat, Kanada, Japani ja Eurooppa. Eräs merkittävä tekijä polttokennoteknologian mahdollisessa yleistymisessä on kansainvälisen autoteollisuuden suunnitelma tuoda polttokennoautoja myyntiin 1

12 keskeisillä kuluttajamarkkina-alueilla vuonna (Fuel Cell Finland Industry Group 2013, Teräsvirta 2010, Kauranen ja muut 2013.) Teknologiateollisuus on erittäin tärkeä Suomelle ja vienti on vahvaa monella eri alalla, etenkin energiateknologiassa. Tämä diplomityö tehdään toimeksiantona VTT:lle osana DuraDemo-projektia, jonka tavoitteena on polymeeripolttokennoteknologian kestävyyden todentaminen työkoneissa ja sähköntuotantosovelluksissa. DuraDemon tavoitteena on tukea teollisuuden Demo2013 kokeilualustahanketta, joka on osa Tekesin Polttokennot-ohjelmaa. Demo2013-hanketta hallinnoi Teknologiateollisuus ry ja etenemistä seuraa polttokennot-toimialaryhmä. Polttokennot-ohjelma toteutetaan vuosina Tutkimuksen tavoite Tässä tutkimuksessa tutustutaan polttokennojen kaupalliseen potentiaaliin ja tämän hetken polttokennosovelluksiin ja niiden näkymiin Suomessa ja maailmalla. Työssä tarkasteltavia sovelluksia ovat kannettavat, stationääriset ja liikkuvat polttokennosovellukset. Tutkimuksen painopisteenä ovat sovellukset, joiden merkityksen arvioidaan olevan suurin suomalaiselle teollisuudelle, kuitenkaan rajaamatta pois muita sovelluksia. Suomessa tutkimus- ja kehitystyö on keskittynyt pitkälti stationäärisiin polttokennosovelluksiin energiantuotannossa, polttokennoihin työkoneiden voimanlähteinä sekä kannettaviin polttokennosovelluksiin. Myös ajoneuvoteollisuus on maailmanlaajuisesti merkittävä suunnannäyttäjä polttokennoteknologian kehityksessä, joten tämä on hyvä ottaa mukaan tarkasteluun vaikka Suomessa ei olekaan varteenotettavia alan toimijoita. Työssä selvitetään polttokennoteknologian kaupallinen potentiaali Suomessa jo tällä hetkellä polttokennoalasta kiinnostuneiden toimijoiden näkökulmasta. Lisäksi arvioidaan onko arvoketjussa puutteita, jotka mahdollistaisivat täysin uuden liiketoiminnan synnyttämisen. Tutkimuksen tavoitteiden saavuttamiseksi tutkimuksessa etsitään vastauksia seuraaviin tutkimuskysymyksiin: Ovatko polttokennomarkkinat ja -toimiala houkuttelevia makroja mikrotasolla? Mitkä ovat Suomessa toimivien, toimialasta kiinnostuneiden yritysten ja muiden sidosryhmien valmiudet ja tavoitteet polttokennoteknologian kaupallistamiseen? Diplomityötä kirjoitettaessa polttokennoihin liittyvää suomenkielistä aineistoa on olemassa vain vähän. Tämän takia tutkimuksen tärkeänä tavoitteena on myös suomenkielisen polttokennotiedon tuottaminen kattavasti. 2

13 1.3 Tutkimusaineisto ja tutkimusmenetelmät Kirjallisuuskatsaus Kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on luoda yhteenveto polttokennomarkkinoista tämänhetkisen kirjallisuuden perusteella. Kirjallisuuskatsauksessa hyödynnetään sekundääristä tietoa. Sekundäärinen tieto on jo olemassa olevaa tietoa; tutkimuksessani hyödynnetään muun muassa tieteellisiä julkaisuja, opinnäytetöitä, kirjoja ja markkinatutkimuksia. Aineistoa kerättiin laajalti muun muassa eri tietokannoista ja Google Scholarista. Kirjallisuuskatsauksen avulla selvitetään polttokennomarkkinoiden ja -toimialan houkuttelevuutta makrotasolla. Analyysissa käytetään kvalitatiivista tietoa, koska kvantitatiivista tietoa ei ole riittävän luotettavasti saatavilla, sillä erittäin epävarmassa ympäristössä tai nopeasti muuttuvassa ympäristössä arvioiden tarkkuus voi olla erittäin kyseenalainen (Schilling 2005). Lisäksi kvalitatiivinen tieto vastaa parhaiten tutkimusongelmaan Haastattelut Tutkimuksessa haastateltiin Suomessa toimivien, toimialasta kiinnostuneiden yritysten ja muiden sidosryhmien valmiuksien ja tavoitteiden sekä toiveiden selvittämiseksi. Haastatteluissa kerättiin primääristä tietoa. Primäärinen tieto tarkoittaa tietoa, joka kerätään tutkimuksen kohteilta tässä tapauksessa haastatteluilta yritysten tai organisaatioiden edustajilta. Primäärisen tiedon keräämisessä on kaksi eri vaihtoehtoa; määrällinen tai laadullinen tieto. Tässä tutkimuksessa hyödynnetään laadullista lähestymistapaa, sillä se tarjoaa aiheeseen syvällisemmän näkökulman. Lisäksi polttokennoalasta kiinnostuneiden yritysten ja organisaatioiden määrä on melko rajallinen Suomessa, jolloin määrällisen tutkimuksen toteuttaminen ei ole mahdollista. Laadullinen lähestymistapa on myös työn toimeksiantajan toivoma lähestymistapa. Primääristä tietoa käytetään markkinoiden ja toimialan analysointiin mikrotasolla. Kuva 1 esittää polttokennoalan arvoketjun (muokattu Fuel Cell Finland Industry Group 2013). Haastatteluun pyydettiin osallistumaan yrityksiä arvoketjun eri osista. Tarkastelussa on mukana kannettavien, liikkuvien ja stationääristen sovellusten arvoketjut. Haastatteluihin pyydettiin polttokennojen kehittäjiä, yrityksiä jotka harkitsevat polttokennojen käyttämistä tuotteissaan ja yrityksiä jotka ovat kiinnostuneet olemaan mukana 3

14 arvoketjussa. Haastatellut henkilöt ovat omalta osaltaan mukana yrityksensä polttokennoihin liittyvän liiketoiminnan seurannassa, suunnittelussa tai toteutuksessa. Useat haastatteluun osallistuneet henkilöt työskentelevät asiantuntijoina yrityksensä tutkimus- ja kehitysosastolla. Polttoaine ja infrastruktuuri Materiaalit ja komponentit Systeemikehitys ja integrointi Sovellusten kehitys ja valmistus Tuotteiden jakelu Loppukäyttö ja elinkaareen liittyvät palvelut Kuva 1. Polttokennoalan arvoketju (muokattu Fuel Cell Finland Industry Group 2013) Polttokennoalalla toimivien ja alasta kiinnostuneiden yritysten määrä on Suomessa tällä hetkellä pieni. Lähtökohtaisesti kaikkia edellä mainittuja yrityksiä pyydettiin mukaan haastatteluihin. Haastattelut toteutettiin yritysvierailuina maalis-huhtikuussa Tutkimuksessa haastateltiin 11 yrityksen edustajaa. Haastatteluihin osallistuneet yritykset ovat Cargotec Oyj, Convion Oy, Elcogen AS, Gasum Oyj, Konecranes Oy, Outokumpu Oyj, Patria Oy, Sandvik Mining and Construction Oy, StoraEnso Oyj, Woikoski Oy ja Kemira Oyj. Haastattelut toteutettiin teemahaastatteluna, jonka teemat on esitetty liitteessä 1. Haastattelut nauhoitettiin ja kirjoitettiin puhtaaksi analyysia varten. 1.4 Diplomityön rakenne Kappaleessa 2 esitetään yleiskatsaus polttokennoteknologiaan. Ensin esitellään lyhyesti polttokennon toimintaperiaate ja tämän jälkeen esitellään tärkeimmät polttokennotyypit ja polttokennon hintaan vaikuttavia tekijöitä. Kappaleessa 3 tarkastellaan polttokennomarkkinoita makrotasolla. Tärkeimpiä tarkasteltavia tekijöitä ovat markkinoiden koko ja kasvu. Lisäksi tutkitaan polttokennoalalla toimivien yritysten kannattavuutta, polttokennoihin liittyviä immateriaalioikeuksia sekä rahoitusta ja markkinoille tulon haasteita. Kappaleessa 4 analysoidaan polttokennomarkkinoita mikrotasolla, eli eri segmenttien houkuttelevuutta polttokennosovelluksittain. Tarkasteltavia sovelluksia ovat stationääriset, kannettavat ja liikkuvat sovellukset. Polttokennoissa yleisesti käytettäviä polttoaineita esitellään kappaleessa 5. Kappaleessa 6 esitellään tutkimuksen tulokset. Ensin käsitellään haastattelututkimuksen tulokset teemoittain. Teemoja ovat muun muassa: tarkastellut polttokennosovellukset, vaihtoehtoiset sovellukset, sovelluksien hyödyt ja ongelmat, polttoaine ja infrastruktuuri ja markkinoiden koko. Haastattelujen perusteella tehdäään myös yhteenveto 4

15 polttokennoihin liittyvän liiketoiminnan konkreettisesta tasosta yrityksissä sekä tulevaisuuden suunnitelmista polttokennoihin liittyen. Tarkastelussa ovat myös alalla vallitseva kilpailu, toimittajat, verkostoituminen, osaamisen taso, poliittiset tekijät, immateriaalioikeudet ja teknologian seuranta. Tuloksissa esitetään myös haastattelujen ja kirjallisuuskatsauksen perusteella arviointi polttokennoihin liittyvän uuden liiketoiminnan aloittamisesta, eli laaditaan polttokennomarkkinan ja toimialan arviointi sekä mikro- että makrotasolla. Kappaleessa 7 on yhteenveto ja pohdintaa. 5

16 2 POLTTOKENNOTEKNOLOGIA 2.1 Polttokennojen toimintaperiaate Polttokennot koostuvat kahdesta elektrodista (anodi ja katodi) sekä elektrolyytistä. Vety syötetään anodille, jossa se hajoaa protoneiksi ja elektroneiksi. Protonit kulkeutuvat elektrolyytin läpi katodille. Elektronit kulkeutuvat ulkoisen virtapiirin kautta katodille, jolloin syntyy sähkövirta. Katodilla protonit ja elektronit reagoivat katodille syötetyn hapen kanssa muodostaen vettä. Samalla vapautuu myös lämpöä. (Larminie ja Dicks 2003.) Polttokennoja on monia erilaisia. Näistä on kerrottu tarkemmin alakappaleessa 2.2 Polttokennotyypit. Kuva 2 esittää yleisesti käytetyn polymeeripolttokennon (PEMFC) toimintaperiaatteen. Yhden kennon jännite on melko matala, joten yksikkökennoja kytketään useita sarjaan ja muodostuu polttokennosto (Larminie ja Dicks 2003). Kuva 3 esittää polttokennoston. Kuva 2. Polymeeripolttokennon (PEMFC) toimintaperiaate (muokattu Mikkola 2002) 6

17 Kuva 3. Yksikkökennoista muodostuva polttokennosto (Mikkola 2002) Polttokenno tarvitsee toimiakseen myös monia oheislaitteita. Oheislaitteistoa kutsutaan nimellä BOP (engl. Balance of Plant). Oheislaitteistoon kuuluu polttoaineen ja hapettimen syöttöjärjestelmät, tehonsäätöyksikkö, vesikierto ja lämmönvaihtimet. Lisäksi ohjaukseen tarvitaan antureita ja toimilaitteita. (Teräsvirta 2010.) 2.2 Polttokennotyypit Polttokennotyypit jaotellaan elektrolyytin eli varauksen kuljettajan mukaan. Tärkeimmät tyypit ovat fosforihappopolttokenno (PAFC), polymeerielektrolyyttikalvopolttokenno (PEMFC), alkalipolttokenno (AFC), sulakarbonaattipolttokenno (MCFC) ja kiinteäoksidipolttokenno (SOFC). Taulukko 1 esittää näiden polttokennotyyppien tärkeimmät ominaisuudet. (Basu 2007.) 7

18 Taulukko 1. Polttokennotyyppien ominaisuudet (muokattu Teräsvirta 2010, Basu 2007) PEMFC SOFC PAFC MCFC pääasialliset sovellukset kannettavat, liikenne ja voimalaitos voimalaitos ja varavoima voimalaitos voimalaitos elektrolyytti polymeerimembraani Yttriumstabiloitu zirkonidioksidi väkevä fosforihappo sulakarbonaatti LiAlO2 käyttölämpötila C C C C varauksenkuljettaja H + O 2- H + CO 3 2- katalyytti platina useita platina nikkeli pääasiallinen polttoaine H 2 H 2, CO H 2, CO, CH 4 H 2, CO, CH 4 käynnistysaika alle minuutti tunteja tunteja tunteja tehotiheys (kw/m 3 ) 3,8-6,5 0,1-1,5 0,8-1,9 1,5-2,6 hyötysuhde 50 60% 55 65% 55 % 55 65% edut haitat valmistajia Kiinteä elektrolyytti Nopea käynnistyminen Suuri tehotiheys Kallis katalyytti Herkkä epäpuhtauksille Matala käyttölämpötila Ballard Nedstack Edulliset katalyytit Sisäinen reformointi Tiivistysongelmia Hidas käynnistyminen Bloom Energy Siemens Energy Kestää epäpuhtauksia Korkealaatuinen hukkalämpö Kallis katalyytti Painava UTC Power Fuji Electric Korkea hyötysuhde Sisäinen reformointi Alhainen tehontiheys Korroosioongelmia Hidas käynnistyminen Ansaldo FC CFC Solutions FuelCell Energy PEMFC soveltuu parhaiten sovelluksiin, joiden tarvitsee käynnistyä nopeasti. Tällaisia sovelluksia ovat esimerikiksi ajoneuvosovellukset, nopeasti käynnistyvä varavoima (UPS), hajautettu energiantuotanto ja kannettava elektroniikka. SOFC ja MCFC soveltuvat hyvän hyötysuhteensa ja lämpöenergian tuotantonsa takia voimalaitoksiin, 8

19 hajautettuun energiantuotantoon, yhdistettyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon ja APU yksiköihin. (Halinen 2007.) 2.3 Hinta Polttokennojen kaupallistumiseen vaikuttaa merkittävästi polttokennoteknologian hinta verrattuna muihin energiantuotantomuotoihin. Ympäristöystävällisyys ja korkea hyötysuhde ovat myyntivaltteja, mutta hinta on usein kuitenkin tärkein tekijä. Polttokennoteknologioiden kehitys on tällä hetkellä niin nopeaa, että hintakehityksen arvioiminen on vaikeaa. Polttokennoyksikön kannattavuuteen vaikuttavat myös sähkön ja lämmön hinta, polttoaineen hinta, rahoituskorko ja valuuttamarkkinat. Elinikä ja tehon aleneminen ovat myös merkittäviä taloudellisia tekijöitä, jotka tulee ottaa huomioon. (Basu 2007.) Polttokennoyksikössä tarvitaan oheislaitteistoa, joiden kustannukset riippuvat pääosin tuotantomääristä. Polttokenno on järjestelmän kallein osa ja siinä hinnanalennuksen potentiaali on merkittävin. Hintaa voidaan alentaa esimerkiksi eri valmistusmenetelmillä, halvemmilla katalyyteilla ja katalyyttimäärän vähentämisellä. Kuva 4 esittää PEMpolttokennon kustannusrakenteen. (Basu 2007.) Kokoaminen 4 % OheislaiSeet 5 % PlaTna 10 % PEM 11 % Bipolaarilevyt 38 % Elektrodit 32 % Kuva 4. PEM-polttokennon kustannusrakenne (muokattu Basu 2007) 9

20 Yleensä teollisuudessa investointipäätöksiä tehdään kolmen tunnusluvun pohjalta: takaisinmaksuaika, investoinnin nykyarvo ja sisäinen korkokanta. Jotta investointi on kannattava, tulee takaisinmaksuajan olla riittävän lyhyt, ainakin alle odotetun eliniän ja mielellään alle 10 vuotta. Kannattavan investoinnin sisäisen korkokannan tulisi olla suurempi kuin käytetty laskentakorkokanta. Nykyarvon tulisi olla positiivinen. Investointituki parantaa polttokennojen kannattavuutta. Suomessa Työ- ja elinkeinoministeriö myöntää energiatukea ilmasto- ja ympäristömyönteisiin investointihankkeisiin. (Neilimo ja muut 2005, Työ- ja elinkeinoministeriö 2013.) 10

21 3 POLTTOKENNOMARKKINAT 3.1 Markkinoiden koko ja kasvu Panostus polttokennoihin on erittäin suurta ja polttokennomarkkinat kasvavat nopeasti. Edistyvä tutkimus ja kehitys, sekä polttokennon hinnan lasku kasvattavat markkinoita. Autoteollisuuden huomattava panostus polttokennoteknologiaan, nanoteknologian kehitys ja monet potentiaaliset polttokennosovellukset edistävät markkinoita. Polttokennosovellusten toimitusmäärien ennustetaan kasvavan maailmanlaajuisesti 15 % CAGR (kertyvä vuotuinen kasvuprosentti) aikavälillä (RNCOS 2013.) Department of Energy (DOE 2010) arvioi, että polttokennomarkkinoiden kypsyys saavutetaan vuodessa. Tällöin maailmanlaajuinen liikevaihto olisi miljardia dollaria vuosittain. Tämä jakautuisi sovelluksittain seuraavasti: stationääriset sovellukset miljardia dollaria vuosittain, kannettavat 11 miljardia dollaria vuosittain ja liikkuvat miljardia dollaria vuosittain. McKinseyn (2010) tutkimuksen mukaan laajamittainen vetyautojen markkinoille tulo edellyttää EU:ssa miljardin euron investoinnit vuoteen 2020 mennessä. Vuoteen 2050 mennessä investointeja vaadittaisiin 100 miljardia euroa (McKinsey 2010). Polttokennomarkkinoiden kokonaisliikevaihto vuonna 2012 oli yli 1 miljardi dollaria. Vuonna 2013 kokonaisliikevaihdoksi ennustetaan yli 2 miljardia dollaria. Merkittävimmän osan liikevaihdosta muodostavat stationääriset sovellukset. Kuva 5 esittää polttokennojärjestelmien liikevaihdon sovelluksittain maailmanlaajuisesti vuosina (Navigant Research 2013.) 11

22 Kuva 5. Polttokennojärjestelmien liikevaihto sovelluksittain maailmanlaajuisesti , sekä ennuste vuodelle 2013 (muokattu Navigant Research 2013) Polttokennojen markkinoille tulossa on todennäköistä, että lähitulevaisuudessa lisääntyvät ensin pienet kannettavat sovellukset, niiden perässä seuraavat kotitalouksiin ja rakennuksiin tarkoitetut sähkön- ja lämmöntuotantojärjestelmät, varavoima, bussit ja tämän jälkeen muut ajoneuvot. Kumulatiiviset investoinnit polttokenno- ja vetyteknologioihin olivat vuosina maailmanlaajuisesti 630 miljoonaa dollaria, josta 578 miljoonaa pelkästään polttokennoihin. Viimeaikainen tutkimus polttokennojen lyhyen ja pitkän aikavälin markkinapotentiaalista arvioi, että globaalit vety- ja polttokennomarkkinat voivat saavuttaa kypsyyden seuraavan vuoden aikana. Tällä ajanjaksolla maailmanlaajuinen liikevaihto olisi miljardia USD vuosittain. Arvio liikevaihdosta eri sovelluksittain on: stationääriset sovellukset miljardia USD vuosittain, kannettavat sovellukset 11 miljardia USD vuosittain ja liikkuvat sovellukset miljardia dollaria vuosittain. Kasvava liikevaihto ja investoinnit lisäävät myös työpaikkojen määrää merkittävästi. (JRC Scientific and Technical Reports 2011, Department of Energy 2010.) Polttokennomarkkinoilla on tapahtunut viime vuosina monia merkittäviä kehitysaskeleita. Suurten stationääristen polttokennojärjestelmien toimitukset kasvoivat merkittävästi vuonna 2011, kotitalouksiin toimitettujen pien-chp-järjestelmien toimitusten kasvu jatkui sekä kannettavien polttokennojen sektorissa tapahtui pitkään odotettu kolmen uuden kuluttajakäyttöön tarkoitetun laturin lanseeraus. Markkinat kasvoivat merkittä- 12

23 västi etenkin työkonealalla, jossa haarukkatrukkeja oli käytössä tai tilattuna 3000 kappaletta Yhdysvalloissa vuonna (Fuel Cell Today 2012.) Kuva 6 esittää polttokennojen toimitusmäärien kasvun sovelluksittain vuosina sekä ennusteen vuodelle Kuva 7 esittää polttokennoilla tuotettujen megawattien määrän kasvun samalla aikavälillä. Polttokennojen myynti kasvoi maailmanlaajuisesti % ja %. Toimitusmäärä oli yksikköä vuonna Kasvu jatkuu vuonna 2012 ja Fuel Cell Today (2012) ennustaa edellisvuoden määrä kolminkertaistuvan yksikköön vuonna Toimitetuissa megawateissa kasvu oli 20 % vuonna 2011 ja ylitti ensimmäistä kertaa yli 100 MW. Tuotettujen megawattien määrän ennustetaan kasvavan 61 % vuonna 2012, arvoon 176 MW. Riskipääoman ja yksityisen pääoman investoinnit polttokennoihin kasvoivat maailmanlaajuisesti välillä 276 %. Samalla aikavälillä Yhdysvalloissa riskipääoman ja yksityisen pääoman investoinnit polttokennoteknologiaan kasvoivat 553,5 %. (Breakthrough Technologies Institute 2012, Fuel Cell Today 2012.) Liikkuvat StaTonääriset KanneSavat ennuste Kuva 6. Polttokennojen toimitusmäärät jaoteltuna liikkuviin, stationäärisiin ja kannettaviin sovelluksiin (muokattu Fuel Cell Today 2012) 13

24 Liikkuvat StaTonääriset KanneSavat ennuste Kuva 7. Toimitetut megawatit jaoteltuna liikkuviin, stationäärisiin ja kannettaviin sovelluksiin (muokattu Fuel Cell Today 2012) Battellen tutkimus määritteli 36 mahdollista lyhyen ja pitkän aikavälin markkinasegmenttiä PEM-polttokennoille kokoluokassa kw sekä analysoi näistä kolmen potentiaalisimman lyhyen aikavälin sovelluksen markkinoita ja taloudellisia tekijöitä. Lupaavimmiksi sovelluksiksi polttokennoille tässä tutkimuksessa osoittautuivat erikoisajoneuvot ja varavoima. Näihin sovelluksiin vaadittavat PEM-polttokennosysteemit ovat jo kaupallisesti saatavilla. Nämä sovellukset tarjoavat myös monia etuja muihin ratkaisuihin nähden, kuten pienemmät päästöt, pidemmät toiminta-ajat sekä matalammat toiminta- ja ylläpitokustannukset. (Mahadevan ja muut 2007.) Maantieteellisesti merkittävimmät polttokennomarkkinat sijaitsevat Aasiassa, Pohjois- Amerikassa ja Euroopassa. Kuva 8 esittää toimitusmäärien ja toimitettujen megawattien alueellisen jakautumisen vuosina Aasia toimittaa eniten polttokennosysteemejä, vuonna 2011 toimitusmäärä oli yksikköä, joka vastaa 69 % globaaleista markkinoista. Energiaa tuotetaan polttokennoilla eniten Pohjois-Amerikassa, jossa vuonna 2011 tuotettu määrä oli 59,6 MW, mikä vastaa 50 % polttokennojen kokonaisenergiantuotannosta. Aasia on toisena tuottamalla 36 % polttokennoilla tuotetusta energiasta. (Fuel Cell Today 2012.) 14

25 Kuva 8. Markkinat alueittain toimitusmäärien ja toimitettujen megawattien perusteella (muokattu Fuel Cell Today 2012) Polttokennot tarjoavat merkittävän vaikutuksen globaaliin markkinatalouteen, sillä ala voi luoda kymmeniätuhansia hyvätasoisia työpaikkoja monelle eri alalle, kuten terästeollisuuteen, energiantuotantoon sekä ajoneuvo- ja kuljetusalalle. Arvioidaan, että Suomessa siirtyminen raakaöljypohjaisista polttoaineista maakaasupohjaiseen vetyyn tarjoaisi miljardiluokan säästöpotentiaalin vaihtotaseeseen. Markkinoiden arvon Euroopassa arvioidaan olevan 100 miljardia euroa vuoteen 2050 mennessä. (Gevorkian 2006, Kauranen ja muut 2013.) Polttokennoala on pitänyt toistaiseksi melko matalaa profiilia Suomessa. Tämä ei johdu aktiivisuuden puutteesta, vaan huolellisesta ja systemaattisesta lähestymistavasta kaupallisten tuotteiden kehittämiseen. Suomalainen näkökulma innovaatioihin on, että vie aikaa ennen kuin uudet tuotteet voidaan tuoda markkinoille tarpeeksi pitkälle kehitettyinä. Polttokennoihin liittyvä tutkimus- ja kehitystyö on vahvaa Suomessa ja demonstraatioiden tarkoituksena on osoittaa teknologian toimivuus käytännössä. (FuelCellToday 2012.) 3.2 Polttokennoalalla toimivat yritykset Polttokennoalalla toimivien yritysten kannattavuus on huono ja monet yritykset tuottavat edelleen merkittäviä tappioita. Vuonna 2012 alle viisi yritystä myi polttokennojärjestelmiä voitolla, näistä yksikään ei kuitenkaan ollut kokonaistuloksessaan voitollinen. Osa yrityksistä kuitenkin lähestyy kannattavuutta myynnin kasvaessa. Ennusteen mukaan vuonna yritystä myy järjestelmiä voitolla ja ensimmäinen yritys saavuttaa 15

26 kannattavuuden. Kannattavuus on lisääntynyt erityisesti suurtuotannon etujen sekä kustannusleikkausten takia. Polttokennosysteemien ja komponenttien hinnat sekä vedyn tuotannon ja jakelun kustannukset ovat pienentymässä. (Navigant Research 2013, Breakthrough Technologies Institute 2012.) Polttokennoalalla toimivia pörssiyhtiöitä ovat muun muassa Ballard Power Systems, FuelCell Energy, Hydrogenics Corporation ja Plug Power. Kuva 9 esittää näiden pohjoisamerikkalaisten pörssiyhtiöiden bruttotulot (muokattu Breakthrough Technologies Institute 2012, liite 1) BruDotulot (tuhada USD) Ballard Power Systems Fuel Cell Energy Hydrogenigs Corp. Plug Power Kuva 9. Pörssiyhtiöiden bruttotulot aikavälillä (muokattu Breakthrough Technologies Institute 2012) Muita alalla toimivia pörssiyhtiöitä ovat Ceramic Fuel Cells Limited, Inc, ITM Power, Panasonic, SFC Energy AG, Toshiba ja UTC Power. Ei-julkisia osakeyhtiöitä ovat Bloom Energy, ClearEdge Power, Horizon Fuel Cell Technologies, IdaTech, Intelligent Energy, Microcell Corporation, Nedstack, Nuvera Fuel Cells, Oorja Protonics, ReliOn Inc ja Ultra Electronics. Lähes kaikilla suurimmilla autovalmistajilla on myös käynnissä polttokennoprojekti. Autovalmistajista mukana ovat Daimler AG, General Motors, Honda, Hyundai Motor Company ja Toyota Motor Co., Ltd. (Breakthrough Technologies Institute 2012.) 16

27 Polttokennoalalla toimivien yritysten liikevaihto muodostuu polttokennojen sekä niihin liittyvien laitteiden myynnistä, palvelu- ja huoltosopimuksista sekä tutkimus- ja kehitystyöstä. Viimeaikainen kehityssuunta etenkin stationäärisovellusten markkinasegmentissä on ollut liikevaihdon muodostaminen sähkön (ja lämmön) myynnistä. Tällöin yrityksen ja asiakkaan välille muodostetaan sopimus, jossa asiakas ostaa polttokennon tuottaman sähkön (sekä mahdollisesti myös lämmön) tietyn aikaa ja tietyllä hinnalla. Polttokennon omistajuus säilyy yrityksellä ja yritys hoitaa myös huollon ja ylläpidon. (Breakthrough Technologies Institute 2012.) Esimerkiksi Saksan pien-chp-laitoksiin keskittyvässä Callux projektissa toimitaan juuri näin. Tällä hetkellä pien-chp-laitoksia on projektin puitteissa asennettu kappaletta. (Callux 2012.) 3.3 Immateriaalioikeudet (IPR) Immateriaalioikeuksiin (IPR, engl. intellectual property rights) kuuluvat patentit, tavaramerkit ja tekijänoikeudet. IPR on merkittävässä roolissa yritysten kehitystyössä ja yhteistyökumppanin valinnassa. Puhtaille energiatekniikoille myönnettävien patenttien määrä on merkittävässä kasvussa ja myös polttokennoala on äärimmäisen IPR- intensiivinen. Polttokennoille myönnettyjen patenttien määrä on suurempi kuin minkään muun uusiutuvan energiatekniikan. Polttokennoihin liittyvien patenttien määrän suuri kasvu vuosina johtuu samaan aikaan tapahtuneesta polttokennoalan voimakkaasta kasvusta. Polttokennoille myönnettiin 950 uutta patenttia vuonna Toiseksi eniten patentteja myönnettiin aurinkovoimalle, jolle myönnettyjen patenttien määrä oli 550. Myönnettyjen patenttien määrä mittaa paitsi uuteen energiatekniikkaan liittyvän innovaation määrää, myös tutkimuksen ja kehityksen menestystä. Toisaalta suuri patenttien määrä saattaa vaikeuttaa toimintaa markkinoilla, sillä vaarana ovat patenttirikkomukset. (Breakthrough Technologies Institute 2012.) Ajoneuvoteollisuus ja tietyt maat ovat selvästi hallitsevia patenttien määrissä. Ajoneuvoteollisuudella on huomattavat määrät patentteja, mikä johtuu valmistajien suuresta panostuksesta polttokennoteknologiaan. Suuret ajoneuvovalmistajat, kuten Toyota, Honda ja General Motors ovat laittaneet merkittävästi resursseja polttokennoteknologian kehitystyöhön. Maantieteellisesti suurin osa patenteista myönnetään Japanille ja Yhdysvalloille. Määrä on kasvussa myös Euroopassa, mutta ei yhtä merkittävissä määrin. Aasiassa Japanin lisäksi patenttien määrä on kasvussa Kiinassa, Taiwanissa ja Etelä- 17

28 Koreassa. Japanissa syynä patenttien suureen määrään pidetään sitä, että polttokennot alkavat saada suurten panostusten ja investointitukien ansiosta jalansijaa markkinoilla. Vuonna 2011 Samsung Electronics Corporation omisti eniten patentteja, johtuen suuresta panostuksesta kuluttajaelektroniikan kehittämiseen ja kaupallistamiseen. (Breakthrough Technologies Institute 2012, FuelCellToday 2011.) 3.4 Rahoitus Uuden teknologian rahoitus on yleisesti vaikeaa, sillä uuteen teknologiaan sisältyy muun muassa riskejä, kustannuksia ja epävarmuutta. Uusi teknologia kohtaa myös rakenteellisia haasteita verrattuna olemassa olevaan teknologiaan ja vaatii mahdollisesti jopa uuden infrastruktuurin. Näin on myös polttokennojen tapauksessa. Ympäristöystävällisen teknologian rahoitus on vaikeaa jos perusteena on ainoastaan ympäristöystävällisyys. Vetyinfrastruktuurin rahoitus on erityisen vaikeaa, koska infrastruktuurin kannattavuus riippuu käytöstä joka voi olla alussa vähäistä. Lisäksi infrastruktuuri on paikallinen tai alueellinen, ei globaali, joten skaalaedut ovat huonot. (Hart 2012.) Ensimmäisen toimijan haitat ovat suuria, sillä muut voivat odottaa teknologian yleistymistä sillä aikaa kun ensimmäisenä liikkeellä ollut yritys joutuu investoimaan paljon infrastruktuuriin, jonka käyttö on alussa vähäistä. Kassavirran muuttuessa positiiviseksi myös muut yritykset alkavat investoida infrastruktuuriin. Toiset yritykset voivat myös hyödyntää jo kehitettyjä ratkaisuja tai oppia virheistä. Autojen rahoitus sen sijaan on melko suoraviivaista, sillä autolla on aina selkeä omistaja. Autojen myymisestä seuraavat edut ovat selkeät niitä myyville yrityksille. (Hart 2012.) Vastaavia suuren mittakaavan infrastruktuurin muutoksia on kuitenkin rahoitettu jo aikaisemminkin. Hart (2012) tarjoaa tähän kolme esimerkkiä luvulla Iso- Britanniassa uusittiin koko kaasuinfrastruktuuri, jotta kivihiilellä tuotetun kaasun käytöstä voitaisiin siirtyä Pohjanmerestä löydettyyn maakaasuun. Valtion omistuksessa oleva toimiala järjesti kotitalouksiin uudet laitteistot, jotka mahdollistivat uuden polttoaineen käytön. Valtion rahoitus mahdollisti tämän projektin ja kustannukset perusteltiin kansallisilla eduilla. Loppukäyttäjille muutoksesta ei ollut merkittävää etua. Infrastruktuuri luotiin valtion toimesta. Tämä ei ole Hartin mukaan kuitenkaan todennäköinen ratkaisu polttokennojen tilanteessa, sillä on epätodennäköistä, että valtiot muodostaisi- 18

29 vat oman toimialan vetyteknologian puitteissa. Toinen esimerkki on matkapuhelinverkkojen vakiinnuttaminen 1980-luvulta lähtien. Yhdysvaltojen valtio lisensoi rajoitetun määrän toimijoita markkinoilla ja toimijat saivat nostaa yksityistä rahoitusta tulevaisuuden tuottoja vastaan. Rajoitettu kilpailu loi rahoitukselle liiketoimintamahdollisuuden. Kolmas esimerkki liittyy Yhdysvaltojen harvaan asuttujen alueiden liittämiseen sähköverkkoon 1930-luvulla. Tällöin valtioille ja muille toimijoille myönnettiin lainoja sähköverkon laajentamista varten. Tässä tilanteessa loppukäyttäjille syntyvät vahvat edut aiheuttivat sen, että toimijat olivat valmiita lisäämään tarjontaa ja investoimaan riskeistä huolimatta. Tämä malli on erityisen kiinnostava polttokennoihin liittyen, sillä esimerkissä jo olemassa olevaa infrastruktuuria laajennettiin, vaikka edut eivät olleet varmat etukäteen. (Hart 2012.) Hart esittelee myös muita ideoita, joilla investoinnin haasteet vähenisivät. Hänen mielestään muun muassa kannustimia tulisi yhdenmukaistaa, kassavirrat tulisi mallintaa yksityiskohtaisesti ja päättää mitä rahoittaa, myös ei-perinteisiä liiketoimintamalleja tulisi pohtia, ostajien kanssa tulisi tehdä sopimuksia etukäteen ja kansainvälistä yhteistyötä tulisi hyödyntää. Lisäksi vaihtoehtona on uusien toimijoiden houkuttelu mukaan ja kustannuksien siirtäminen osittain asiakkaalle erilaisin sopimuksin. (Hart 2012.) 3.5 Markkinoille tulon haasteet Markkinoille pääsy on uusien teknologioiden tärkein tavoite. Vaikka polttokennosovellusten markkinat ovat kasvaneet ympäri maailmaa, niin silti merkittävään markkinoille pääsyyn liittyy haasteita. Markkinoille tulon haasteet liittyvät pääsääntöisesti hintaan ja teknologiaan. Polttokennojen kehitystyö on edistynyt merkittävästi kustannusten pienentämiseksi sekä systeemien kestävyyden parantamiseksi. Kuitenkin sekä polttokennojen että vedyn hinnan alentamisen on jatkuttava, sekä vedyn saatavuutta parannettava tankkauspisteitä lisäämällä. Lisäksi polttokennojen suorituskyvyn ja kestävyyden kehittämistä on jatkettava. Yleinen tietämys polttokennoista on myös melko vähäistä, ja sitä tulisi lisätä. (Breakthrough Technologies Institute 2012.) Tekniset haasteet ovat ensimmäinen merkittävä este markkinoille pääsyyn. Suurimmassa osassa sovelluksia tarvitaan vielä lisää tutkimusta ja kehitystä. Polttokennojen laajamittaista käyttöä rajoittavat teknologian kypsymättömyys, kuten kennojen riittämätön 19

30 käyttöikä ja materiaalien kestämättömyys. Puhtaiden polttoaineiden tarve, korkean lämpötilan kennojen pitkä käynnistymisaika ja järjestelmän monimutkaisuus ovat myös haasteita. Lisäksi muun muassa polttoaineen reformointi, vedyn käytön turvallisuus, vedyn säilytysteknologiat ja infrastruktuurin valmius ovat teknisiä haasteita, jotka täytyy ottaa huomioon. Haasteena on myös pystyä arvioimaan kilpailevien ja täydentävien teknologioiden kehitys. (Cottrell ja muut 2011.) Kilpailukykyinen hinta on toinen merkittävä haaste teknologisten haasteiden lisäksi. Yksi suurimmista haasteista hintaan liittyen on polttokennoihin liittyvät korkeat hankintakustannukset. Pääoma- ja asennuskustannusten on laskettava huomattavasti ja oltava kilpailukykyisempiä muiden energianlähteiden kanssa ennen kuin PEM-polttokennojen on mahdollista menestyä markkinoilla. Polttokennot ovat kuitenkin osoittaneet kustannustehokkuutensa monissa eri sovelluksissa massamarkkinoilla. Hinnan ennustetaan laskevan, kunhan valmistuksessa päästään sarjatuotantoon. (Cottrell ja muut 2011.) Polttokennosovellukset vaativat monia komplementtituotteita ollakseen hyödyllisiä ja arvoa tuottavia. Kun uusi teknologia tuodaan markkinoille tärkeät täydentävät ja palvelut eivät välttämättä vielä ole täysin kehittyneitä, jolloin teknologian käyttöönotto hidastuu. Tämä on tilanne tällä hetkellä myös polttokennosovellusten kanssa; täydentävien teknologioiden ja infrastruktuurin puute aiheuttaa vakavia haasteita aikaisille toimijoille. (Schilling 2005.) Julkisen hyväksynnän saavuttaminen merkitsee myös erittäin paljon polttokennoteknologioiden menestyksen kannalta. Suurin osa kuluttajista ei ole tietoisia vedyn käytön turvallisuudesta tai vetyteknologiasta ylipäätään ja yleinen käsitys onkin, että vety ei ole turvallista keskivertokansalaisen käytössä. Tämä käsitys on muutettava, sillä jos valtaosa väestöstä tietäisi vetyteknologian turvallisuudesta, sillä olisi positiivinen vaikutus myös poliittisiin päätöksiin. (Cottrell ja muut 2011.) Olemassa olevien esteiden voittamiseksi tarvitaan paitsi rohkeita yrityksiä, myös poliittista tahtoa suunnata kohti puhtaampaa ja omavaraisempaa energiataloutta. Polttokennomarkkinat ovat kansainvälisesti vahvasti subventoituja. Suomessa työ- ja elinkeinoministeriö myöntää uusiin energiantuotantomuotoihin investointiavustuksia. Valtion 20

31 tuki on edellytys myös vetyteknologioiden menestymiselle Suomessa. (Teräsvirta 2010.) 21

32 4 POLTTOKENNOMARKKINAT SOVELLUKSITTAIN 4.1 Stationääriset sovellukset Stationäärisiin polttokennosovelluksiin kuuluvat yksiköt, jotka tuottavat sähköä sekä mahdollisesti myös lämpöä, mutta joita ei ole tarkoitettu liikuteltaviksi. Sovelluksia on eri kokoluokkia, kuten kotitalouksissa (1-5 kwe), asuinrakennuksissa (5-50 kwe) ja teollisuudessa (> 100 kwe) vaadittavia tehoja. Yhdistetyn sähkön- ja lämmöntuotannon (CHP) lisäksi stationäärisiä sovelluksia ovat varavoimasovellukset (UPS). Polttoaineena käytetään usein vetyä tai vetyrikkaita polttoaineita, kuten maakaasua tai biopolttoaineita. Stationääriset sovellukset ovat houkuttelevia korkean hyötysuhteen, matalan äänen ja matalan värinän sekä potentiaalisesti matalien operointi- ja ylläpitokustannusten takia. Modulaarisuus mahdollistaa myös vastaamiseen eri kokoisiin sähkön- ja lämmöntarpeisiin. (FuelCellToday 2012, JRC Scientific and Technical Reports 2011.) Monet yritykset hyödyntävät stationäärisiä polttokennoja liiketiloissaan ensisijaisena energianlähteenä tai varavoimana, sekä lämmitykseen että jäähdytykseen. Tällaisia yrityksiä ovat esimerkiksi Whole Foods, Albertsons, Coca-Cola, FedEx, UPS, Adobe, Walmart, Bank of America, Safeway, ebay, Google ja Price Chopper. (Breakthrough Technologies Institute 2012.) Sovellusten demonstrointi ja niiden toimivuuden osoittaminen käytännössä on ensisijaisen tärkeää. Kemikaalitehdas Akzo Nobel ja polttokennovalmistaja Nedstack toimivat yhdessä pilottihankkeessa, jossa demonstroidaan 50 kilowatin stationäärinen PEMlaitos. Pilotointi tapahtuu Delfzijlissä Alankomaissa kemikaalitehtaan yhteydessä, jolloin tehtaan sivutuotevetyä voidaan käyttää polttoaineena. Pilotin tavoitteena on demonstroida laitoksen kestävyys ja turvallisuus. Kennoston huipputeho on 120 kilowattia, mutta parhaan testituloksen saamiseksi sähköä tuotetaan 50 kilowatin teholla. Kyseinen pilotointi aloitettiin vuonna (Verhage ja muut 2010.) Myös VTT on rakentanut stationäärisen SOFC-polttokennolaitteiston. Pitkäaikaistestauksessa on järjestelmä, jossa tuotetaan sähkötehoa 10 kilowatin SOFC-kennostolla. Järjestelmä on ainutlaatuinen, sillä sähkötehon tuotantoon käytetään vain yhtä kennostoa. Tulevaisuudessa tarvitaankin suuritehoisia kennostoja, jotta suurten laitteistojen raken- 22

33 taminen on järkevää. (Halinen 2010, VTT 2011.) Vaasan asuntomessualueella toimi vuodesta 2007 eteenpäin maailman ensimmäinen kaatopaikkakaasulla toimiva SOFClaitos. Vuonna 2010 demonstraatio saatiin päätökseen ja tavoitteet saavutettiin. Laitos oli tehokas, erittäin vähäpäästöinen ja toiminta jatkuvaa. Toiminta-aika oli yli 1500 tuntia. Sähköä tuotettiin kymmenen asuintalon tarpeisiin. Sähkön lisäksi tuotettiin lämpöä kilowattia. (Wärtsilä 2010.) Stationääristen sovellusten liikevaihdon ennuste vuodelle 2013 on 1,5 miljardia dollaria. Toimitettujen megawattien määrä on kasvanut 47 % CAGR aikavälillä Toimitettujen megawattien määrä oli 160 MW vuonna 2012 ja ennuste vuodelle 2013 on 200 MW. Vahva kysynnän kasvu johtuu sekä poliittisista toimista että järjestelmän hinnan alenemisesta. (Navigant Research 2013.) Stationääristen polttokennojen vuosittaiset toimitusmäärät kasvoivat kaikissa kategorioissa merkittävästi vuodesta 2010 vuoteen Toimitettujen yksiköiden määrä kasvoi yksiköstä yksikköön, jolloin kasvu oli 94 %. Toimitettujen megawattien määrä kasvoi 35 megawatista 81 megawattiin, eli kasvu oli 133 %. Monet eri tekijät vaikuttivat tähän äkilliseen kasvuun: yhä useammat tuotteet tulivat markkinoille, aikaisemmat kokemukset polttokennoista vakuuttivat asiakkaita sekä syöttötariffit ja valtionapu jatkuivat useissa maissa. Kuva 10 esittää stationääristen sovellusten toimitusmäärät ja Kuva 11 esittää toimitettujen megawattien määrät. (Fuel Cell Today 2012.) ennuste Kuva 10. Stationääristen sovellusten toimitusmäärät (muokattu Fuel Cell Today 2012) 23

34 ennuste Kuva 11. Stationääristen sovellusten toimitettujen megawattien määrät (muokattu Fuel Cell Today 2012) Polttokennon kestävyys ja tehokkuus riippuvat siitä, mikä stationäärinen polttokennosovellus on kyseessä, samoin kuin mahdolliset kustannusten alennukset. Tehoiltaan pienissä stationäärisissä sovelluksissa suurin kustannusten alennus on mahdollista paremmalla integraatiolla, kun taas suurissa sovelluksissa polttoaineen joustavuus ja kaasun puhdistus ovat tärkeitä. Kummatkin teholuokat hyötyvät korkeammista tuotantomääristä. Alle 50 kw olevien CHP-järjestelmien tavoite vuodelle 2020 on /kw, kun hinta tällä hetkellä on /kw (FCH JU 2011) kw kokoluokan stationääristen sovellusten hinta on $/kw $/kw, tavoitteena 900 $/kw kw kokoluokan APUn nykyinen hinta on /kw, hintatavoite on $/kw (DOE 2010) ja 500 /kw (FCH JU 2011). Ei-liikennekäytössä olevien APU-järjestelmien vuoden 2020 tavoite lentokoneteollisuudessa on 500 /kw ja meriteollisuudessa /kw (FCH JU 2011). 300 kw-5 MW kokoluokan stationääristen sovellusten pääomakustannus oli vuonna 2010 MCFC-polttokennolle /kw ja tavoitteena on /kw vuonna Vastaavan kokoluokan PEMFC-polttokennolle pääomakustannus vuonna 2010 oli /kw ja tavoite on /kw (FCH JU 2011). Stationääristen sovellusten kohdalla on huomattu, että vaikka sekä tuotantomäärät että järjestelmän koko laskevat kustannuksia, niin pääomakustannus on silti herkempi järjestelmän koolle kuin tuotantomäärille. Pääomakustannukset ovat siis matalammat, kun tuotetaan suuria stationäärisiä sovelluksia pieniä määriä, kuin pieniä sovelluksia suuria määriä. Kilowattitunnin hinta nousee, kun järjestelmän koko pienenee. (James ja muut 2012.) 24