Vety- ja polttokennoalan eteneminen meillä ja maailmalla, Suomen vetytiekartta

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Vety- ja polttokennoalan eteneminen meillä ja maailmalla, Suomen vetytiekartta"

Esa Hakala
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Vety- ja polttokennoalan eteneminen meillä ja maailmalla, Suomen vetytiekartta Vedyn ja polttokennojen mahdollisuudet Oulun seudulla, Aamiaissessio Oulussa Jari Ihonen, VTT, Heidi Uusalo, VTT, Juhani Laurikko, VTT

2 2 Sisällys Vetytiekartta projektin esittely Vetyteknologian määrittelyä Vedyn tuotanto Vedyn kuljetus ja jakelu Vedyn varastointi Vedyn käyttö ja sovellukset Vetyteknologian eteneminen liikennekäytössä Vetyteknologian mahdollisuudet uusiutuvan energian varastoinnissa sekä sähkön- ja lämmön tuotannossa

sovellukset Vetyteknologian eteneminen liikennekäytössä Vetyteknologian

3 3 Vety-tiekartta projekti (VTTK) VTTK projekti tekee kokonaisvaltaisen ja ajantasaiseksi päivitetyn ehdotuksen Suomen strategiaksi ja tiekartaksi vety-yhteiskunnan toteuttamiseksi. Tähtäimessä on myös Suomalaisen teollisuuden vientipotentiaali maihin, joissa vetyinfrastruktuuria rakennetaan nopeammin. Tiekartta perustuu koti- ja ulkomaisiin analyyseihin ja skenaarioihin, niiden kriittiseen tarkasteluun ja Suomen oloihin sovittamiseen. Tehtävänä on ehdottaa ja käynnistää hankkeita, joilla asemoidaan Suomi ja teollisuutemme edelläkävijöiden joukkoon. Tavoitteena on turvallinen puhdas energiajärjestelmä ja kilpailukykyinen yritysrypäs uudella liiketoiminta-alueella.

Tähtäimessä on myös Suomalaisen teollisuuden vientipotentiaali maihin, joissa vetyinfrastruktuuria rakennetaan nopeammin.

4 4 VTT-projektin lähtökohtana on, että vety-yhteiskunnan rakentaminen toteutetaan Suomessa kilpailukykyisesti ja turvallisuudesta tinkimättä. Kuva 1. Vety-yhteiskunta; vähitellen kohti hiilineutraalia etenevä energiajärjestelmä perustuen mm. Council On Competitiveness-Nippon malleihin [ ].

5 5 Mitä on vetyteknologia? Milloin se on täällä? Vetyteknologia käsittää vedyn tuotannon, varastoinnin, jakelun, laatukontrollin, käytön liikennepolttoaineena energian tuotannossa tai muissa sovelluksissa. Vetyteknologia on teollisuudessa jo nyt käytettyä teknologiaa, joka tulee vähän kerrallaan ammatti- ja kuluttajakäyttöön. Vedyn käyttö liikennepolttoaineena tulee yleistymään jo lähivuosina, mutta myös hyvin epätasaisesti globaalisti katsottuna. Vedyn käyttö osana sähköverkon stabilointia tulee yleistymään ensin maissa, joissa muita kustannustehokkaampia ratkaisua ei ole saatavilla.

sovelluksissa. Vetyteknologia on teollisuudessa jo nyt käytettyä teknologiaa, joka tulee vähän kerrallaan ammatti- ja kuluttajakäyttöön.

6 6 Vetyteknologian osia Lähde: Pauli Jumppanen: Vety energiantuotannossa /Rakenteiden Mekaniikka Vol. 42, Nro 4, 2009, s

7 7 Vedyn tuotanto Vetyä ei esiinny luonnossa kuin yhdisteinä ja käyttöä varten vety pitää aina valmistaa jollakin menetelmällä. Tällä hetkellä käytetyimmät menetelmät ovat hiilivetyjen höyryreformointi ja elektrolyysi. Näiden lisäksi tulee huomioida kemianteollisuuden sivutuotteina syntyvä vety ja sen hyödyntäminen. Metaanin höyryreformointi tällä hetkellä kustannustehokkain tapa tuottaa vetyä suuressa mittakaavassa Reaktiot: CH 4 + H 2 O 3H 2 + CO ja CH 4 + 2H 2 O 4H 2 + CO 2 Syntyvä hiilimonoksidi pelkistyy edelleen vedyksi vesikaasun siirtoreaktiossa: CO + H 2 O H 2 + CO 2 Vedyn valmistukseen reformoimalla on tarjolla erikokoisia vetygeneraattoreita alkaen muutaman m3:n tuntituotannosta jopa m3:n tuotantoon vedyn puhtausasteen vaihdellessa esim. 99 %:sta aina 99,999 %:in. Elektrolyysi kannattavaa kun tuotanto pysyy pienenä. on myös mahdollisuus katkonaiseen tuotantoon mahdollistaen pelkästään päivittäisten kulutushuippujen ulkopuolisen halvan sähkön käyttämisen. Elektrolyysissä vettä hajotetaan sähköenergian avulla vedyksi ja hapeksi seuraavan yhtälön mukaisesti: H 2 O + (sähköenergia) H 2 + ½O 2 Prosessissa voidaan valmistaa erittäin puhdasta vetyä esim. lääketieteellisiin tarkoituksiin ja kaupallisia elektrolyysereitä on saatavissa muutaman litran tuntituotannosta aina 1000 m3:n tuotantoon.

Metaanin höyryreformointi tällä hetkellä kustannustehokkain tapa tuottaa vetyä suuressa mittakaavassa Reaktiot: CH 4 + H 2 O 3H 2 + CO ja CH 4 + 2H 2 O 4H 2 + CO 2 Syntyvä hiilimonoksidi pelkistyy

8 8 Vedyn kuljetus ja jakelu Vedyllä on erittäin huono energia/tilavuus hyötysuhde, joten järkevintä olisi tuottaa vetyä mahdollisimman lähellä käyttökohdetta. Koska tämä ei kuitenkaan ole aina mahdollista, vetyä voidaan kuljettaa joko putkistoissa kaasumaisena tai erilaisissa tankeissa ja säiliöissä kaasumaisena tai nestemäisenä maa-, meri- ja rautateitse. Vedyn jakelu kuluttajille tapahtuu tankkausasemien kautta. Nämä koostuvat yleisesti vetyvarastosta, kompressorista, korkeapainevarastosta, vedyn esijäähdytyslaitteistosta ja vedyn annosteluun käytettävästä laitteistosta. Joissakin jakeluasemissa vety tuotetaan myös paikanpäällä esimerkiksi reformoimalla.

nestemäisenä maa-, meri- ja rautateitse. Vedyn jakelu kuluttajille tapahtuu tankkausasemien kautta.

9 9 Vedyn varastointi Paineistettu vety Yleisimmin käytetty varastointimuoto, sekä nyt että myös jatkossa Käytetyimmät painetasot ovat teollisuudessa bar ja polttokennosovelluksissa 350 bar ja 700 bar. Painesäiliöt, tankit, maanalaiset suuret varastot Nestevety Pääosin vain suurehkojen vetymäärien varastointiin ja kuljetukseen. Volymetrisesti paineistettua kaasua tehokkaampi varastointimenetelmä, mutta vaatii energiaa vedyn jäähdyttämiseksi nestemäiseen muotoon. Varastokoot vaihtelevat kymmenistä litroista aina tuhansien litrojen tankkerien ja LNG - säiliöiden tyyppisiin ratkaisuihin. Vedyn varastointi materiaaleihin Metallihydridisäiliöissä vetymolekyylit sitoutuvat metallihydridin kidehilaan vähän samaan tapaan kuin vesi imeytyy pesusieneen. Metallihydridin vangitsema vety ei räjähdä. Metallihydridi pystyy varastoimaan vetyä vain muutaman prosentin verran omasta painostaan, joten se soveltuu ainoastaan pienen vetykulutuksen sovelluksiin, joissa vaaditaan erityistä turvallisuutta.

Volymetrisesti paineistettua kaasua tehokkaampi varastointimenetelmä, mutta vaatii energiaa vedyn jäähdyttämiseksi nestemäiseen muotoon.

10 10 Vedyn käyttö ja sovellukset Vetyä voidaan polttaa kattiloissa, turbiineissa ja polttomoottoreissa muiden polttoaineiden ohella ja puhtaanakin erityisissä vetymoottoreissa. Parhaiten vedyn polttoon sopivat kuitenkin polttokennot, joissa vety konvertoituu energiaksi sähkökemiallisessa prosessissa ilman varsinaista palamista. Vedyn energiakäyttö pohjautuu nykyään pitkälti polttokennosovelluksiin. Nämä voidaan jaotella stationäärisiin, liikkuviin ja kannettaviin sovelluksiin. Stationääriset sovellukset Erilaiset polttokennovoimalaitokset Hajautettu energiantuotanto, CHP-voimalat Back up-sovellukset Liikkuvat sovellukset Henkilöautot, bussit, työkoneet yms. Kannettavat sovellukset Kuluselektroniikka UPS-sovellukset

Vedyn energiakäyttö pohjautuu nykyään pitkälti polttokennosovelluksiin. Nämä voidaan jaotella stationäärisiin, liikkuviin ja kannettaviin sovelluksiin.

11 11 Polttokennot ovat olleet kalliita, mutta kustannusongelmat on pääosin ratkaistu

12 12 Tekniset ongelmat on pääosin ratkaistu

13 13 Maakaasukäyttöisen 100 kw:n PEFC-järjestelmän hinta-arvio $/kw Teollisuusvetykäyttöiselle 100 kw:n järjestelmälle hinta olisi $/kw Ei tarpeellisia, kun vety polttoaineena

järjestelmälle hinta olisi 200-500 $/kw Ei tarpeellisia, kun

14 14 Vety liikennepolttoaineena kehityssuunta ja aikataulu Vedyn käyttö liikennepolttoaineena tulee nostamaan polttokennojen tuotantomäärät sellaisiksi että myös monen muun sovelluksen, kuten sähköverkon stabiloinnin (säätö/varavoima), kustannustaso tulee laskemaan Ajoneuvoteollisuuden ilmoitukset piensarjatuotannon aloittamiselle (satoja/tuhansia autoja vuodessa per valmistaja) ovat vuosille Varsinainen laajan massatuotannon (kymmeniä/satoja tuhansia vuodessa per valmistaja) käynnistymisen aikataulu on kuitenkin epävarma Suomessa ei ole odotettavissa polttokennoajoneuvoja kuin erityispaikoilla, joissa on yksittäinen tankkausasema muuta käyttöä varten

(satoja/tuhansia autoja vuodessa per valmistaja) ovat vuosille 2013-2015 Varsinainen laajan massatuotannon (kymmeniä/satoja tuhansia vuodessa per valmistaja)

15 15

16 16 Liikennepuolen vetyinfran kehitys EU:ssa

17 17 Saksan hanke: Clean Energy Partnership

18 18 Saksan vetyinfran hahmotelmaa vuoteen

19 19 Saksan toiminnassa ja rakenteilla olevat vetyasemat

20 20 Vety osana sähköjärjestelmää Vetypolttokennot ovat erittäin nopeasti käynnistyviä ja säädettäviä ja niissä on hyvin korkea hyötysuhde osittaiskuormalla. Lisäksi ne voivat toimia alimmillaan noin 5-10% huipputehostaan ilman ongelmia. Tulevaisuudessa (isot) polttokennojärjestelmät ovat edullisia, mutta vety edelleen kallista Paikoitellen vedyn hinta voi kuitenkin olla edullinen (sivutuote-, jalostamovety) Vedyn arvo muissa käyttökohteissa määrää osin taloudellisen järkevyyden sähkön ja lämmön tuotantoon Vaihtoehtojen (vesivoima, kaasumoottorit, kaasuturbiinit) kustannustaso ja ominaisuudet ratkaisevat vetypolttokennojen taloudellisen kannattavuuden

Tulevaisuudessa (isot) polttokennojärjestelmät ovat edullisia, mutta vety edelleen kallista Paikoitellen vedyn hinta voi kuitenkin olla edullinen (sivutuote-,

21 21 Uusiutuvan energian kaasuvarastointi on tutkimuksen kohteena erityisesti Saksassa ja Tanskassa Myös Suomessa pientä mielenkiintoa (SNG), mutta laajamittaisen varastoinnin kustannustehokkuus heikko Suomessa paljon sivuvirtavetyä, josta voi varastoida huippu-, säätö- ja varavoiman tuotantoon Parhaiten energiaa käytetään, jos sekä vedyn että sähkön tuotannossa saadaan lämpö talteen kaukolämpöverkkoon. Suomessa kannattaa varautua ennemmin liikennepolttoainekäytön yleistymiseen. Vedyn varastointi sähkön tuotantoon tapahtuu olemassa olevilla tehdaspaikoilla.

22 22 Saksan Power to Gas konsepti (Michael Specht, ZSW)

23 23 Woikoski Oy kehittää sataman alueelle liikuteltavan vetytankkausaseman woikosken_vetyjakelu_ja_tankkaushankkeen_eteneminen.pdf

24 24 Suomen ensimmäinen vetytankkausasema Rovaniemellä Rovaniemen Arctic Driving Centeriin avattiin Suomen ensimmäinen vetytankkausasema Tammikuussa Tankkausasemaa operoiva Woikoski Oy on vuokrannut aseman tanskalaiselta H2 Logic A/S:ltä. Woikoski Oy toimittaa tarvittavan vedyn tankkausasemalle. Tämän rinnalla Woikoski Oy kehittää omaa tankkausasemakonseptiaan.

25 25 Johtopäätöksiä ja tiivistelmä Vetyteknologiaa on käytössä teollisuudessa ja tietyillä markkinasegmenteillä Tulevaisuudessa polttokennojärjestelmien hinta voi laskea voimakkaasti, mutta vedyn hinta pysynee melko kalliina Vedyn käyttö liikennepolttoaineena on lähdössä liikkeelle, mutta kasvu tapahtunee aluksi pääosin vain muutamalla alueella (Saksa, Japani, Kalifornia). Teknologian tulo Suomeen tapahtunee pistemäisesti. Vetypolttokennoja voidaan käyttää sähköjärjestelmien stabiloinnissa, mutta kilpailevien ratkaisujen kustannustehokkuus ratkaisee käytön. Suomessa ja pohjoismaissa käyttökelpoinen ratkaisu vain, jos edullista vetyä on saatavilla.

Samankaltaiset tiedostot

Katsaus Tekesin Polttokennot-ohjelma ja Demo2013 kokeiluympäristöhanke

Katsaus Tekesin Polttokennot-ohjelma ja Demo2013 kokeiluympäristöhanke Vety- ja polttokennosessio 15.11.2012 Oulu Anneli Ojapalo Spinverse Oy Tekesin Polttokennot-ohjelman koordinaattori, Tekesin Polttokennot-ohjelma