HELI YRJÄNÄINEN VEDYN VALMISTUS UUSIUTUVIA ENERGIAMUOTOJA HYÖDYNTÄEN Kandidaatintyö

Transkriptio

1 HELI YRJÄNÄINEN VEDYN VALMISTUS UUSIUTUVIA ENERGIAMUOTOJA HYÖDYNTÄEN Kandidaatintyö Tarkastaja: yliassistentti Aki Korpela

2 II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO sähkötekniikan koulutusohjelma YRJÄNÄINEN, HELI: Vedyn valmistus uusiutuvia energiamuotoja hyödyntäen Kandidaatintyö, 17 sivua Marraskuu 2008 Pääaine: Vaihtoehtoiset sähköenergiateknologiat Tarkastaja: yliassistentti Aki Korpela Avainsanat: Vedyn valmistus, uusiutuvat energiamuodot, vetyteknologia Fossiilisten polttoaineiden korvaaminen vedyn käytöllä energiavarastona on yksi suurimmista syistä siihen, miksi vetyteknologian kehitykseen panostetaan laajalti tänä päivänä. Vedyn käytön suurin etu on sen saasteeton palaminen, mutta nykymenetelmillä vedyn valmistus itsessään on harvoin saasteetonta. Tästä syystä yksi tärkeimmistä vetyteknologian kehitysalueista onkin vedyn valmistuksen integrointi uusiutuvan energian tuotantoon. Tämän työn tarkoituksena onkin selvittää uusien energiamuotojen hyödyntämistä vedyn valmistuksessa. Tällä hetkellä suurin osa maailmalla tuotetusta vedystä tehdään maakaasua reformoimalla. Menetelmä on halpa, mutta reformoinnissa syntyy hiilidioksidipäästöjä. Yksi parannuskeino tähän on hiilidioksidin kerääminen, jonka kehitysmahdollisuuksia tutkitaan. Tulevaisuutta ajatellen uusiutuvan energian hyödyntäminen vedyn valmistuksessa on kuitenkin kestävämpi ratkaisu kuin maakaasun reformoinnin parantelu hiilidioksidia keräämällä. Lupaavin tapa valmistaa puhdasta vetyä lienee veden elektrolyysi. Siinä vety ja happi erotetaan vedestä sähköenergiaa käyttämällä. Saasteeton elektrolyysista saadaan tuottamalla prosessissa tarvittava sähkö joko aurinkoenergialla, tuulivoimalla, tai jollakin muulla uusiutuvalla energiamuodolla. Veden elektrolyysin lisäksi muitakin tapoja hyödyntää uusiutuvaa energiaa vedyn valmistuksessa on toki kehityksen alla, ja näistä tärkeimpiä ovat termokemialliset valmistusmenetelmät, fotolyysi sekä biologiset menetelmät. Veden elektrolyysi on kuitenkin menetelmistä tällä hetkellä ajankohtaisin, mutta se, mihin uusiutuvaan energiamuotoon elektrolyysi kannattaa yhdistää, on täysin alueesta kiinni. Pääasia on, että tähän menetelmään ollaan siirtymässä. Ongelmatonta tämä ei ole, koska teknologiat ovat laajalti uusia, mutta onneksi etenkin Euroopassa ilmastotavoitteet painostavat nopeaan kehitykseen. Nähtäväksi jää, millä aikataululla vetyteknologiasta saadaan suuren mittakaavan apu energianvarastointiin, ja millä valmistus-, varastointi-, ja siirtomenetelmillä tämä tulee toteutumaan.

3 III SISÄLLYS 1. JOHDANTO VEDYN KÄYTTÖKOHTEET, VARASTOINTI JA SIIRTO Vedyn käyttökohteet Vedyn varastointi Vedyn siirto VEDYN YLEISIMMÄT VALMISTUSMENETELMÄT Kemialliset valmistusmenetelmät Sähkökemialliset valmistusmenetelmät Termokemialliset valmistusmenetelmät Vedyn valmistuksen nykytila VEDYN VALMISTUS UUSIUTUVAA ENERGIAA HYÖDYNTÄEN Veden elektrolyysi uusiutuvaa energiaa käyttäen Fotolyysi Biologiset menetelmät ja biomassan hyödyntäminen TULEVAISUUDENNÄKYMÄT Vetyteknologian tulevaisuudennäkymät Vedyn valmistus tulevaisuudessa Taloudellisia näkökulmia JOHTOPÄÄTÖKSET LÄHTEET LIITTEET... 17

4 1 1. JOHDANTO Ilmastonmuutoksen myötä koko maailmassa on suuria paineita vähentää kasvihuonepäästöjä. Yhtenä lupaavimmista keinoista tähän pidetään vedyn hyödyntämistä energiankantajana, sillä vedyn polttamisessa ei synny saasteita. Vety pitää kuitenkin valmistaa, ja tämä itsessään aiheuttaa päästöjä nykymenetelmillä. Jotta vedyllä saataisiin siis aikaan täysin puhdasta energiaa, pitäisi vedyn valmistusprosessi saattaa päästöttömäksi. Lupaavin keino tähän lienee uusiutuvien energiamuotojen hyödyntäminen vedyn valmistuksessa. Tässä kandidaatintyössä käsitelläänkin vedyn valmistusta uusiutuvia energiamuotoja hyödyntäen sekä tekniseltä että taloudelliselta näkökannalta. Luvussa kaksi tarkastellaan, mitä muita osa-alueita vetyteknologiaan kuuluu vedyn valmistuksen lisäksi. Tällä on tarkoitus selvittää, millaiseen suurempaan kokonaisuuteen vedyn valmistus kuuluu, ja miksi motivaatio vetyteknologian kehitykseen on tällä hetkellä niin kova. Tähän liittyen käydään läpi vedyn käyttökohteita, varastointia, kuljetusta, ja jakelua. Tämän jälkeen luvussa kolme tarkastellaan vedyn yleisimpiä valmistusmenetelmiä. Vedyn valmistuksesta käydään läpi, miten eri valmistusmenetelmät teknisesti toteutetaan, ja mitä etuja ja haasteita niihin liittyy. Tämän jälkeen tehdään vielä katsaus siihen, missä vaiheessa kehitystä nämä valmistusmenetelmät ovat. Myös luvussa neljä tutkitaan vedyn valmistusmenetelmiä, mutta eri näkökulmasta. Nyt tarkastellaankin, mihin valmistustapoihin voidaan yhdistää uusiutuvien energiamuotojen käyttö, ja millä tavoin se tehdään. Aihetta käydään läpi sekä tekniseltä että taloudelliselta näkökannalta. Tämän jälkeen tehdään katsaus tulevaisuudennäkymiin sekä vetyteknologiasta kokonaisuutena että erikseen vedyn valmistusmenetelmien näkökulmasta tekniset ja taloudelliset seikat huomioiden. Lopuksi kootaan vielä työstä tehdyt johtopäätökset.

5 2 2. VEDYN KÄYTTÖKOHTEET, VARASTOINTI JA SIIRTO Tämän luvun tarkoitus on selvittää, mitä osa-alueita vetyteknologiaan kuuluu vedyn valmistuksen lisäksi, ja miten etenkin vedyn käyttökohteiden kehityskaari vaikuttaa siihen, miksi myös vedyn valmistusmenetelmien kehittämiseen käytetään tällä hetkellä suuria resursseja. Aluksi esitellään kohteita, joihin vetyä käytetään tällä hetkellä ja tulevaisuudessa. Käyttökohteista esille nostetaan polttokennot, koska niiden odotetaan tulevaisuudessa olevan suurin vedyn käyttöteknologia, ja sitä kautta ne ovat ehkä suurin motivaatio uusiutuvien energiamuotojen käytön kehitykselle vedyn valmistuksessa. Tämän jälkeen käydään läpi vedyn varastointia, kuljetusta ja jakelua, ja näihin liittyviä ratkaisemattomia haasteita. 2.1 Vedyn käyttökohteet Tällä hetkellä suurin käyttäjä maailmalla tuotetulle vedylle on kemianteollisuus. Vetyä hyödynnetään esimerkiksi ammoniakin valmistuksessa ja pelkistimenä monien metallien valmistuksessa. Toinen nykypäivän tärkeä vedyn käyttökohde on elintarviketeollisuus, jossa vetyä tarvitaan öljyjen pehmentämiseksi käytettävien kasviöljyjen hydraukseen. [1; 2] Tämän lisäksi vedyn palamisreaktiota käytetään sähköenergian tuottamiseen muun muassa polttokennoissa. Polttokennoja ei tänä päivänä vielä paljon hyödynnetä, mutta kehitystyötä tehdään koko ajan enemmän. Tämä siksi, että polttokennoteknologia on yksi lupaavimmista teknologioista ilmastonmuutoksen helpottamiseksi. Polttokennoissa vety ja happi palavat synnyttäen puhdasta vettä. Ohessa reaktiosta saadaan myös kaivattua sähkövirtaa. Hapen sijasta reaktiossa voidaan käyttää myös ilmaa, jolloin syntyy jonkin verran typpioksideja, mutta ei kuitenkaan merkittävää määrää. Polttokennot lienevät tulevaisuuden tärkein vedyn loppukäyttöteknologia, ja niiden yleistyminen tulee kasvattamaan huomattavasti myös tuotetun vedyn tarvetta. Joka tapauksessa polttokennojen käytössä on vielä paljon haasteita. Kehityksen kohteena on erityyppisiä polttokennoja: alkalinen (AFC), fosforihappo- (PAFC), polymeeri- (PEM), sulakarbonaatti- (MCFC), kiinteä oksidi- (SOFC) ja metanolipolttokenno (DMFC). [3] Eri polttokennotyypeillä on omat vahvuutensa ja heikkoutensa, minkä vuoksi myös niiden sovelluskohteet vaihtelevat. Alkalikennot ovat vanhimpia polttokennoja, ja niitä on käytetty jo pitkään avaruusalusten energiantuotantoon. PAFC-tekniikka on puolestaan teknologisesti kypsintä, mutta sen kehityspotentiaalin epäillään olevan rajallinen. MCFCpolttokennoa käytetään tällä hetkellä esimerkiksi Michelinin rengastehtaalle asennetussa

6 3 250 kw:n laitteistossa, joka tuottaa sähkön lisäksi 200-celsiusasteista höyryä renkaiden vulkanisointiprosessia varten. [3] Tulevaisuudessa polttokennoista tärkeimpiä saattaisivat olla PEM- ja SOFC-kennot. PEM-kennoja testataan lähinnä autoissa, ja jonkin verran myös muutaman kilowatin kokoisissa sähköntuotantolaitteissa. SOFC-kennoja puolestaan kehitetään ja demonstroidaan erityisesti erilaisissa liikkumattomissa sovelluksissa, esimerkiksi teollisuudessa, palveluissa ja asuinkiinteistöissä. Polttokennojen hyödyntämisessä on kuitenkin vielä paljon haasteita, joista suurimpia ovat kustannukset, kestävyys ja luotettavuus. [3] Osa alan asiantuntijoista pitää kuitenkin perinteisempiä vetykäyttöisiä kaasumoottoreita ja -turbiineja lupaavampana ratkaisuna kuin polttokennoja, sillä tällä hetkellä ne täyttävät vielä huomattavasti paremmin kestävyys-, luotettavuus- ja kustannustasovaatimukset. Myös näissä käyttökohteissa on kuitenkin paljon kehitettävää. Yleinen mielipide onkin, että polttokennoteknologia tulee ohittamaan vetykäyttöisen kaasumoottori- ja turbiiniteknologian edellä mainituissa tärkeimmissä käyttövaatimuksissa. [3] 2.2 Vedyn varastointi Vedyn riittävän tehokas varastointi etenkin liikennesektorilla on yksi vetyteknologian yleistymisen suurimmista ongelmista. Vedyn varastointi paineistettuna kaasuna on tuttua, kaupallista teknologiaa, mutta tässä varastointimenetelmässä energiatiheys tilavuusyksikköä kohden on hyvin pieni. Vety voidaan varastoida myös nestemäisenä joko sellaisenaan tai runsaasti vetyä sisältävien kemiallisten yhdisteiden muodossa. Nesteytys itsessään vaatii kuitenkin paljon energiaa, ja koska myös vedyn nesteytys on tekniikaltaan koeteltua ja valmista, ei sen paranteluun enää juurikaan panosteta. Lentoliikenteessä nestemäinen vety lienee kuitenkin tulevaisuuden polttoaine keveytensä ansiosta. Nesteen ja kiinteän olomuodon välimaastoon sijoittuu vielä mahdollisuus varastoida vetyä lietteenä. Tällöin sakean maalin kaltainen kemiallinen yhdiste toimii vedyn varastona, josta vety voidaan vapauttaa lisäämällä lietteeseen vettä. Tämä menetelmä on kuitenkin vasta tutkimusvaiheessa. [3] 2.3 Vedyn siirto Vedyn kuljetukseen tuotantopaikalta kulutuspaikalle on periaatteessa kaksi erilaista tapaa: putkia pitkin pumppaaminen tai varastoiminen johonkin muotoon ja kuljettaminen varastosäiliössä. Putkia pitkin pumppaaminen tulee kyseeseen silloin, kun vetyä siirretään suuria määriä. Vedyn nesteyttäminen kuljetusta varten kuluttaa noin kolmanneksen vedyn energiasisällöstä, ja on näin kannattamattomampi vedyn siirtotapa. Nesteytyslaitoksien rakennus vähäiseen tarpeeseen ei myöskään kannata, koska rakennuksen vaatima tekniikka on kallista ja kasvattaa yksikkökustannuksia nesteytettyä vetymäärää kohti. Myös kuljetuskalusto on kallista, sillä pysyäkseen nesteenä vedyn lämpötilan pitää pysyä alle -253 celsius-

7 4 asteessa. Nestevetyä kannattaakin käyttää vain putkistojen ulottumattomissa olevissa kohteissa, ja kuten aiemmin mainittiin lentokoneiden polttoaineena. Pieniä vetymääriä on kannattavinta kuljettaa painekaasupulloissa. [3] Vedyn siirtoteknologioihin kuuluvat myös liikennepolttoaineen jakeluasemat. Niiden maailmanlaajuinen lukumäärä vuonna 2004 oli noin 100. Suurin ongelma jakeluasemien lisääntymiselle on niiden vaatimat suuret investoinnit. Yhdysvaltojen laskelmien mukaan noin 30% huoltoasemista tulisi pystyä vedyn jakeluun, jotta polttokennoautot voivat yleistyä. EU:ssa lasketaan vastaavasti, että mikäli vuonna 2020 on käytössä noin 2-9 miljoonaa polttokennoautoa, pitäisi Euroopassa olla vetyä jakelevaa huoltoasemaa. Nämä jakelupisteisiin vaadittavat investoinnit pitäisi kuitenkin tehdä, ennen kuin vedyn jakelusta saadaan vielä voittoa, sillä polttokennoautoja ei saada myytyä ennen jakelupisteiden olemassaoloa. Tätä ongelmaa tuskin saadaan ratkaistua ilman julkista tukea. [3; 4] 3. VEDYN YLEISIMMÄT VALMISTUSMENETEL- MÄT Tässä luvussa käydään läpi, millä eri menetelmillä vetyä voidaan valmistaa, ja mihin prosesseihin nämä valmistusmenetelmät perustuvat. Tämän lisäksi tarkastellaan vedyn valmistuksen taloudellisia näkökohtia, ja sekä niihin että teknisiin toteutuksiin liittyviä etuja ja haasteita. Tämän luvun tarkoituksena on teknisen ja taloudellisen selonteon lisäksi antaa motivaatio sille, miksi vedyn valmistuksen pitäisi jatkossa pohjautua enemmän uusiutuvien energiamuotojen hyödyntämiseen. Vetyä on kaikkialla, mutta sellaisenaan sitä ei esiinny maapallolla. Vety pitää siis erottaa muista aineista, ja prosessiteknisesti nämä erottelumenetelmät voidaan jakaa kolmeen ryhmään: kemiallisiin, sähkökemiallisiin sekä termokemiallisiin menetelmiin. Kemiallisista menetelmistä yleisin on maakaasun reformointi, jota tässä luvussa käydään läpi. Tämän jälkeen tutustutaan sähkökemiallisiin menetelmiin, joilla käytännössä tarkoitetaan veden elektrolyysiä. Termokemiallista eli lämpöä primäärienergianaan hyödyntävää vedyn valmistusprosessia tarkastellaan aluksi puuttumatta tarkemmin siihen, mistä menetelmään tarvittava lämpö on peräisin. Lopussa esitellään vielä yleisesti näiden valmistusmenetelmien nykytila. Tässä luvussa ei siis oteta kantaa vedyn valmistusmenetelmistä fotolyysiin eikä biologisiin menetelmiin, sillä nämä menetelmät ovat tänä päivänä vielä varhaisessa kehityksen vaiheessa. Näistä menetelmistä kerrotaan kuitenkin lisää luvussa Vedyn valmistus uusiutuvia energiamuotoja hyödyntäen. [1; 8]

8 5 3.1 Kemialliset valmistusmenetelmät Kemiallisilla valmistusmenetelmillä tarkoitetaan lähinnä kaasu- ja nestevetyjen reformointia, joista tässä käymme läpi tarkemmin maakaasun höyryreformointia. Näissä menetelmissä hiilivedyn hiiliketjut ja vedyn ja hiilen väliset kemialliset sidokset rikotaan. Tämän jälkeen hiili hapetetaan hiilidioksidiksi, jolloin tuotteina saadaan vetyä ja hiilidioksidia. Maakaasun reformoinnin kokonaisreaktio on siis CO + H 2 O CO 2 + H 2. Suurissa tuotantolaitoksissa höyryreformoinnilla päästään 82 prosentin kokonaishyötysuhteeseen. Suurien keskitettyjen tuotantolaitosten lisäksi vetyä voidaan tuottaa höyryreformoinnilla myös prosessikohtaisesti, mutta tällöin saavutettu kokonaishyötysuhde on heikompi. [1; 3; 9] 3.2 Sähkökemialliset valmistusmenetelmät Sähkökemiallisilla valmistusmenetelmillä tarkoitetaan veden elektrolyysiä. Elektrolyysillä yleisesti tarkoitetaan sähköllä hajottamista. Siinä sähköenergia pakotetaan kulkemaan ioneja sisältävän liuoksen lävitse, jolloin tapahtuu hapettumista ja pelkistymistä. Elektrolyysissä nesteeseen upotetaan kaksi metallista elektrodia eli kohtiota, jotka yhdistetään jännitelähteen napoihin. Plusnapaan yhdistettyä kohtiota kutsutaan anodiksi ja vastaavasti miinusnapaan yhdistettyä katodiksi. Veden elektrolyysissä vesi hajotetaan vedyksi hapeksi. Tämä kokonaisreaktio saadaan anodilla ja katodilla tapahtuvien reaktioiden summasta. Anodilla tapahtuva reaktio on 2OH - ½O 2 + H 2 O + 2e -. Ja vastaavasti katodilla tapahtuu reaktio 2H 2 O + 2e - H 2 + 2O -. Tästä kokonaisreaktioksi saadaan H 2 O H 2 + ½O 2. Kuva 3.1 esittää veden elektrolyysissä tapahtuvia reaktioita. Käytännössä elektrolyysissä ei käytetä pelkästään vettä, vaan veteen lisätään elektrolyytti reaktioiden nopeuttamiseksi. Elektrolyyttina voidaan käyttää esimerkiksi kaliumhydroksidia. Kuvassa vasemmalla

9 6 puolella on anodi, jossa syntyy happea. Vastaavasti oikealla puolella on katodi, jossa syntyy vetyä. [4; 10] Kuva 3.1. Veden elektrolyysi [10]. Veden elektrolyysiin perustuvia elektrolyysikennoja on olemassa erilaisia. Alkaalinen elektrolyysikenno on näistä vanhin ja yleisin kennotyyppi, jonka tyypillinen virrantiheys on noin 2 ka/m² ja kennojännitteen arvo noin 1,9 V 80 celsiusasteen lämpötilassa. [5] Toinen kennotyyppi on kiinteä polymeerielektrolyysikenno, joka on kehitetty vastaavista polymeeripolttokennoista. Polymeerielektrolyysikenno on tyypillinen korkean virrantiheyden kenno. Tässä protonijohteena toimivaa polymeerikalvoa käytetään sekä elektrolyyttinä että kaasuja erottavana membraanina. Polymeereinä käytetään muun muassa Nafionia ja Nasiconia, jotka ovat fluorattuja sulfonihappokalvoja. Elektrolyyttikalvo pitää myös pinnoittaa elektrodimateriaaleilla ja tukea molemmilta puolilta huokoisella materiaalilla, joka toimii virranjohtimena. Anodi- ja katodimateriaaleina käytetään useimmiten ruteniumoksidia ja platinaa. Tämän kennon ominaisuutena on hyvä protonijohtavuus ja ohut kennorakenne, joiden ansiosta kennojännite on ainoastaan 1,6-1,7 V virrantiheyden ollessa 10 ka/m 2. Polymeerikennoilla saavutetaan noin 20% parempi hyötysuhde perinteisiin alkaalikennoihin verrattuna.[5] Kolmas tärkeä elektrolyysityyppi on vesihöyryelektrolyysi, joka on niin sanottu korkean lämpötilan elektrolyysi. Tässä elektrolyysityypissä kennon toiminta pohjautuu puolestaan kiinteäoksidipolttokennon toimintaan. Vesihöyryelektrolyysikennossa vesihöyry johdetaan celsiusasteen lämpötilassa keraamisen elektrolyytin katodipinnalle, jossa tapahtuu veden hajoaminen ja happiatomit diffentoituvat keraamin anodipinnalle happikaasua muodostaen. Kennojännite kyseisessä elektrolyysikennossa on vain 1,0-1,3 volttia, mikä on seurausta korkeasta käyttölämpötilasta. Korkea käyttölämpötila aiheuttaa kuitenkin materiaaliongelmia, jotka ovat suurin ongelma vesihöyryelektrolyysin käytössä. [5]

10 7 3.3 Termokemialliset valmistusmenetelmät Termokemiallisissa menetelmissä vedyn valmistukseen vaadittava energia saadaan lämmöstä. Näissä menetelmissä vesi hajotetaan korkeassa lämpötilassa vedyksi ja hapeksi. Tämän kokonaisreaktion aikaansaamiseksi vaaditaan useista eri kemiallisista reaktioista koostuvaa suljettua reaktioketjua. Osareaktiot saattavat olla osittain myös sähkökemiallisia, jolloin menetelmää nimitetään hybridiprosessiksi. [5] Termokemiallisten menetelmien etu on niiden korkea hyötysuhde esimerkiksi sähkökemiallisiin valmistusmenetelmiin verrattuna. Tämä johtuu siitä, että sähkökemiallisissa menetelmissä käytettävä primäärienergia pitää muuttaa sähköksi, ennen kuin sitä voidaan hyödyntää elektrolyysissä. Termokemiallisilla menetelmillä voidaan saavuttaa 50 prosentin hyötysuhde 900 celsiuksen lämpötilassa. Joka tapauksessa menetelmiin vaaditaan vähintään 800 celsiuksen lämpötila, joka tekee menetelmästä vielä usein taloudellisesti kannattamattoman. [5; 11] Vesi on mahdollista hajottaa myös suoraan termisesti, mutta tähän reaktioon vaaditaan yli 2500 celsiusasteen lämpötilassa. Tällöin vety pitää erottaa kuumasta kaasuseoksesta jäähdyttämällä se nopeasti alhaiseen lämpötilaan. Tässä menetelmässä on kuitenkin vielä paljon korkeasta lämpötilasta johtuvia materiaaliongelmia, jonka vuoksi tämän menetelmän uskotaan olevan sekä teknisesti että taloudellisesti kannattamaton valmistusmenetelmä. [5; 11] 3.5 Vedyn valmistuksen nykytila Vedyn teollinen tuotanto on tällä hetkellä noin 49,5 miljoonaa tonnia vuodessa, josta Euroopan osuus on 5,4 miljoonaa tonnia. Suurin osa tuotetusta vedystä valmistetaan kemiallisesti kaasu- tai nestevetyjä reformoimalla. Näistä yleisintä on maakaasun höyryreformointi, jonka osuus vedyn kokonaistuotannosta on noin puolet. Höyryreformointi on myös edullisin vedyn valmistusmenetelmä, ja vedyn tuotantokustannus tässä menetelmässä vaihtelee välillä 6-11 euroa/gj. Kaasu- ja nestevetyjen reformointi aiheuttaa kuitenkin hiilidioksidipäästöjä, minkä vuoksi tämä menetelmä haluttaisiin korvata ympäristöystävällisemmillä valmistusmenetelmillä. Toinen vaihtoehto päästöttömyyden tavoitteessa on hiilidioksidin talteenotto, ja tätä menetelmää tutkitaankin tällä hetkellä laajasti. Joka tapauksessa reformoinnin edullisuus osaltaan hidastaa muiden valmistusmenetelmien käyttöönottoa, mutta huoli kasvihuonepäästöistä ja fossiilisten polttoaineiden loppumisesta puolestaan kohdistaa varoja muiden valmistusmenetelmien kehittämiseen ja käyttöönottoon. [3; 4] Veden elektrolyysi on tänä päivänä toiseksi yleisin tapa valmistaa vetyä. Se on prosessina täysin saasteeton, minkä vuoksi sillä pyritään koko ajan korvaamaan vedyn kemiallisia valmistusmenetelmiä. Ongelmana on kuitenkin elektrolyysiin vaadittavan sähkö, joka tekee prosessista kalliin. Tuotantokustannuksen vaihteluväli tässä menetelmässä on nykypäivänä

11 euroa/gj, joka on noin kaksin- tai kolminkertainen höyryreformointiin verrattaessa. Kuitenkin tälläkin hetkellä menetelmä on kannattava sellaisilla alueilla, missä sähköenergiaa on helposti saatavilla ja edullista fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. [1; 4] Termokemiallisia menetelmiä on tutkittu jo 1970-luvulta lähtien, mutta edelleenkään tätä menetelmää ei ole saatu kaupalliseen käyttöön. Joissakin kohteissa tätä menetelmää kuitenkin hyödynnetään, ja näissä kohteissa tähän valmistustapaan tarvittava korkea lämpötila tuotetaan useimmiten aurinkoenergialla. Tällöin auringonvalo kohdistetaan suurilla peileillä pieneen tilavuuteen. Toinen vaihtoehto tarvittavan lämpötilan aikaansaamiseksi on korkean lämpötilan ydinreaktori. Haasteina menetelmässä ovat kuitenkin korkean lämpötilan aiheuttamat materiaaliongelmat sekä prosessilämmön hyödyntämismahdollisuuksien puuttumisesta johtuva menetelmän korkea hinta. [4; 5; 11] 4. VEDYN VALMISTUS UUSIUTUVAA ENERGIAA HYÖDYNTÄEN Vedyn potentiaaliin tulevaisuuden energiankantajana uskotaan laajasti. Vedyn tuotannon lähtökohtana on etenkin Euroopassa hiilidioksidittomaan tuotantoon pyrkiminen, joka käytännössä toteutuu hyödyntämällä uusiutuvaa energiaa vedyn valmistuksessa. Nämä menetelmät ovat kuitenkin lähes poikkeuksetta vasta kehitteillä, eikä niitä ole kaupallisesti saatavilla. Tärkeää kehitystyötä kuitenkin tehdään koko ajan ympäristötavoitteisiin pääsemiseksi. Joitakin menetelmiä on toki jo nykypäivänä käytössä. Esimerkiksi kaatopaikkakaasuja on hyödynnetty korkealämpötilakennojen polttoaineena. [4] Tässä luvussa käydään läpi, mitä tapoja on kehitteillä uusiutuvien energiamuotojen hyödyntämiseksi vedyn valmistuksessa, ja mitä hyötyjä ja haasteita näihin suunnitelmiin liittyy. Menetelmiä tarkastellaan käymällä läpi vedyn valmistusmenetelmät, joita voidaan käyttää yhdessä uusiutuvien energiamuotojen kanssa. Näitä ovat veden elektrolyysi, termokemialliset menetelmät, fotolyysi, sekä biologiset ja biomassaa hyödyntävät menetelmät. Kunkin valmistusmenetelmän kohdalla kerrotaan, mitä uusiutuvia energiamuotoja kyseisessä menetelmässä hyödynnetään, ja millä tekniikalla vedyn valmistus tällöin kokonaisuudessaan toteutetaan. 4.1 Veden elektrolyysi uusiutuvaa energiaa käyttäen Veden elektrolyysiin tarvitaan siis vain vettä, elektrolyytti ja sähköä. Päästötön tästä vedyn valmistusmenetelmästä saadaan tuottamalla elektrolyysissä tarvittava sähkö uusiutuvalla

12 energialla, kuten aurinkoenergialla, tuulivoimalla, tai erilaisilla luonnonveden liikkeisiin perustuvilla energiantuotantomuodoilla. Esitellään ensin sähkön tuottaminen aurinkoenergialla. Auringon säteily koostuu fotoneista, jotka voivat vapauttaa aurinkokennomateriaalin elektroneja. Fotonien energia siirtyy tällöin varauksenkuljettajille, jotka voivat liikkua vapaasti kennossa. Aurinkokenno koostuu p- ja n- tyyppisistä puolijohdemateriaaleista, jotka eroavat toisistaan vain jonkin verran varausjakaumaltaan. Tämä ero aiheuttaa materiaalin rajapinnalle sähkökentän, joka vie auringonvalon aiheuttamat varauksenkuljettajat eri suuntiin kennossa. Kun varauksenkuljettajia kulkeutuu ulkoiseen piiriin, saadaan sähkövirtaa. [12] Aurinkoenergian suurin periaatteellinen ongelma on vuoden- ja vuorokaudenaikojen vaihtelujen aiheuttamat saatavilla olevan aurinkoenergian vaihtelut. Tämän vuoksi aurinkoenergiaa ei etenkään pohjoisessa voida hyödyntää ympärivuotisesti. Osaltaan vetyteknologia voisi olla tähän kuitenkin ratkaisu, sillä vetyyn voitaisiin varastoida auringosta saatavaa energiaa silloin kun sitä on tarjolla, ja ottaa tämä energia käyttöön silloin, kun auringosta ei saada energiaa. Vuoden- ja vuorokaudenaikojen vaihtelut eivät kuitenkaan ole ainoa ongelma aurinkokennojen käytössä. Tällä hetkellä aurinkokennojen yleistymisen esteenä on myös aurinkopaneelien korkea hinta perinteisempiin sähköntuottotapoihin verrattuna. Hyötypuolena aurinkokennoissa on kuitenkin aurinkopaneelien suhteellisen yksinkertainen rakenne ja soveltuvuus sekä pienkäyttöön että laajoihin keskitettyihin keräysjärjestelmiin. [6] Tuulivoima saattaa kuitenkin olla aurinkovoimaa potentiaalisempi tapa tuottaa sähköä veden elektrolyysille. Maailman tuulimyllyjen yhteenlaskettu potentiaalinen teho on noin 40 gigawattia, kun aurinkosähköllä vastaava lukema on vain 3 gigawattia. Myös tuulivoimalla tuotettu energia on kuitenkin alun perin lähtöisin auringon säteilyenergiasta. Tuulivoimaloissa ilman virtaus aiheuttaa voimalan lapojen pyörimisen, jonka liike-energia muunnetaan tuuliturbiineilla sähköksi. Menetelmä on samankaltainen kuin tuulimyllyissä, joissa liike-energiaa hyödynnettiin esimerkiksi jyvien jauhamiseksi tai veden pumppaamiseksi. [6; 13] Myös erilaisista veteen liittyvistä ilmiöistä voidaan synnyttää sähköä, jota voidaan käyttää myös veden elektrolyysin energianlähteenä. Perinteisessä vesivoimassa sähköä tuotetaan kahden eri vesitason korkeuseroa hyödyntämällä. Vesi virtaa turbiinin kautta, joka puolestaan pyörittää sähköenergiaa tuottavaa generaattoria. [14] Vedestä voi saada energiaa myös valtamerten aaltoja hyödyntäen. Tämä teknologia on kuitenkin uutta ja keskeneräistä, ja erilaisia aaltojen hyödyntämisvaihtoehtoja on esitetty monia suurilta osin suunnittelun koordinoimattomuudesta johtuen. Useita voimalatyyppejä on kuitenkin jo testattu, mutta korkean hinnan vuoksi varsinaista läpimurtoa ei vielä ole tapahtunut. Euroopan Unionin laatiman arvion mukaan aaltovoimaa olisi kaupallisessa käytössä maailmanlaajuisesti vuoteen 2010 mennessä noin 700 megawattia, joka vastaa yhtä ydinvoimalan yksikköä. Aaltovoiman varsinainen potentiaali tulee kuitenkin luultavasti esiin siinä vaiheessa, kun fossiiliset polttoaineet loppuvat. [6] 9

13 10 Vuorovesivoimalla tarkoitetaan valtamerten rannikoilla tapahtuvan vuorovesi-ilmiön valjastamista sähköntuotantoon. Tämän toteutukseen on kaksi erilaista tekniikkaa. Ensimmäisessä käytetään altaita, jotka täyttyvät nousuveden aikana. Laskuveden aikana vedenpinta on alempana, jolloin altaiden vesi päästään juoksuttamaan turbiinin kautta kuten perinteisessä vesivoimassa. Toisessa menetelmässä hyödynnetään roottoreita tuulivoiman tapaan siten, että pyörittäjänä toimii vuorovesivirtaus. Nämä tekniikat ovat kuitenkin vasta kehityksen hyvin varhaisessa vaiheessa, eikä niiden uskota olevan läheskään aaltovoiman veroinen energianlähde tulevaisuudessa. [6] Yllä on esitelty kaikki tärkeimmät veden elektrolyysiin soveltuvat uusiutuvat energiamuodot ja niiden potentiaalia sähköntuotannossa. Yhtälailla tämä potentiaali sähköntuotannossa kuvastaa myös kunkin energiamuodon potentiaalia veden elektrolyysin sähkön lähteenä. Näiden energiatuotantomuotojen kohdalla täytyy kuitenkin muistaa, että kunkin mahdollisuudet ylipäätään sähköenergiantuottoon vaihtelevat riippuen siitä, missä päin maailmaa ollaan. Kaikki nämä energiamuodot ovat tärkeitä tulevaisuuden sähkönlähteitä, ja kunkin kannattavuus vaihtelee ympäristön olosuhteiden mukaan. Esimerkiksi aurinkoenergian massiiviseksi hyödyntämiseksi on esitetty rakennettavaksi suuria aurinkoenergian keräyskenttiä Saharaan ja muihin autiomaihin, kun taas Suomessa vesivoima on ollut jo pitkään tuottoisin uusiutuva energiantuotantomuoto. [6] 4.2 Fotolyysi Vaikka veden elektrolyysi on tällä hetkellä ehkä lupaavin aurinkoenergian hyödyntämiskohde vedyn valmistusmenetelmistä, ei se suinkaan ole ainoa. Luvussa kaksi esiteltiinkin jo auringon lämmön käyttämistä veden hajottamiseen, ja toinen hyvin paljon tutkittu aurinkoenergiaa hyödyntävä valmistusmenetelmistä on fotolyysi. Se perustuu valon säteilyenergian hyödyntämiseen veden hajottamisessa. Tähän vaadittavat 2,46 elektronivoltin ja 504 nanometrin aallonpituus osuvat auringon säteilyn energiatiheyden maksimin alueelle. Suoraa fotolyysia ei kuitenkaan tapahdu, sillä vesi absorboi valoa vasta spektrin ultravioletilla alueella, missä auringon säteilyteho on heikko. Fotolyysi saadaan aikaan valoa absorboivien suolojen ja puolijohteiden avulla. [1] 4.3 Biologiset menetelmät ja biomassan hyödyntäminen On olemassa useita erilaisia biologisia prosesseja, joilla vetyä voidaan valmistaa. Näistä voidaan erottaa kaksi päätyyppiä: valoa vaativa fotosynteesi sekä pimeässä tapahtuva käymisprosessi. Ensimmäisessä tapauksessa vety tuottaa levä, kun taas jälkimmäisessa prosessissa vety saadaan mikro-organismi, ja jälkimmäisessä tapauksessa vetyä saadaan mikroorganismeista.[4; 5]

14 11 Biologisia valmistusmenetelmiä ovat myös biomassaa hyödyntävät menetelmät. Näistä ensimmäinen on biomassan käyminen. Käymisen kautta syntyy koko ajan Suomessakin paljon metaania. Ongelmana kuitenkin on, että metaania syntyy hyvin hajautetusti, ja syntyvässä kaasuseoksessa on vain vähän vetyä. Vedyn erottamiseen metaanista tarvitaan myös joko paikallinen esireformointi tai kokonaisreformointia vetypitoisen polttoaineen tai puhtaan vedyn aikaansaamiseksi. Kuitenkin esimerkiksi MCFC-polttokennot sopisivat tämän metaanin hyödyntämiseen, sillä kyseiseen polttokennoon ei tarvita erillistä reformointiyksikköä. Vedenpuhdistamot, kaatopaikat, suuret kasvihuoneet, sikalat, karjatilat ja kanalat ovat tähän menetelmään sopivia kohteita. [4; 10] Vetyä voidaan valmistaa biomassasta myös kaasuttamalla. Tämän menetelmän hyötypuolena on se, että vetyä saadaan suoraan uusiutuvasta energia lähteestä. Tästä johtuen menetelmän tehokkuus on hyvä verrattuna esimerkiksi veden elektrolyysiin, jossa uusiutuvasta energialähteestä saatava energia muutetaan ensin sähköksi, jota käytetään vedyn tuottamiseksi elektrolyysilla. Biomassan kaasutuksessa syntyy kaasuseos, jonka koostumus on tyypillisesti seuraava: hiilimonoksidi 14%, vety 18%, hiilidioksidi 14%, metaani 2%, typpi 45% ja vesi 7%. Shift-reaktiota hyödyntämällä ja puhdistamalla saadaan tästä puhdasta vetyä [4]. [10] 5. TULEVAISUUDENNÄKYMÄT Tässä luvussa käydään läpi vedyn tulevaisuudennäkymiä eri näkökulmista. Aluksi tarkastellaan vetyteknologian kehitysnäkymiä tekniseltä kannalta. Tässä käydään läpi kaikki vetyteknologian osa-alueet paitsi vedyn valmistusmenetelmät, joita pohditaan erikseen seuraavaksi. Lopuksi mietitään vielä, millaisia taloudellisia tulevaisuudennäkymiä vetyteknologialla on. Tässä pohditaan ensin vetyliiketoiminnan kasvuennusteita yleisesti, ja sen jälkeen uusiutuvaa energiaa hyödyntävien valmistusmenetelmien taloudellisia näkymiä. 5.1 Vetyteknologian tulevaisuudennäkymät Vetyteknologian kehittäminen on hyvin ajankohtainen aihe, koska vedyn uskotaan tulevaisuudessa korvaavan fossiiliset polttoaineet. Tämä ei kuitenkaan ole välttämättä olennaisinta vedyn tulevaisuuden käyttömahdollisuuksia ajateltaessa. Vedyn potentiaali piilee myös muissa käyttökohteissa saasteettomasti tuotetun energian varastoijana. Vaikka usein puhutaankin vedyn valmistuksesta, voi tämän ajatella myös energian varastoimisena vetyyn myöhempää käyttöä varten. [6]

15 12 Seuraavassa esitellään vetyteknologian kehityssuunnitelmia Pohjoismaissa. Vaikka nämä tiedot koskevatkin vain pohjoismaisen vetyteknologian kehitystä, on vastaavanlaisia suunnitelmia koko maailmassa. Toki Pohjoismaissa hyödynnetään juuri pohjoiseen sopivia teknologioita, ja muualla suunnitelmissa on tärkeämmässä osassa esimerkiksi aurinkoenergia ja tuulivoima. Vuoteen 2010 mennessä Pohjoismaissa on tarkoitus tehdä demostraatioita vedyn varastoinnista painesäiliöihin. Jakeludemonstraatioita puolestaan tehdään elektrolyysiin liittyen paikallisilla huolto- ja tankkausasemilla. Seuraavan viiden vuoden aikana edellä mainittua kokeilua viedään eteenpäin siten, että vedyn tuotannosta elektrolyysillä huolto- ja tankkausasemilla tehdään ensimmäisiä markkinasovelluksia. Vedyn jakeluun liittyen tällä ajanjaksolla laajennetaan myös maakaasuverkkoa. Vuosina maakaasuverkon laajennusta jatketaan, ja myös vetyverkon ja vedyn tankkausasemia aletaan rakentaa. Seuraavalla viisivuotiskaudella vetyverkon laajennus jatkuu, ja vedylle on tarkoitus perustaa pohjoismaista sähköpörssiä eli NordPoolia vastaava Vety-NordPool. Tätä seuraavina viitenä vuotena eli vuosina on tarkoituksena toteuttaa ensimmäinen suuren mittaluokan kaupallinen vedyn varastointisovellus. [liite 1] 5.2 Vedyn valmistus tulevaisuudessa Tärkeintä vedyn valmistusmenetelmien kehityksessä on saasteettomuuteen pyrkiminen. Suurimmat toiveet tätä tavoitetta ajatellen lienevät uusiutuvien energiamuotojen integroinnissa veden elektrolyysin kanssa. Pohjoismaissa tätä teknologiaa kehitellään lähivuosina muun muassa paikallisilla huolto- ja tankkausasemilla demonstraatioilla aloittaen, kuten aikaisemmin jo mainittiin. Vuosina on tarkoitus myös aloittaa laajamittaiset elektrolyysidemonstraatiot vetyä ja metanolia käyttäen. Tässä vetyä ja metanolia on tarkoitus käyttää tuulivoimalla tuotetun energian puskurivarastoina. Tästä seuraavan viiden vuoden jakson aikana eli vuosina otetaan käyttöön myös aurinkoenergiaan ja veden elektrolyysiin perustuvia tuotantosovelluksia. [liite 1] Myös muita uusiutuvaa energiaa hyödyntäviä vedyn valmistusmenetelmiä kehitetään koko ajan toimivammiksi. Pohjoismaissa ensimmäiset markkinasovellukset biomassan kaasutukseen liittyen aiotaan ottaa käyttöön vuosien aikana, ja ensimmäiset vedyntuotantolaitokset tähän valmistusmenetelmään liittyen on tarkoitus rakentaa seuraavan viiden vuoden aikana. Biologiset vedyntuotantoprosessit ovat vielä hieman varhaisemmassa kehitysvaiheessa, mutta näidenkin menetelmien uskotaan kehittyvän huomattavasti seuraavien 20 vuoden aikana. [liite 1] Edellä mainitut menetelmät eivät kuitenkaan ole ainoita keinoja saattaa vedyn tuotantoa päästöttömäksi. Toinen vaihtoehto päästöjen hillitsemiseksi on maakaasun reformoinnissa syntyvän hiilidioksidin talteenotto ja varastointi. Tätä teknologiaa kehitelläänkin esimerkiksi Yhdysvalloissa, missä on kokeilussa demonstraatiolaitos FutureGen-hankkeen yhtey-

16 13 dessä. Myös Pohjoismaissa tätä menetelmää aiotaan kehittää aluksi demonstraatioilla vuosien aikana, ja sen jälkeen vuosille on suunnitteilla suuria maakaasun reformointilaitoksia hiilidioksidin erotukseen yhdistettynä [liite 1]. Myös hiilidioksidin pelkistys hiileksi ja hapeksi on yksi mahdollinen ratkaisu hiilidioksidipäästöjen poistamiseksi, mutta tämä reaktio kuluttaa paljon energiaa. Tällä hetkellä on kuitenkin paljon hankkeita hiilivetyjen pilkkomisesta vedyksi ja hapeksi. Esimerkiksi Kvaerner Engineeringillä on Norjassa kokeiluasteella oleva laitteisto, jossa hiilidioksidin hajotus onnistuu plasmakaaressa aikaansaadussa 1600 celsiusasteen lämpötilassa. [1; 2] 5.3 Taloudellisia näkökulmia Vetyliiketoiminta on tällä hetkellä vielä hyvin pientä, mutta se on koko ajan huomattavassa noususuunnassa. Yhdysvaltain vetyliiketoiminnan arvioidaan olleen noin 800 miljoonaa dollaria vuonna 2005 ja sen uskotaan nousevan 1600 miljoonaan dollariin vuoteen 2010 mennessä. Euroopassa vastaava luku oli vuonna 2005 noin 370 miljoonaa dollaria, ja lukeman arvioitiin tällöin kasvavan suunnilleen 15 prosentin vuosivauhtia saavuttaen vuonna 2010 noin 740 miljoona dollaria. Tulevaisuuden odotukset ovat kuitenkin näitä lukemia huomattavasti korkeammalla, sillä näinä vuosina vedyn käyttö on vasta kehitysvaiheessa. Vedyn uskotaankin nousevan vielä 2000-luvun tärkeimmäksi polttoaineeksi. [3] Ongelmana ovat kuitenkin vetyteknologian eri osa-alueiden vaatimat suuret investointikustannukset. Esimerkiksi vedyn jakeluasemia perustettaessa potentiaalisia asiakkaita ei juuri vielä ole, sillä vetysovelluksia ei saada myytyä, ennen kuin vetyä on helposti saatavilla. Tämän vuoksi vetyteknologia tarvitsee kehittyäkseen julkista tukea, joka osaltaan myös hidastaa vetyteknologian kehittymistä. Toisaalta viime aikoina kasvihuonepäästöistä ja fossiilisten polttoaineiden ehtymisestä on oltu huolissaan yhä laajemmalla rintamalla, ja myös taloudellisen tuen määrä kasvaa koko ajan. Mallia tähän antaa Islanti, jonka tavoitteena on päästä täydelliseen energiaomavaraisuuteen geotermisen energian ja vedyllä tuotetun sähkön avulla. [6] Tulevaisuudessa vedyn valmistuksessa tullaan asteittain siirtymään veden elektrolyysin ja muiden uusiutuvaa energiaa soveltavien vedyn valmistusmenetelmien käyttöön ja maakaasun reformointia pyritään käyttämään ainoastaan hiilidioksidia kerääviin järjestelmiin integroituna. Tätä kehitystä hidastaa osaltaan kuitenkin taloudelliset seikat. Fossiilisia polttoaineita hyödyntävät vedyn valmistusmenetelmät ovat tällä hetkellä ympäristöystävällisimpiä menetelmiä halvempia, mikä vähentää motivaatiota käyttää rahaa uusien menetelmien kehittämiseen. Vedyn valmistusmenetelmät eivät myöskään ole ainoa tutkimuksen kohde tällä hetkellä vetyteknologiaa kokonaisuutena ajatellen, vaan resursseja käytetään paljon myös vedyn varastoinnin ja siirron kehitykseen unohtamatta polttokennojen kehittämiseen tarvittavaa taloudellista panostusta. Kuitenkin etenkin Euroopassa päämotivaatio-

17 14 na on kasvihuonekaasujen vähentäminen, mikä takaa varoja myös vedyn valmistuksen kehitykseen. [4] 6. JOHTOPÄÄTÖKSET Vetyteknologia kokonaisuudessaan on tällä hetkellä suuren kiinnostuksen aihe, koska sillä on suuri potentiaali korvata fossiiliset polttoaineet saasteettomana energiankantajana. Vety itsessään ei ole primäärienergianlähde, vaan siihen voidaan varastoida energiaa. Myöhemmin tämä energia voidaan muuttaa sähköksi esimerkiksi polttokennoissa. Polttokennot lienevätkin vedyn tärkein loppukäyttöteknologia, sillä polttokennoissa vetyä päästään hyödyntämään monissa sovelluskohteissa. Tulevaisuudessa suurimpia polttokennojen sovelluskohteita ovat liikennesovellukset, sekä liikkumattomista sovelluksista teollisuus, palvelut ja asuinkiinteistöt. Myös perinteisiä kaasumoottoreita ja -turbiineja kehitellään vetykäyttöisiksi, mutta enemmistö asiantuntijoista uskoo enemmän polttokennojen potentiaaliin. Ennen kuin vetyä päästään hyödyntämään käyttösovelluksissa, pitää se kuljettaa tuotantopaikalta kulutuspaikalle. Joissain sovelluksissa vety voidaan toki valmistaa paikan päällä, mutta useimmiten kuljetus on tarpeellinen. Suuria määriä kuljetettaessa tulee kyseeseen vedyn pumppaaminen putkia pitkin ja vedyn nesteyttäminen. Vedyn nesteytys vaatii kuitenkin paljon energiaa, minkä vuoksi sitä kannattaa käyttää vain putkistojen ulottumattomissa. Pienet määrät vetyä on kannattavinta kuljettaa painekaasupulloissa. Yksi vedyn suurimmista eduista on se, että siihen voidaan varastoida energiaa myöhempää käyttöä varten, joten myös vedyn varastointimenetelmät ovat oleellinen osa vetyteknologiaa. Vedyn varastointi kaasuna on tuttua, mutta tällöin vedyn energiatiheys tilavuusyksikköä kohden on pieni. Nesteytys puolestaan vie energiaa, mutta pienentää varastointiin tarvittavaa tilavuutta. Tulevaisuudessa vetyä voitaneen varastoida myös lietteenä, mutta tämä menetelmä on vasta tutkimusvaiheessa. Vedyn valmistusmenetelmistä maakaasun reformointi on tällä hetkellä halvin ja yleisin. Tästä menetelmästä aiheutuu kuitenkin hiilidioksidipäästöjä, minkä vuoksi vaihtoehtoisia valmistusmenetelmiä on alettu kehittää nopeaan tahtiin. Muista menetelmistä lupaavin on veden elektrolyysi, sillä siinä vesi hajotetaan vedyksi ja hapeksi ilman päästöjä. Tähän prosessiin tarvitaan kuitenkin sähköä, joka saasteettomuutta tavoiteltaessa tulee tuottaa uusiutuvalla energialla kuten aurinkokennoilla, tuulivoimalla tai vesivoimalla. Muita mahdollisia uusiutuvaa energiaa hyödyntäviä vedyn valmistusmenetelmiä ovat esimerkiksi, fotolyysi, biomassan kaasutus sekä fotobiokemialliset ja termokemialliset menetelmät. Joka tapauksessa suurimmat tulevaisuuden odotukset kohdistuvat veden elektrolyysiin uusiutu-

18 vien energiamuotojen avulla. Eripuolella maailmaa on kuitenkin ilmastosta ja muista seikoista johtuvia eroja siinä, minkä uusiutuvan energiamuodon käyttö on kannattavinta. Kuten energiantuotanto myös vedyn valmistus elää muutosten aikaa, kun fossiilisten polttoaineiden käyttöä pyritään korvaamaan ympäristöystävällisimmillä valmistusmenetelmillä. Ongelmatonta tämä ei ole, koska monilta osin teknologia on uutta, ja menetelmät ovat vasta kehitysvaiheessa. Paineiden alla suunnitelmat ovat kuitenkin suuria, ja vain tulevaisuus voi näyttää, miten tavoitteet toteutuvat. Vedyn valmistusmenetelmiä on tällä hetkellä useita kehitteillä, vaikka veden elektrolyysin laajalti uskotaankin olevan tulevaisuudessa tärkein valmistustapa. Näin varhaisessa kehityksen vaiheessa laaja-alainen kehitystyö onkin tärkeää, sillä pienimuotoisiksi oletetuissa valmistusmenetelmissä saattaa tulla yllättäviä edistysaskeleita. Muutenkin useisiin energiamuotoihin keskittyminen on kannattavaa, sillä paras tuotantomuoto vaihtelee alueittain sekä käyttökohteen mukaan. Vetyteknologiasta ja sen osa-alueista keskusteltaessa ei voi olla törmäämättä siihen, että teknisten haasteiden lisäksi vetyteknologian kehitys vaatii vielä suuria taloudellisia panostuksia. Kehitystyö toki vaatii oman rahallisen tukensa, mutta ongelmallisempaa lienee vedyn jakeluverkon, jakeluasemien sekä tuotantolaitosten rakentamiseen tarvittavan rahoituksen kerääminen. Näihin tarvitaan suuria investointeja ilman takuita sijoituksen kannattavuudesta. Toki esimerkiksi valtiot, Euroopan unioni ja monet yhtiöt tukevat näitä hankkeita, mutta nähtäväksi jää, millä aikataululla suunnitelmat saadaan toteutettua. Vetyteknologian puhutaan useimmiten olevan kallista, mutta tätä asiaa voi ajatella myös toisesta näkökulmasta. Vedyn valmistuksen ja muihin vetyteknologian osa-alueiden kehitykseen ja käyttöönottoon kuluu toki paljon taloudellisia resursseja, mutta toisaalta näillä taloudellisilla panostuksilla on myös vastaanottaja. Vedyn käytön kehityksen eri vaiheet työllistävät väestöä, etenkin silloin kun erilaisten vetyhankkeiden rakennus alkaa todenteolla. Kehityksen myötä tarvetta tulee myös täysin uusissa määrin esimerkiksi elektrolyysikennojen valmistukselle, mikä avaa liiketoimintamahdollisuuksia uusille yrittäjille. Pitää myös muistaa, että kun nämä kehityksen vaatimat alkuinvestoinnit on kerran tehty, saadaan niistä hyötyä pitkäksi aikaa. 15

19 16 LÄHTEET [1] Risto Mikkonen: SMG-4350, Polttokennot ja vetyteknologia: opintomoniste 2006 [2] Pekka Lehtonen, Paula Lehtonen: Teknisten alojen kemia, WSOY Oppimateriaalit Oy, 1.painos, 2008 [3] Laura Järvinen (toim.): Ympäristöteknologian ennakointi; Taustoja ja puheenvuoroja, Edit Prima Oy, Helsinki 2006 [4] M. Ohlström, I. Savolainen: Teknologiaa kasvihuonepäästöjen vähentämiseen; Taustatyö kansallisen ilmastostrategian päivitystä varten, KTM Julkaisuja 1/2005 [5] Seppo Tähtinen: Vetyteknologia, VTT Offsetpaino, Espoo 1988 [6] Jorma Keskitalo: Maapallon muuttuva ilmasto, Kustannusosakeyhtiö Tammi, 2005 [7] Nordic H2 Energy Foresight; Andersen et al [8] Tekes. Euroopan tiede ja teknologia 5/2004. Vetyä tankkiin ja tietokoneeseen. [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [9] Teknillinen korkeakoulu. Vedyn valmistaminen ja kuljetus. [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [10] European Hydrogen and Fuel Cell Teghnology. Hydrogen Production by Electrolysis. [WWW] [viitattu ] Saatavissa: e/hydrogen/main04.html [11] Stanford University. Global Climate and Energy Project. Thermochemical Production of Hydrogen from Solar and Nuclear Energy. [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [12] Teknillinen korkeakoulu. Miten aurinkokenno toimii? [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [13] Suomen tuulivoimayhdistys ry. Mitä on tuulivoima. [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [14] Energiateollisuus. Vesivoima. [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [15] European Hydrogen and Fuel Cell Teghnology. Biological Hydrogen Production. [WWW] [viitattu ] Saatavissa: e/hydrogen/main05.html

20 17 Liite 1: Taulukko Vedyn tuotantoon, varastointiin ja jakeluun liittyvä teknologia pohjoismaisia kehitysnäkymiä [7, katso 3] Aikajänne Ennakoitu teknologiakehitys Pohjois-maissa Demonstraatioita maakaasuun pohjautuvasta hajautetusta vedyntuotannosta ja vedyn varastoinnista painesäiliöihin Elektrolyysidemonstraatioita paikallisilla huolto-/ tankkausasemilla Demonstraatioita biomassan kaasutukseen pohjautuvasta vedyntuotannosta Demonstraatioita vetymaakaasuseoksen käyttämisestä nykyisissä maakaasu-verkoissa Demonstraatioita maakaasupohjaisesta vedyn tuotannosta yhdistettynä hiilidioksidi- erotukseen Maakaasuverkon laajentuminen Ensimmäiset markkinasovellukset vedyn tuotannosta elektrolyysillä paikallisilla huolto-/ tankkausasemilla Ensimmäiset biomassan kaasutukseen perustuvat markkinasovellukset vedyn- tuotannossa Maakaasuverkkoa laajennetaan edelleen Vetyverkon ja vedyn tankkaus-asemien rakentaminen Suuret biomassan kaasutukseen pohjautuvat vedyn-tuotantolaitokset Suuret maakaasun reformointi-laitokset ja yhdistettynä hiilidioksidin erotukseen Pohjois-maista vetyverkkoa laajennetaan edelleen Laaja-mittaiset elektrolyysidemonstraa-tiot käyttäen vetyä ja/tai metanolia tuulienergian puskuri- varastona Vety-Nord- Pool perustetaan Laaja-mittaista vedyntuotantoa perustuen maakaasun reformointiin, biomassan kaasutukseen ja elektrolyysiin Laaja-mittainen vesivoiman käyttö nestemäisen vedyn tuotantoon aloitetaan Grönlannissa ja Islannissa Ensimmäinen suuren mittaluokan kaupallinen vedyn varastointisovellus Ensimmäiset aurinkoenergiaan (PV) + elektrolyysiin perustuvat vedyn-tuotantosovellukset Kehittyneet valokemialliset ja biologiset vedyn-tuotantoprosessit