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 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
3 Vety-tiekartta projekti (VTTK) jussi.solin@vtt.fi 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.
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 [ http://www.cocn.jp/ ].
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.
6 Vetyteknologian osia Lähde: Pauli Jumppanen: Vety energiantuotannossa /Rakenteiden Mekaniikka Vol. 42, Nro 4, 2009, s.218 234
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 10000 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.
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.
9 Vedyn varastointi Paineistettu vety Yleisimmin käytetty varastointimuoto, sekä nyt että myös jatkossa Käytetyimmät painetasot ovat teollisuudessa 100-300 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.
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
11 Polttokennot ovat olleet kalliita, mutta kustannusongelmat on pääosin ratkaistu http://www.fch-ju.eu/sites/default/files/documents/power_trains_for_europe.pdf
12 Tekniset ongelmat on pääosin ratkaistu http://www.fch-ju.eu/sites/default/files/documents/power_trains_for_europe.pdf
13 Maakaasukäyttöisen 100 kw:n PEFC-järjestelmän hinta-arvio 660-1120 $/kw Teollisuusvetykäyttöiselle 100 kw:n järjestelmälle hinta olisi 200-500 $/kw Ei tarpeellisia, kun vety polttoaineena http://www.fuelcellseminar.com/media/8898/lrd24-1%20james.pdf
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 2013-2015 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
15
16 Liikennepuolen vetyinfran kehitys EU:ssa http://www.fch-ju.eu/sites/default/files/documents/sga2012/presentation%20klaus%20bonhoff-%20session%20iii.pdf
17 Saksan hanke: Clean Energy Partnership http://www.cleanenergypartnership.de http://www.fch-ju.eu/sites/default/files/documents/sga2012/presentation%20klaus%20bonhoff-%20session%20iii.pdf
18 Saksan vetyinfran hahmotelmaa vuoteen 2030 http://www.fch-ju.eu/sites/default/files/documents/sga2012/presentation%20klaus%20bonhoff-%20session%20iii.pdf
19 Saksan toiminnassa ja rakenteilla olevat vetyasemat http://www.fch-ju.eu/sites/default/files/documents/sga2012/presentation%20klaus%20bonhoff-%20session%20iii.pdf
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
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 Saksan Power to Gas konsepti (Michael Specht, ZSW) http://www.powertogas.info/
23 Woikoski Oy kehittää sataman alueelle liikuteltavan vetytankkausaseman http://www.tekes.fi/fi/gateway/ptargs_0_201_403_994_2095_43/http%3b/tekes-ali1%3b7087/publishedcontent/publish/programmes/polttokennot/documents/seminaariaineistot/vetyseminaari_28_5_2012/korjala woikosken_vetyjakelu_ja_tankkaushankkeen_eteneminen.pdf
24 Suomen ensimmäinen vetytankkausasema Rovaniemellä Rovaniemen Arctic Driving Centeriin avattiin Suomen ensimmäinen vetytankkausasema Tammikuussa 2012. 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 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.