Vetytalous – neljäs kerta toden sanoo?

Vedyn tuottamista ja varastointia on esitetty jo useita vuosikymmeniä ratkaisuksi tähän sään mukaan vaihtelevaan sähkön tuotantoon. Artikkeli käsittelee aihetta, onko nyt käynnissä oleva neljäs vetybuumi tekemässä todellista läpimurtoa vai saammeko vielä odottaa tulevaisuudessa olevaa viidettä tai kuudetta vetytalouden nousukautta.

TEKSTI | Ossi Koskinen KUVAT | Ossi Koskinen

Onko nyt käynnissä oleva neljäs vetybuumi tekemässä todellista läpimurtoa?

Tuuli- ja aurinkosähköratkaisuilla on monia vahvuuksia, mutta niiden heikkoutena on, että emme pysty säätelemään näiden luonnonresurssien saatavuutta ja näin ollen niiden tuotantoa.

Vedyn tuottamista ja varastointia on esitetty jo useita vuosikymmeniä ratkaisuksi tähän sään mukaan vaihtelevaan sähkön tuotantoon. Artikkeli käsittelee aihetta, onko nyt käynnissä oleva neljäs vetybuumi tekemässä todellista läpimurtoa vai saammeko vielä odottaa tulevaisuudessa olevaa viidettä tai kuudetta vetytalouden nousukautta.

Vety on maapallomme yksi yleisimmistä alkuaineista ja aurinkomme toiminta perustuu vedyn fuusioitumiseen heliumiksi. Vetyvallankumousta on ennustettu useita kertoja ja tällä hetkellä vetytaloudella on neljäs aalto meneillään. Ensimmäistä kertaa vety nosti päätään energiaratkaisuna 1970-luvun öljykriisin yhteydessä. Toisen kerran vetykeskustelu nousi parrasvaloihin 1990-luvulla ympäristötietoisuuden kasvaessa. Kolmas vedyn tuleminen tapahtui 2000-luvun alussa autoteollisuuden toimesta ja esimerkiksi Honda lanseerasi vihreästi ajatteleville kalifornialaisille polttokennolla toimivan vetyauton (ks. Esim. EIA 2019, 13,19).

Vuosittain Düsseldorfissa järjestetään maailman suurin energian varastointiin liittyvä messutapahtuma, joka sisältää sekä tieteellisen että kaupallisen konferenssin. Vuoden 2019 messutapahtumassa ei voinut olla hätkähtämättä, kuinka voimakkaasti vety oli eri messuosastoilla edustettuna ja neljännestä vetytalouden tulemisesta ei ollut epäilystäkään. Merkille pantavaa oli kuitenkin, että tapahtuman kahdessa konferensseissa vety ei saanut vastaavaa huomiota osakseen. Keskustelut messuedustajien kanssa antoivat kuvan siitä, että aiempien vuosien ongelmat vedynvarastoinnissa on nyt selätetty komposiittimateriaaleista valmistettavien säiliöiden avulla.

Haasteena vedyn valmistus

Toyotan Mirai-vetyauton tankkaus kestää vain 5 minuuttia ja yhdellä tankkauksella ajaa 500 km (toyota 2020). Vetyauton pakoputkesta tulee puhdasta vesihöyryä ja hiilidioksidipäästöt ovat tasan 0 g/km.

Hetkonen – tämähän kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta!? Kyllä, valitettavasti tämä ei ole koko totuus, koska ongelmana on vedyn valmistus, joka tapahtuu nykyään fossiilisilla polttoaineilla. Tällä hetkellä 76 % vedystä valmistetaan metaanista ja 23 % kivihiilellä, minkä lisäksi vetyä syntyy kemianteollisuuden sivutuotteena (EIA 2019, 37). Vetyä voidaan valmistaa myös elektrolyysin avulla, mutta tämän osuus vedyntuotannosta on vain joitain promilleja.  Vedyn valmistus fossiilisista polttoaineista aiheuttaa vuositasolla 830 miljoonan tonnin hiilidioksidipäästöt, mikä vastaa esimerkiksi Ison-Britannian ja Indonesian yhteenlaskettuja päästöjä (EIA 2019, 31).

Kuva 1. Skotlannissa sijaitseva vetylaboratorio (Hydrogen office) tuottaa tuulisähköä Enerconin toimittamalla 750 kW tuulivoimalalla vedyn valmistusta varten. 

Vedyn valmistaminen vedestä elektrolyysin avulla kuulostaa houkuttelevalta, mutta suurin ongelma tässä on, että prosessi on todella mittava sähkösyöppö. EIAn (2019, 37) mukaan sähkön kulutus kaiken maailmassa tarvittavan vedyn valmistamiseen vuositasolla olisi yli 3600 TWh, mikä on enemmän kuin kaikkien EU-maiden yhteenlaskettu vuosittainen sähkönkulutus. Kirjallisuudessa sähkö-vety-sähkö muunnossyklin hyötysuhteeksi on usein esitetty 35–50 %, mutta käytännön kokeissa todellinen hyötysuhde on usein jäänyt alle 20 %:iin (Lund& al. 2015). Vetyä voidaan valmistaa vedestä kolmella eri elektrolyysitekniikalla, joista ainoastaan alkalielektrolyysi (AEC) on riittävän pitkälle kehittynyt valmistusmenetelmä polymeerielektrolyysin (PEM) ja höyryelektrolyysin (SOEC) ollessa vielä kehitteillä laboratoriossa. Alkalielektrolyysissa on kuitenkin heikkoutena, että sen käynnistäminen vaatii aikaa (n. 30–60 min) ja näin ollen se soveltuu heikosti esimerkiksi tuuli- tai aurinkosähkön muuntamiseksi vedyksi. Polymeerielektrolyysissä ja höyryelektrolyysissä ei ole tätä vastaavaa ongelmaa, ja ne ovat alkalielektrolyysiä huomattavasti parempia hyötysuhteeltaan. Ongelma näiden kahden ensiksi mainitun kohdalla on kuitenkin niiden korkea hinta, ja vetyasiantuntijoiden yleinen arvio on, että polymeerielektrolyysi tulee syrjäyttämään alkalielektrolyysin aikaisintaan vuonna 2030 (Schmidt& 2017). 

Suomen ABB:n toimitusjohtaja Pekka Tiitinen totesi omassa puheenvuorossaan Vaasan energiaviikolla 2019, että vetytalous ei tule toteutumaan ennen vuotta 2030. Tälle esitetylle väitteelle on helppo löytää tukea tiedemaailmasta ja melkoisella varmuudella voitaneen sanoa, että tämä nyt käynnissä oleva neljäskään vetytalousbuumi ei voi onnistua. Vedyn tuottaminen tapahtuu tällä hetkellä lähes täysin fossiilisilla polttoaineilla ja elektrolyysiteknologian kehittymistä saamme odotella vähintään vielä kymmenen vuotta, jotta julkisuudessa esitetyt hurjat vetyvisiot ja erilaiset ”power to Gas” (P2G) ratkaisut voisivat yleistyä.

Vedyn edut energiavarastona ovat kiistattomia ja vetytalous tulee varmasti tulevaisuudessa, mutta todennäköisesti ei tämän vuosikymmenen aikana.

Kuva 2. Skotlannissa sijaitsevan vetylaboratoriontekninen johtaja David Hogg esittelee pienoismallilaitteistoa sähkön muuttamisesta vedyksi ja siitä polttokennolla takaisin sähköksi pohtien samalla prosessin hyötysuhdetta. (Kuva Ossi Koskinen)

Tämä artikkeli on kirjoitettu osana Vamkin, ÅA:n ja Novian yhteistä EU-rahoitteista Energilagring!-hanketta.

Lähteet
  • EIA 2019. The Future of Hydrogen, Seizing today’s opportunities, Report prepared by the IEA for the G20, Japan

  • Lund P., Lindgren J., Mikkola J. & Salpakari J. 2015. ”Review of energy system flexibility measures to enable high levels of variable renewable electricity,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 45, pp. 785-807.

  • Schmidt O., Gambhir A., Staffell I., Hawkes A. Nelson J. & J. Few, 2017. Future cost and performance of water electrolysis: An expert elicitation study. international journal of hydrogen energy 42 (2017) 30470e30492.

  • Toyota 2020. Mirai – powered by hydrogen. https://www.toyota.com/mirai/fcv.html viitattu 6.10.2020