Vety on saanut kuluneena vuotena paljon aikaisempaa enemmän näkyvyyttä keskusteluissa ja hankkeissa, jotka käsittelevät energian varastointia, synteettisiä polttoaineita ja monia muita synteettisiä hiilivetyjä – jopa ruokaproteiineja.
Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine. Silti sitä ei esiinny maapallolla sellaisenaan missään olosuhteissa. Kaikki käytettävä vety pitää valmistaa.
Vety valmistetaan fossiilisista polttoaineista
Vetyä tuotetaan vuosittain noin 80 miljoonaa tonnia. Vanhoina 100 000 tonnin supertankkerikuormina laskettuna siis 800 laivalastia. Tuota vetymäärää ei ole kuitenkaan mahdollista lastata laivoihin, koska vety on kaasuista kevyintä ja vie paljon tilaa.
Noin 95 prosenttia (%) vedystä tuotetaan fossiilisista raaka-aineista, käytännössä maakaasun höyryreformoinnilla. Siinä maakaasun eli metaanin molekyylisidos rikotaan, hiili hapetetaan ja tuloksena on vetyä ja hiilidioksidia (CO2). Vedyllä on teollisuudessa monia käyttötarkoituksia. Suurin määrä kuluu lannoitteiden raaka-aineena käytettävän ammoniakin tuotantoon ja seuraavaksi eniten öljynjalostuksessa.
Joku onkin sanonut, että syömme ja käytämme polttoaineena vetyä jo nyt. Tulevaisuudessa vedyn hyödyntäminen ruokana ja polttoaineena saattaa kuitenkin tapahtua aivan toisenlaisen prosessin kautta.
Vety on energian kantaja
Koska vetyä ei esiinny maapallolla luonnostaan, ei sitä voi pitää energianlähteenä vaan paremminkin energian varastointi- tai siirtovälineenä. Vedyn varastoinnissa on kuitenkin omat haasteensa.
Vety sisältää erittäin paljon energiaa massayksikköä kohden. Kilossa vetyä on lähes kolminkertainen määrä energiaa verrattuna kiloon bensiiniä tai dieselöljyä. Vedyn tiheys on kuitenkin hyvin pieni, joten sen varastointi vaatii erityisiä järjestelyjä. Kaasumaisena sitä säilytetään jopa 700 barin paineisena. Pieni molekyyli pyrkii kuitenkin tihkumaan jopa teräksen läpi. Myös nesteyttäminen on mahdollista, mutta edellyttää miinus 253 celsius-asteen (°C) lämpötilaa, noin 20 astetta kelviniä.
Kolmas varastointitapa on vedyn sitominen metallihydrideihin. Tämä on periaatteessa turvallinen tapa, koska vety ei vuoda pois hydridistä, vaan vapauttaminen edellyttää lämmittämistä. Varastosta tulee myös painava, koska vetyä saadaan sidottua alle 10% metallihydridin massasta. Kaupallisia sovelluksia ei tälle tekniikalle ole toistaiseksi tiedossa.
Vetyyn voi varastoida ylimääräistä sähköä
Vedyn valmistaminen uusituvista raaka-aineista on myös mahdollista. Yksi tunnettu tapa on kiinteän biomassan pyrolysointi, eli kuumentaminen korkeaan lämpötilaan hapettomassa olosuhteessa. Kysymys on vanhasta kunnon häkäpöntöstä, joka tuottaa puupilkkeestä vetyä, hiilimonoksidia ja hiilidioksidia.
Voimakkaimmin kehittyvä teknologia on kuitenkin veden elektrolyyttinen hajottaminen sähkövirralla vedyksi ja hapeksi. Kun sähkövirta tuotetaan esimerkiksi tuuli- tai aurinkoenergialla, on vedyn poltosta syntyvä energia käytännössä päästötöntä.
Tuuli- ja aurinkovoimaloiden vaihtelevan sähköntuotannon yhteensovittaminen kulutuksen kanssa on ollut yksi suurista keskustelunaiheista ja vety saattaa olla yksi hyvä ratkaisu tähän. Kokonaisuus kuitenkin edellyttää hyvin halpaa sähköä, koska veden hajottaminen vaatii paljon energiaa. Veden elektrolyysin hyötysuhde on tyypillisesti 60–70% ja parhaimmillaan noin 80–85%. Prosessissa syntyvän lämmön hyödyntäminen antaa mahdollisuuden edelleen parempaan hyötysuhteeseen.
Kun vedystä halutaan tehdä jälleen sähköä, on se mahdollista vaikkapa kaasuturbiinin pyörittämällä generaattorilla tai entistä useammin polttokennolla, joiden teknologia on voimakkaan kehitystyön kohteena. Polttokenno voi olla hyvinkin pieni ja toimia esimerkiksi henkilöauton voimanlähteenä tai suuri, voimalaitosmittakaavan laitos. Tyypillinen polttokennon hyötysuhde on nykyisin noin 60%, mutta jopa 80–90% hyötysuhteita on saavutettu. Ylimääräisen lämmön hyödyntämismahdollisuus parantaa jälleen tilannetta.
Vedyllä on monia käyttömahdollisuuksia
Suomen suurin CO2-päästöjen aiheuttaja on SSAB:n Raahen terästehdas – noin 7% Suomen CO2-päästöistä. Maailmanlaajuisesti terästeollisuus tuottaa 7–9% maailman CO2-päästöistä. SSAB kehittää teknologiaa, jossa teräksen valmistuksessa käytettäisiin yli tuhat vuotta vanhan masuunitekniikan sijasta vetyä. Kun vety olisi tuotettu päästöttömästi, olisi myös teräksen valmistaminen lähes päästötöntä.
Suomen toiseksi suurin CO2-päästöjen tuottaja on Nesteen Porvoon öljynjalostamo. Mikäli jalostamo siirtyisi käyttämään päästötöntä vetyä, lähtisi laitoksen päästöistä saman tien noin kolmannes.
Suomessa seuraavat suurimmat päästöjen aiheuttajat ovat suurien kaupunkien energialaitokset, jotka tuottavat sähköä ja lämpöä tuottavia yhteistuotantolaitoksia (CHP; Combined Power and Heat). Tilanne on hyvin pitkälti vastaava monissa maissa ympäri maailmaa. Sähkön tuottaminen vedystä tuottaa aina myös runsaasti lämpöä.
Liikenteen päästöt ovat luonnollisesti oma lukunsa ja vety tai siitä johdetut energiaratkaisut ovat yksi lupaava linja liikenteen CO2-päästöjen eliminoimisessa.
Hiilivedyt ovat polttoaineita ja paljon muuta
Hiilivedyt ovat melko yksinkertaisia orgaanisia molekyylejä, jotka sisältävät vain hiili- ja vetyatomeja. Esimerkiksi maaöljy on suureksi osaksi erilaisten hiilivetyjen seos ja maakaasu eli metaani (CH4) sisältää vain yhden hiiliatomin ja neljä vetyatomia. Itse asiassa koko orgaaninen kemia ja elollinen luonto perustuu hiileen ja hyvin usein siihen sitoutuneeseen vetyyn ja muihin atomeihin.
Orgaanisen kemian prosessit ovat mielenkiintoisia ja antavat mahdollisuuden melkoisiin ”taikatemppuihin”.
Uusiutuvalla prosessilla – käytännössä uusiutuvalla sähköllä tehdyllä elektrolyysillä – tuotettu vety taipuu moneen. Vedyn ja hiilen yhdistäminen metaaniksi onnistuu sekä katalyyttisellä että biologisella menetelmällä. Metaani puolestaan on helpommin hallittavaa kuin puhdas vety ja infrastruktuuri metaanin varastoimiseen, siirtoon ja autojen ja monien teollisten prosessien polttoaineena käytettäväksi on jo pitkälle rakennettu.
Energian kanssa toimivat yritykset kuten meillä Fortum, Neste ja Wärtsilä panostavat voimakkaasti vetytalouteen ja uusiin, vetyyn perustuvien ratkaisujen kehittämiseen. Synteettiset, nestemäiset polttoaineet ovat yksi tärkeä kehityksen kohde. Nestemäisissä polttoaineissa energia on tiiviissä ja helposti käsiteltävässä muodossa ja infrastruktuuri on valmiina käsittelyä ja jakelua varten. Esimerkiksi lentoliikenteen päästöt olisi hienoa ratkaista synteettisellä, päästöttömällä kerosiinilla.
Myös muovien ja vastaavien, perinteisesti maaöljystä jalostettujen materiaalien valmistusta päästöttömistä hiilivedyistä kehitetään voimakkaasti.
Vielä pidemmälle on menty VTT:n ja Lappeenrannan-Lahden teknillisen yliopiston (LUT) ideaan perustuvassa hankkeessa, jota toteuttamaan on perustettu Solar Foods -yhtiö. Yhtiö kehittää bioreaktoria, jossa mikrobeja ruokitaan vedyllä ja ne tuottavat ravinnoksi soveltuvia proteiineja.
Sähkö ja vety kulkevat käsi kädessä
Tuuli- ja aurinkoenergia ovat käytännössä rajattomia energianlähteitä, koska niitä on tarjolla kymmeniä tai satoja kertoja enemmän kuin ihmiskunnan energiankulutus. Sähkön logistiikka aiheuttaa kuitenkin päänvaivaa, koska sitä pitää tuottaa joka hetki saman verran kuin kulutetaan. Perinteiset akut ovat useimmissa käyttötarkoituksissa liian kallis varastointitapa.
Vety on lupaava ratkaisu sähkön varastoimiseen. Vedyn tuottaminen sähköllä on helppoa ja se soveltuu sekä energiavarastoksi että käytettäväksi monissa teollisissa prosesseissa hiilen tai muiden fossiilisten raaka-aineiden sijasta. Kulunut vuosi 2020 saattaa olla käännekohta, jolloin vety astui ratkaisevalla tavalla kestävän kehityksen ytimeen.
Jouko Lampila
