Voitaisiinko päästötöntä vetyä tuottaa niin, että sähköä tarvittaisiin vain vähän tai ei lainkaan?

Kirjoitus on alun perin julkaistu Tekniikan Maailmassa 1.4.2022.

Hiilidioksidipäästöjen radikaali vähentäminen vaatii siirtymää vetytalouteen monilla saastuttavilla aloilla. Kun siirrytään vetytalouteen, fossiiliset energianlähteet korvataan vedyllä.

Keskustelu vetytaloudesta käy kuumana Suomessa, EU:ssa ja globaalisti. Odotukset ovat kovat, ja vedyn käytön arvioidaan kattavan lähes neljänneksen EU:n energiantarpeesta vuonna 2050. Kilpailu vetyinnovaatioiden hyödyntämisessä teollisuudessa on jo kovaa, ja suuria investointeja tehdään esimerkiksi Pohjois-Ruotsissa. Vedyn avulla hiilidioksidipäästöjä voidaan merkittävästi vähentää, jos vety tuotetaan vähäpäästöisesti tai kokonaan päästöttömästi.

Uusiutuvalla sähköenergialla eli esimerkiksi tuulivoimalla tuotettua vetyä sanotaankin vihreäksi vedyksi.

Monissa nykyisissä suunnitelmissa vety aiotaan tuottaa elektrolyysillä, joka vaatii valtavasti sähköä. Jotta vety vähentää merkittävästi päästöjä, sähkökin tulee tuottaa vähäpäästöisesti tai päästöttömästi. Onko se realistista? Voitaisiinko vetyä tuottaa päästöttömästi niin, että sähköä tarvittaisiin vain vähän tai ei lainkaan

Tarvitaan uusia vedyntuotannon menetelmiä

Suuri ongelma Suomen ja EU:n nykyisessä vetystrategiassa on sähkön riittämättömyys. Näissä strategioissa vetyä on suunniteltu tuotettavan lähinnä elektrolyysimenetelmällä. Menetelmä vaatii suunnattomasti sähköä, joka parhaimmillaan olisi tuotettu vihreästi uusiutuvalla energialla. Esimerkiksi Raahen terästehtaan terästuotanto fossiilivapaalla, elektrolyysillä tuotetulla vedyllä veisi lähes suunnilleen yhden ydinvoimalan tuottaman energian kokonaan.

Tällä hetkellä vetyä tuotetaan maailmalla noin 80 miljoonaa tonnia eli megatonnia (Mton) vuodessa eri käyttötarkoituksiin. Jos kaikki maailmassa valmistettava teräs valmistettaisiin vedyn avulla, vetyä tarvittaisiin vielä lisää noin 90 Mton. Kaikkiaan vetyä siis tarvittaisiin tällöin yli kaksi kertaa niin paljon kuin sitä nyt maailmassa tuotetaan.

Jos tämä 90 megatonnin lisämäärä vetyä tuotetaan elektrolyysillä ja tuotantoon käytetään päästötöntä sähköä, maailmaan tarvitaan lähes 250 ydinvoimalaa lisää. Yksi ydinvoimala vastaa karkeasti arvioiden 800 tuulivoimalaa, ja tuulivoiman tehontuotto on Suomessa vain 33,8 prosenttia nimellistehosta. Energia- ja vetykeskustelussa tulisi realistisesti kiinnittää­­ huomiota sähkön riittävyyteen.

Tuulivoiman lisääminen on osa ratkaisua, mutta lisäksi tarvitaan uusia vedyntuotannon menetelmiä. Vetyinnovaatioiden tarvetta korostavat myös sähkön hinnan nopea nousu ja samanaikainen Suomen sähkövajeen eli kotimaisen kulutuksen ja tuotannon välisen eron kasvu, jonka esimerkiksi Fingridin ja Nord Poolin avoimesta datasta tehty tarkastelumme osoittaa. Siinä ikävänä havaintona käy ilmi, että tulevan Olkiluoto 3 -ydinvoimayksikön ennusteen mukainen sähkön tuotanto on vain 15–25 prosenttia Suomen sähkövajeesta, mikä on selvästi vähemmän kuin aiemmat odotukset. Selvityksen mukaan vuonna 2021 Suomen sähkövajeen kustannus markkinahinnalla oli 1,4 miljardia euroa. Tällä on painava kansantaloudellinen merkitys.

Olisi nopeasti kehitettävä vedyn tuotantoon vaihtoehtoisia keinoja, jotka vaativat vain vähän tai eivät lainkaan sähköä. Vetykeksintöjen ripeästä kehittämisestä Suomen kanssa kilpailee esimerkiksi Japani.

Uudistetulla metaanipyrolyysillä vetyä ja hiilinanoputkia

Esimerkiksi hiilidioksidipäästötön metaanipyrolyysi on jo nyt toimiva ja skaalautuva menetelmä vedyntuotantoon. Metaanipyrolyysissa metaani eli maa- tai biokaasu pilkotaan niin, että sen sisältämä vety erotetaan hiilestä ja kerätään puhtaana vetykaasuna.

Prosessissa hiilestä tulee kiinteää eikä hiilidioksidia synny. Nykyteknologialla metaani pilkotaan heterogeenisen katalyytin avulla, huomattavasti termistä prosessia matalammissa lämpötiloissa. Tämä mahdollistaa erittäin energiatehokkaan prosessin.

Katalyyttistä prosessia muokkaamalla voidaan vaikuttaa siihen, millaista hiiltä muodostuu. Tästä prosessissa syntyvästä puhtaasta hiilestä on mahdollista tuottaa esimerkiksi hiilinanoputkia, joita voi hyödyntää vaikkapa uusissa akkuteknologioissa energianvarastoinnin sovelluksissa.

Metaanipyrolyysi olisi kestävän kehityksen arvojen mukainen menetelmä tuottaa vetyä, sillä siinä ei synny sivuvirtoja vaan vain kahta primäärituotetta: vetyä ja nanohiiltä. Metaanipyrolyysi on myös hiilidioksidivapaa tuotantoteknologia, jonka vaatima energiamäärä on vain noin kymmenesosa verrattuna esimerkiksi vesielektrolyysillä tuotettuun ”vihreään vetyyn”.

Aurinkovetyä inspiroi luonnon nerokkuus

Aurinkovety on tulevaisuuden keino, jota tutkitaan ja kehitetään nyt paljon. Siinä vetyä tuotetaan vedestä auringonvalon avulla. Menetelmää sanotaan valokatalyysiksi. Aurinkovedyksi kutsutaan vetyä, joka on tuotettu vedestä valokatalyyttisesti suoraan valolla, ilman sähköä.

Menetelmässä katalyyttimateriaaliin imeytyvä valon energia riittää hajottamaan vesimolekyylit vedyksi ja hapeksi, jotka kerätään. Prosessi on täysin päästötön. Aurinkovetypaneeli muistuttaa toimintaperiaatteeltaan tavallista aurinkopaneelia, mutta sen sisällä on vettä. Auringonvalon energiasta pystytään hyödyntämään tällä hetkellä 1–5 prosenttia, mutta valo itsessään on ilmaista ja päästötöntä.

Tehokkuutta parannetaan katalyyttikehityksellä ja esimerkiksi biomimikoiduilla nanokalvorakenteilla, jotka vähentävät energiahäviöitä. Niiden kehityksessä jäljitellään luonnon nerokkuutta ja tehokkuutta esimerkiksi perhosen siiven tai ruohon rakenteissa.

Evoluution ansiosta kasvit keräävät optimaalisesti auringon säteilyä. Tutkijat kopioivat eri kasvien lehtien pintarakenteen kalvolle. Kun tällainen kalvo laitetaan esimerkiksi valokennon päälle, valonkeruu tehostuu jopa noin 17 prosenttia. Energiaa ei tule mistään lisää, mutta takaisinheijastus vähenee. Myös perhosen siipisuomuja jäljittelevillä nanorakenteilla voidaan huomattavasti parantaa aurinkopaneeleita tekemällä niistä vähemmän heijastavia.

Lisäksi aurinkovetykennojen materiaalitehokkuus ja ympäristörasitus tulevat olemaan merkittävästi esimerkiksi aurinkosähköä parempia.

Tutkimus on ykkösasia myös vedyntuotannossa. Vetyä tutkivat suomalaiset korkeakoulut kehittävät parhaillaan tutkimuksen ja koulutuksen toimintasuunnitelmia, jotka huomioivat vetysiirtymän vaikutukset koko yhteiskuntaan.

Artikkelin voi maksutta julkaista toisella sivustolla, kunhan noudattaa uudelleenjulkaisua koskevia ohjeita.

Lue lisää: Aurinkoenergiaa talteen perhosen siivellä