Vetytalous

Vetytaloudella viitataan energian siirtämiseen ja varastointiin molekylaarista vetyä käyttäen. Erityisesti termiä käytetään puhuttaessa maaöljypohjaisten liikennepolttoaineiden korvaamisesta kestävämmällä ratkaisulla. Vetyä voidaan valmistaa esimerkiksi elektrolyysillä, eli erottamalla vesimolekyylien happi ja vety toisistaan sähköenergian avulla. Hapen ja vedyn yhdistäminen polttamalla tai polttoainekennossa tuottaa sähköä ja/tai lämpöenergiaa.

Historia 

Pastori William Cecil oli ensimmäinen, joka ehdotti vedyn käyttöä polttoaineena moottorissa vuonna 1820. Hieman myöhemmin, vuonna 1874, tieteiskirjailija Jules Verne kirjoitti: ”polttoaine, jota käytetään hiilen loputtua … on vesi … mutta hajotettuna osasikseen … ja hajottamiseen käytetään epäilemättä sähköä.” Valitettavasti hän ei paljastanut veden hajottamiseen käytettävää primäärienergianlähdettä. 

Nykyaikainen vetytalouden käsite on kuitenkin syntynyt 1960- ja 1970-luvuilla kasvaneen ympäristötietoisuuden, erityisesti energiakriisien myötä. Idean pioneerina pidetään amerikkalaista John Bromista, joka myös tiettävästi ensi kerran käytti termiä vetytalous vuonna 1970 konsultoidessaan General Motorsia öljypolttoaineiden vaihtoehdoista.

Energiatalous ja tarve vetytaloudelle 

Vuonna 2005 ilmestyneen tilaston mukaan maailman primäärienergiankulutuksesta 80 % katettiin fossiilisilla polttoaineilla. Fossiilisten polttoaineiden käytön ympäristövaikutukset, joista merkittävimpiin kuuluu ilmastonmuutos, ovat lisänneet tarvetta löytää niille vaihtoehtoja. Kriittisimpiin polttoaineisiin kuuluu öljy, jonka korvaaminen nestemäisenä, kompaktina ja hyvin monikäyttöisenä polttoaineena on vaikeaa, erityisesti liikennekäytössä. Ilma-, meri- ja maantieliikenne perustuu nykyään miltei täysin öljypohjaisten polttoaineiden hyödyntämiselle. Öljypohjaisten polttoaineiden vaihtoehtojen etsiminen on siksikin tärkeää, että öljyn tunnetut reservit ovat useiden eri lähteiden mukaan kokoluokkaa 1,5 x 1011 m3. Öljyä arvioidaan riittävän nykykulutuksella n. 50 vuodeksi, mutta kulutuksen kasvusta riippuen öljyvarannot saattavat huveta aiemminkin . Öljyn vaihtoehtoja etsittäessä yksi varsin ilmeinen ehdokas on vety.

Vetytalouden edut 

Vety, jonka atomi koostuu vain yhdestä protonista ja sitä kiertävästä elektronista, on kaikkein kevein ja yksinkertaisin alkuaineista ja myös monilukuisin; sitä on noin 90 % maailmankaikkeuden aineesta. Maassa sitä on erityisesti vedessä ja hiilivedyissä. Vety on runsautensa ja fysikaalisten ominaisuuksien puolesta houkutteleva vaihtoehto öljypolttoaineille. Palaessaan se muodostaa vettä ja luovuttaa massaansa nähden suuren määrän energiaa. Vetykaasu koostuu kaksiatomisista vetymolekyyleista. Se on myrkytöntä ja vuotaessaan nousee nopeasti yläilmoihin ja laimenee, lopulta yhtyen hapen kanssa vedeksi. 

Vedystä tekee mielenkiintoisen energiankantajan vetykaasun korkea lämpöarvo, n. 119 MJ/kg. Tätä voi verrata esimerkiksi bensiiniin (43,0 MJ/kg), dieselöljyyn (42,6 MJ/kg), maakaasuun (38–50 MJ/kg) ja etanoliin (26,8 MJ/kg) . Nestevedyn tiheys on 70,8 kg/m³ 20 K lämpötilassa, minkä vuoksi sen energiatiheys tilavuuteen nähden on huono. Bensiinilitra sisältää neljä kertaa enemmän energiaa kuin nestemäinen vety. Vety soveltuu käytettäväksi polttokennojen polttoaineena, jolloin voitaisiin saavuttaa korkeampia hyötysuhteita nykyisiin moottoreihin verrattuna.

Vetytalouden perusajatuksena on korvata nestemäiset polttoaineet kokonaan tai osittain vedyllä. Samalla polttoaineen asema primäärienergianlähteenä vaihtuisi energian kantajaksi: vety pitäisi ensin valmistaa jollain energiaa kuluttavalla menetelmällä. Konseptin hyötynä on, että fossiilisten polttoaineiden käyttöön väistämättä liittyvät haitalliset päästöt torjuttaisiin; vetypolttoaineen käytön ympäristövaikutukset riippuvat vain sen tuotanto- ja jakeluketjusta, eivät sen käytöstä. Täten vetytalous vähentäisi merkittävästi polttoaineiden käytön aiheuttamia päästöjä ja ainakin vähentäisi riippuvuutta ajanoloon hupenevasta öljystä.

Vetytalouden toteutettavuus 

Suomi on mukana Euroopan laajuisessa TEN-T HIT -projektissa toteuttaa vetytalouteen tarvittavat infrastruktuurit. 

Vetytalouden muuttaminen teoreettisesta pohdinnasta toimivaksi energiataloudeksi edellyttää useiden ongelmien ratkaisemista. Vetytalouden vaatima jakeluverkosto puuttuu, vedyn varastointi etenkin pienessä mittakaavassa ja kulkuneuvoissa on ongelmallista ja tarvitaan keino vedyn kuljettamiseksi valmistuksesta kulutukseen. 

Maailmassa tuotettiin ja kulutettiin öljyä vuoden 2005 aikoihin miltei 4 000 Mt vuosittain ja kysyntä oli kasvussa . Energiamäärältään maailman öljyntuotanto vastaa noin 1 400 Mt vetyä vuosittain. Vuosituhannen vaihteen aikainen tuotankopasiteetti oli 50 Mt luokkaa .

Vetytalouteen siirtymistä perustellaan polttoaineen helpolla saatavuudella: Maan pinnasta suurin osa peittyy veden alle, joka puolestaan on vedyn lähde. Vedyn valmistaminen erottamalla happi ja vety vedestä vaatii kuitenkin vastaavasti runsaasti energiaa. Vedyn valmistukseen kuluvat suuret energiamäärät tulisi ensin tuottaa esimerkiksi sähkönä. Sähköntuotanto puolestaan on toistaiseksi suurelta osin sidottu fossiilisten polttoaineiden käyttöön, joten ennen vetytalouteen siirtymistä tarvitaan halpa ja globaalisti käyttökelpoinen energianlähde. Tällaiseksi on toivottu fuusiovoimaa, mutta aurinko- ja tuulisähkön tuotannon varastointi vedyksi voi olla yksi sovellus.

Mahdollisia tapoja tuottaa vetyä tunnetaan useita, ja niiden ominaisuuksista riippuu, mikä tuotantotapa sopii kuhunkin tilanteeseen.

Vedyn tuotantotapoja:
Reformointi muista polttoaineista
Elektrolyysi
Termokemialliset syklit
Biokemialliset prosessit
Radiolyysi
Fotolyysi
Katalyyttisesti aurinkoenergialla.
Tavallisen lämpövoimakoneen polttoaineen kulutusta on mahdollista vähentää noin 25–30 % sekoittamalla vetyä polttoaineeseen palokammiossa. Lisäksi hiilimonoksidi- ja hiilivetypäästöt voidaan eliminoida palokaasuista kokonaan ja NOx-päästöt vähenevät.

Lentokoneet 
Kenties lupaavin käyttökohde vetypolttoaineelle on lentokoneet. Vedyn suuri energiatiheys painoa kohti voi vähentää tarvittavan polttoaineen painoa 2,8-kertaisesti, minkä vuoksi moottoreiden kokoa voidaan pienentää. Nestemäistä vetyä voidaan käyttää viilentämään moottoreita, mikä lisää niiden käyttöaikaa 25 % samalla vähentäen huoltotarvetta. Lisäksi päästöt ilmakehän yläosiin vähenevät oleellisesti. Haittapuolena on polttoaineen suuri tilantarve ja yli kymmenen kilometrin korkeuksilla kasvihuoneilmiötä aiheuttavan vesihöyryn vapautuminen.

Sukellusveneet 
U212-sukellusvene voi olla sukelluksissa ennätyspitkään polttokennojen avulla, jopa 3 viikkoa.

Vetytalouden ongelmia 

Vetytalouden ongelmiksi on sanottu vedyn valmistusta, varastointia ja kuljetusta, taloudellisuutta ja turvallisuutta.

Vedyn haittapuolia ovat räjähdysalttius, vaikea varastoitavuus ja ennen kaikkea se, että se esiintyy maapallolla  yhdisteinä, ja sen valmistaminen on usein  energiaa vievä prosessi. Energianlähteeksi vedystä ei ole, mutta energiankantajaksi kyllä. Vedyn tulevaisuuden polttoaineena ratkaisee, löytyykö taloudellista tapaa tuottaa, varastoida ja jakaa sitä energiakäyttöön.  

Vetyatomi on hyvin pieni ja sen varastoinnin erityispiirteenä on se, että vety tunkeutuu diffuusion avulla teräkseen ja haurastuttaa sitä. Lisäksi vetysäiliöitä on vaikea saada täysin tiiviiksi, jolloin vuotohäviöt ainakin pitkäaikaisemmassa kaasumaisen vedyn varastoinnissa voivat tulla merkitseviksi ellei hoideta asianmukaisesti.

Vaihtoehtona vedyn suoralle polttoainekäytölle esimerkiksi autoissa on ehkä turvallisuuden vuoksi kannatettavampaa synteettisten fossiilisten polttoaineiden valmistus. Eräs vahva vaihtoehto on metanoli (Metanolitalous), jota voidaan valmistaa vedystä ja hiilimonoksidista öljynjalostusta muistuttavassa prosessissa. Tällöin maapallon ilmakehän hiilitase ei häiriinny, koska tarvittava hiili voidaan ottaa energiakasveista kuten levistä. Toinen vaihtoehto on synteettinen metaani. Lähinnä metaanista koostuvaa maakaasuahan jo hyödynnetään suuressa mittakaavassa eli metaanin jakeluinfrastruktuuria on jo olemassa.

Katso myös 

 Etanolitalous
 Metanolitalous
 Kaupunkikaasu
 Polttokennoauto
 Nestevety
 Sähköpolttoaine

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

Pertti Kauranen, Jussi Solin, Kari Törrönen, Jouko Koivula, Juhani Laurikko: Vetytiekartta – Vetyenergian mahdollisuudet Suomelle, Tutkimusraportti, VTT, 3.4.2013 (pdf)

Energia
Ympäristötekniikka
Vety