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. Mintz, M.: Hydrogen Distribution Infrastructure, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA, 2002

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. Dunn, S.: History of Hydrogen, Encyclopedia of energy, Elsiever, Boston, MA, USA 2004.

 Energiatalous ja tarve vetytaloudelle 

Vuonna 2005 ilmestyneen tilaston mukaan maailman primäärienergiankulutuksesta 80 % katettiin fossiilisilla polttoaineilla.IEA: Key World Energy Statistics, Pariisi, 2005. 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 Abel, E: Volume of World Petroleum Reserves, The Physics Factbook, websivu, haettu 11.3.2006, päivitetty 2000, saatavilla: , New York, 2000.. 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) Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000Fabri, J. et al.: Automotive Fuels, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000Tse, L.: Natural Gas Properties, websivu, haettu 11.3.2006, päivitetty 28.5.2004, saatavilla: , Lontoo, 2004. 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 fossiiliset 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 eivät riipu sen käytöstä vaan vain sen tuotanto- ja jakeluketjusta. Täten vetytalous vähentäisi merkittävästi polttoaineiden käytön aiheuttamia päästöjä ja vähentäisi riippuvuutta fossiilisista polttoaineista, kuten öljystä ja maakaasusta. Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000

 Vetytalouden toteutettavuus 

Suomi on mukana Euroopan laajuisessa TEN-T HIT -projektissa toteuttaa vetytalouteen tarvittavat infrastruktuurit. 
Proposal for Implementation Plan Hydrogen as Alternative Fuel in Finland 

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 IEA: Key World Energy Statistics, Paris, 2005. Energiamäärältään maailman öljyntuotanto vastaa noin 1 400 Mt vetyä vuosittain. Vuosituhannen vaihteen aikainen tuotantopasiteetti 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. http://georgepehli.googlepages.com/HydrogenEnhancedCombustion_3_5_2006.pdf 

 Lentokoneet 
Vedyn etuja lentokoneissa käyttämiseen on sen suuri energiatiheys painoa kohti, mikä voi vähentää tarvittavan polttoaineen painoa 2,8-kertaisesti. 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.http://www.bellona.org/filearchive/fil_Green_Heat_and_Power.pdf 

 Sukellusveneet 
U212-sukellusvene voi olla sukelluksissa ennätyspitkään polttokennojen avulla, jopa 3 viikkoa.
http://www.navalreview.ca/wp-content/uploads/public/vol3num4/vol3num4art11.pdf  | Submarine Developments:
Air-Independent Propulsion

 Vetytalouden ongelmia 

Vetytalouden ongelmiksi on sanottu vedyn valmistusta, varastointia ja kuljetusta, taloudellisuutta ja turvallisuutta.Zubrin, 2007. s. 113–126Luft & Korin, 2009. s. 303. Lainaus: "In particular, a hydrogen-powered vehicle uses about three times more energy than a gasoline-powered vehicle. According to the World Nuclear Association, “The energy demand for hydrogen production could exceed that for electricity production today.” Looking at transportation from a total energy consumption standpoint, nuclear power or any form of non-oil electricity generation would make a bigger contribution to energy security through generation of electricity to power vehicles than through production of hydrogen for fuel cells in vehicles." Lainaus: "Vetyä on myös erittäin hankala varastoida. Sen pitää olla todella kovassa paineessa ja lisäksi vedyllä on taipumus vuotaa lähes minkä tahansa materiaalin läpi."

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. Berry, G.: Hydrogen Production, Encyclopedia of energy, Elsiever, Boston, MA, USA 2004. 

Vetyatomi on hyvin pieni ja sen varastoinnin erityispiirteenä on se, että vety tunkeutuu diffuusion avulla teräkseen ja haurastuttaa sitä.Lanz, 2001. 1.3.4 Hydrogen Embrittlement. PDF:n s. 32 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 polttoaineiden valmistus. Eräs vahva vaihtoehto on metanoli (Metanolitalous), jota voidaan valmistaa vedystä ja hiilimonoksidista öljynjalostusta muistuttavassa prosessissa.Olah, 2006.Zubrin, 2007. s. 83–112, 137–159 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.

 Vedyn varastointi 
Paineistetun vedyn varastoinnissa autoliikenteessä käytetään yleisesti maksimipainetasoja 350 bar tai 700 bar. 350 barin säiliö voi olla lasikuituinen mutta 700 bar vaatii hiilikuiturakenteen.

 Katso myös 

 Etanolitalous
 Metanolitalous
 Kaupunkikaasu
 Polttokennoauto
 Vetyauto
 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)

Luokka:Energia
Luokka:Ympäristötekniikka
Luokka:Vety