Vetytalous - vihreä energia

Vety vihertää koko Euroopan

Kun halutaan päästä eroon fossiilisista polttoaineista, uusiutuvat energianlähteet, kuten aurinko- ja tuulivoima, eivät riitä. Siksi EU:n suunnitelman mukaan vety täyttää aukot ja tekee Euroopasta täysin vihreän 2050.

Kun halutaan päästä eroon fossiilisista polttoaineista, uusiutuvat energianlähteet, kuten aurinko- ja tuulivoima, eivät riitä. Siksi EU:n suunnitelman mukaan vety täyttää aukot ja tekee Euroopasta täysin vihreän 2050.

Shutterstock & Lotte Fredslund

Cappelle-la-Grande näyttää tavalliselta pohjoisranskalaiselta taajamalta, mutta siinä on kuitenkin jotain erikoista. Sen katujen alla kulkevissa putkissa virtaa nimittäin maakaasun lisäksi vetyä, joka on tuotettu tuuli- ja aurinkovoimalla.

Maakaasun lisäksi paikallinen voimalaitos käyttää vetyä tuottaessaan kaukolämpöä ja sähköä ja lämmittäessään vettä melkein 8 000 asukkaalle.

Korvaamalla osan maakaasusta vedyllä kunta vähentää hiilidioksidipäästöjään seitsemän prosenttia. Määrä voi vaikuttaa pieneltä, mutta muutos on merkittävä askel matkalla kohti hiilestä, öljystä ja maakaasusta luopumista.

Vetytaloudesta tulee suurin energiavallankumous teollistumisen jälkeen.

Ranskalaiskunta on siten koelaboratorio, joka antaa tietoa siitä, mitä vihreä vety merkitsee tulevaisuuden energiahuollolle ja kuinka EU:n tavoite – täysin vihreä Eurooppa vuonna 2050 – voi toteutua.

Vetytaloudesta tulee suurin energiavallankumous sen jälkeen, kun hiili pani liikkeelle teollistumisen.

Aurinko- ja tuulivoimaa varastoon

Vety on maailmankaikkeuden yksinkertaisin ja tavallisin alkuaine. Siksi sitä on tarjolla periaatteessa rajattomasti.

Vetyä esiintyy lukemattomissa kemiallisissa yhdisteissä, kuten vedessä. Kätevin tapa hankkia puhdasta vetyä onkin sen irrottaminen vesimolekyylin hapesta elektrolyysiksi kutsutulla prosessilla. Se perustuu vedessä kahden elektrodin kautta kulkevaan sähkövirtaan.

Sähkö hajottaa vesimolekyylit vedyksi ja hapeksi. Toinen elektrodi kerää kaasumaista vetyä ja toinen happea. Tällä tavalla voidaan varastoida tuuli- ja aurinkovoimaa myöhempää käyttöä varten. Ja vihreän sähkön varastoiminen on avainasemassa, kun siirrytään käyttämään uusiutuvia energianlähteitä.

Vetytalous elektrolyysi

Vetytalouden keskiössä on elektrolyysi, jossa sähkön avulla hajotetaan vettä (H2O) puhtaaksi hapeksi (O2) ja puhtaaksi vedyksi (H2).

© Shutterstock & Lotte Fredslund

Aurinko- ja tuulivoiman huono puoli on se, että tuotanto on luonnostaan epävakaata. Sähköä saadaan runsaasti aurinkoisina ja tuulisina päivinä, mutta monien voimaloiden tuotantoedellytyksiin vaikuttavat sekä sää että vuodenaika. Siksi sähköstä voi tulla ajoittain pulaa.

Jos tuotanto saadaan vastaamaan tarvetta käyttämällä avuksi vetyä, tasapainoa on mahdollista pitää yllä ilman fossiilisia polttoaineita.

Siitä huolimatta, että liikenteessä, asumisessa ja rakennusten lämmityksessä siirrytään käyttämään pelkästään vihreää sähköä, hiilidioksidipäästöt laskevat nykytasosta vain 80 prosenttia.

Sementti-, teräs- ja lasitehtaiden kaltaisissa laitoksissa on tarvetta niin korkeille lämpötiloille, ettei sähkö ole sopiva energianlähde. Toimiva vaihtoehto on vihreää vetyä polttava kaasuturbiini.

Nykyään muovien, lannoitteiden ja monien teollisuuskemikaalien valmistus perustuu öljyyn ja maakaasuun. Myös niiden osalta uusilla elektrolyysimenetelmillä tuotettava vety ratkaisee ongelman. Lisäksi voidaan saada vihreä lentopolttoaine.

Elektrolyysi antaa puhdasta vetyä ja vihreitä tuotteita

Aurinko- ja tuulivoimalla voidaan hajottaa vettä hapeksi ja vedyksi. Kun hiilidioksidia pumpataan veteen, elektrolyysi luo ilmastoneutraaleja polttoaineita. Lisäämällä prosessiin typpeä saadaan vihreää lannoitetta.

Vetytalous vety energiavarasto
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Vihreällä virralla tehdään vetyä

Aurinko- ja tuulivoimaloiden tuottamalla sähköllä hajotetaan vesimolekyylejä hapeksi (O2) ja vedyksi (H2). Vety toimii energiavarastona, johon voidaan turvautua silloin, kun uusiutuvista energianlähteistä ei saada tarpeeksi sähköä.

Vetytalous kasvihuonekaasu vihreä polttoaine
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Kasvihuonekaasusta vihreää polttoainetta

Voimalaitosten päästöjen tai ilmakehän hiilidioksidi kelpaa ilmastoystävällisen polttoaineen raaka-aineeksi. Elektrolyysilaitoksessa vesi ja hiilidioksidi hajotetaan atomeiksi. Hiilestä ja vedystä muodostuu hiilivetyketjuja, joista syntyy bensiiniä tai lentopolttoainetta (C10H22).

Vetytalous typpi vihreä keinolannoite
© Shutterstock & Lotte Fredslund

Ilman typestä vihreää lannoitetta

Vedestä irrotettu vihreä vety voi reagoida myös ilman typen (N2) kanssa. Syntyy ammoniakkia (NH3), jota käytetään muun muassa lannoitteissa. Nykyään ammoniakkia valmistetaan maakaasusta paljon energiaa vaativalla menetelmällä.

Kaiken kaikkiaan tarvitaan paljon enemmän vetyä kuin aurinkoisten ja tuulisten päivien ylijäämäsähköllä on mahdollista tuottaa. Jotta vetytalous toteutuisi tavoitteiden mukaan vuoteen 2050 mennessä, viidesosa kaikesta tuotettavasta sähköstä pitäisi käyttää elektrolyysiin.

Vety sopii raskaille ajoneuvoille

Vielä joitakin vuosia sitten näytti siltä, että vetytalouteen siirtymisen aloittavat polttokennoautot, joilla on pitempi toimintamatka kuin sähköautoilla ja joiden tankkaus sujuu nopeasti. Nykyään vetyautoihin panostetaan etenkin Japanissa, Etelä-Koreassa ja Kiinassa, ja näissä Aasian maissa ennustetaan olevan vuonna 2030 käytössä pari miljoonaa vetykäyttöistä henkilöautoa.

Vetytalous sininen Toyota

Vetykäyttöisten autojen toimintamatka on selvästi pitempi kuin sähköautojen. Ennätystä hallussaan pitävällä Toyota Mirailla ajettiin 1 360 kilometriä vain viisi minuuttia kestäneen tankkauksen jälkeen.

© Toyota

Vetyautot ovat jäämässä eduistaan huolimatta sähköautojen varjoon Euroopassa. Sähköautot hyödyntävät vihreää sähköä tehokkaammin, koska sitä ei ole varastoitu auton polttoaineena käyttämäksi vedyksi.

Lisäksi akkujen kehitys on pidentänyt sähköautojen toimintamatkan 300–500 kilometriin. Se riittää useimmille autoilijoille.

Uudessa strategiassaan EU arvioi kuitenkin, että vety on paras vihreä vaihtoehto raskaiden ajoneuvojen voimanlähteeksi. Niissä on hyvin tilaa sekä vetysäiliöille että polttokennoille, jotka tuottavat moottoreiden tarvitsemaa sähköä vedystä.

Vetyä voivat käyttää myös linja-autot ja sähköistämättömillä radoilla kulkevat junat. Lisäksi tanskalainen varustamo DFDS suunnittelee vetykäyttöistä alusta, jonka on tarkoitus liikennöidä Kööpenhaminan ja Oslon välillä.

Vetytalous DFDS vetyalus

Tanskalaisvarustamo DFDS suunnittelee vetykäyttöistä alusta, jonka polttokennojen teho on peräti 23 megawattia. Jos suunnitelma toteutuu, vetytekniikka saa hyvää mainosta.

© DFDS/Shutterstock

Muita lupaavia käyttökohteita ovat maansiirto-, maatalous- ja metsäkoneet sekä nosturit. Suuren energiankulutuksen vuoksi sähkö ei tule kysymykseen, koska akut tyhjenevät nopeasti ja niiden lataaminen kestää kauan.

Kuljetus- ja rakennusalojen merkitys korostuukin, kun vedyllä täytetään energiahuollon aukkoja.

EU:n vetystrategian keskeisiin tavoitteisiin kuuluu vihreän vedyn myynnin aloittaminen nopeasti, sillä markkinoiden avautumisen uskotaan vauhdittavan teknistä kehitystä.

Siksi Ranskassa, Saksassa, Italiassa, Alankomaissa, Tanskassa ja Britanniassa tutkitaan mahdollisuuksia kuljettaa myös vetyä jo olemassa olevassa maakaasuverkossa niin kuin Cappelle-la-Grandessa.

Tutkimusten mukaan yksinkertaisilla muutoksilla järjestelmä saadaan sopimaan kaasuseokselle, joka sisältää 80 prosenttia metaania ja 20 prosenttia vetyä. Vedyn lämpöarvo on matalampi kuin maakaasun, joten viidesosa vihreää vetyä vähentää kaasuvoimalaitoksen hiilidioksidipäästöjä 15 prosenttia.

Pitkän aikavälin tavoite on kunnianhimoisempi. EU vaatii, että vuodesta 2030 eteenpäin voimaloiden uusissa kaasuturbiineissa poltetaan puhdasta vetyä.

Liikkeelle sinisellä vedyllä

Lähivuosikymmeninä vihreän vedyn tuotannon odotetaan moninkertaistuvan Euroopassa. Siirtymävaiheen aikana norjalaisella niin sanotulla sinisellä vedyllä on tärkeä osa kaasuverkkojen, voimalaitosten ja raskaan teollisuuden kehityksessä.

Sinistä vetyä valmistetaan tavalliseen tapaan maakaasusta, mutta menetelmästä tekee erikoisen se, että prosessissa syntyvä hiilidioksidi otetaan talteen ja varastoidaan merenpohjaan, jottei se pääse kuormittamaan ilmastoa.

Norjan valtion omistama energiayhtiö Equinor suunnittelee putkea maalla toimivasta vetytehtaasta merenalaisen Trollin kaasukentän kallioperään. Sinisen vedyn tuotannossa syntyvää hiilidioksidia on tarkoitus alkaa varastoida sinne vuonna 2024.

Equinorin mukaan tehtaan päästöt jäävät pieniksi, koska arviolta 95 prosenttia hiilidioksidista varastoituu merenpohjaan 2 600 metrin syvyyteen.

Aluksi sinistä vetyä kuljetetaan Saksan, Belgian, Alankomaiden ja Britannian terästehtaiden ja voimalaitosten käyttöön säiliöaluksilla, mutta Equinor on jo alkanut tutkia mahdollisuuksia rakentaa merenalainen kaasuputki Norjasta Länsi-Eurooppaan.

80 prosenttia vihreästä sähköenergiasta voidaan nykyään muuttaa vedyksi.

Sinisen vedyn entistä laajemman hyödyntämisen lisäksi asiantuntijoita työllistävät kehityshankkeet, joilla tähdätään siihen, että vihreästä vedystä tulee taloudellisesti kannattava ja toimiva energiavaihtoehto.

Vetytehtaiden tuotannon on moninkertaistuttava. Kyse on siitä, että niiden pitää pystyä tekemään vetyä Euroopan suurten merituulipuistojen ja aurinkovoimaloiden gigawateilla.

Uudet laitokset laskevat vedyn hintaa

Nykyään tehokkain menetelmä, PEM-elektrolyysi, muuttaa 80 prosenttia sähköenergiasta vedyksi. Osuuden odotetaan kasvavan 86 prosenttiin vuoteen 2030 mennessä.

Brittiläisessä Gigastack-hankkeessa rakennetaan maailman suurinta elektrolyysilaitosta, joka tuottaa merituulipuiston sähköllä vihreää vetyä. Laitoksen 100 megawatin kapasiteetti vastaa 100 000 kotitalouden sähkönkulutusta.

Laitos koostuu 20 moduulista, joista jokainen voi toimia viiden megawatin teholla. Moduulirakenteen ansiosta elektrolyysilaitoksen kokoa voidaan kasvattaa joustavasti tarpeen mukaan, ja Gigastack-hankkeessa esitetyn arvion mukaan moduulien teollinen valmistus höylää 40 prosenttia hinnasta.

Vetytalous elektrolyysilaitos Britannia

Britanniassa vuonna 2025 käyttöön otettava 100 megawatin moduulirakenteinen Gigastack-elektrolyysilaitos tuottaa vihreää vetyä merituulipuistosta tulevalla sähköllä.

© Gigastack

Vihreä vety on vielä 2–4 kertaa niin kallista kuin maakaasusta valmistettava musta vety, mutta EU odottaa vihreästä vedystä tulevan kilpailukykyistä jo vuoteen 2030 mennessä siellä, missä on tarjolla edullista sähköä.

Kun vedyn tuotanto kasvaa, tarvitaan lisää varastoja. Varastointipaikaksi sopii kallioperä. Kaasumaista vetyä voidaan säilyttää maan pinnan alla niin sanottujen suolahorstien onteloissa kilometrin syvyydessä.

Suolahorstit ovat ilmapallomaisia muodostumia, jotka nousevat suolan pienen tiheyden vuoksi kohti pintaa. Niihin on varastoitu 1970-luvulta lähtien Yhdysvalloissa ja Britanniassa mustaa vetyä jalostamoiden käyttöön.

Geologisten tutkimusten mukaan Euroopan kallioperään voidaan varastoida laajan järjestelmän vaatima määrä vetyä, kun koko sähköntuotanto vuosisadan puolivälissä perustuu uusiutuviin energianlähteisiin.

Todennäköisesti 30 vuodessa kyetään täyttämään kaikki vihreän siirtymän ongelmina pidetyt energiahuollon aukot. Niitä ovat leimallisesti suurten lentokoneiden, laivojen ja erilaisten raskaiden ajoneuvojen nestemäiset polttoaineet, joita ei voida korvata akuilla.

Hiilidioksidi on raaka-ainetta

Uudenlainen elektrolyysimenetelmä voi tulla avuksi. Sillä on mahdollista muuttaa ilmastoa muuttavaa hiilidioksidia raaka-aineeksi.

Kun elektrolyysialtaan veteen pumpataan hiilidioksidia, sähkövirta hajottaa kaikki molekyylit atomeiksi. Vapautuva happi poistuu, mutta hiili reagoi vedyn kanssa ja syntyy niitä hiilivety-yhdisteitä, joita lentopolttoaine tai metanoli sisältävät.

Jo lähivuosikymmeninä hiilidioksidia voidaan ottaa talteen voimalaitosten piipusta. Hiilidioksidin osuus savukaasusta on yleensä 15 prosenttia.

Myöhemmin, kun voimalat toimivat päästöttömästi, hiilidioksidia voidaan erottaa ilmasta, jossa sen pitoisuus on vain 0,04 prosenttia.

Menetelmän etuihin kuuluu se, että hiilidioksidi-imureita voidaan rakentaa melkein minne vain – kuten rannikolle, jonne merituulipuiston tuottama sähkö siirtyy kaapelia pitkin.

Konttialus kulkee vihreällä metanolilla

Riippumatta siitä, käytetäänkö savukaasujen vai ilman sisältämää hiilidioksidia, valmistettavista polttoaineista tulee ilmastoneutraaleja, sillä ne sisältävät vain hiiltä, joka on päätynyt ilmakehään tai päätyisi sinne.

Uudenlaisia vihreitä hiilidioksidipohjaisia polttoaineita on valmistettu vasta pieniä määriä koelaitoksissa. Tanskalainen energiayhtiö Ørsted aikoo laajentaa toimintaa. Viimeistään vuonna 2027 Kööpenhaminan liepeillä toimiva Avedøren voimalaitos alkaa valmistaa hiilidioksidista lentopolttoainetta ja metanolia, joka korvaa laivamoottoreiden käyttämää dieseliä.

Vetytalous Avedøren voimalaitos

Vuonna 2027 Avedøren voimalaitoksen savukaasusta aletaan erottaa hiilidioksidia. Kasvihuonekaasu muutetaan elektrolyysimenetelmällä vihreäksi lentopolttoaineeksi ja metanoliksi, joka korvaa dieselin laivoissa.

© Thomas Vilhelm/Ritzau Scanpix

Maailman suurin rahtialusvarustamo Mærsk on jo alustavasti ilmoittanut ostavansa 500 000 tonnia vihreää meripolttoainetta vuodessa.

Energiasaaret tarjoavat koko paketin

Eurooppa tyydyttää energiantarpeensa vielä 72-prosenttisesti fossiilisilla polttoaineilla. Niistä luopuminen tarkoittaa mullistusta sähkön ja lämmön tuotannossa, liikenteessä ja teollisuudessa.

Ilmastoneutraali sähkö tulee olemaan aurinko-, tuuli-, vesi- ja ydinvoiman sekä bioenergian yhdistelmä. Pääosassa ovat Etelä-Euroopan suuret aurinkovoimalaitokset ja Pohjanmeren merituulipuistot.

Vuosisadan puoliväliin mennessä merituulipuistojen osuus Euroopan vihreästä sähköstä kasvaa neljäsosaan eli yli 20 kertaa nykyistä suuremmaksi. Se vastaa 450:tä gigawattia. Tavoitteeseen pyritään rakentamalla energiasaaria, joiden ansiosta voidaan rakentaa entistä suurempia merituulipuistoja avomerelle, missä tuuliolosuhteet ovat optimaaliset.

Tanskan aloittaman maailman ensimmäisen energiasaarihankkeen pitäisi päättyä vuonna 2033. Silloin 80 kilometrin päästä Jyllannin rannikolta aletaan siirtää vihreää sähköä Tanskan lisäksi Norjaan, Saksaan ja Alankomaihin merikaapeleita pitkin.

Vetytalous Pohjanmeri keinotekoinen energiasaari

Pohjanmeren energiasaari alkaa toimittaa vuonna 2033 merituulipuiston tuottamaa sähköä kolmelle miljoonalle kotitaloudelle. Ylimääräisellä sähköllä voidaan mm. valmistaa ammoniakkia, joka kuljetetaan mantereelle säiliöaluksilla.

© Energistyrelsen

Ympäröivän kolmen gigawatin merituulipuiston sähköä 3,3 miljoonalle kotitaloudelle välittävä saari lepää vankalla betonipohjalla. Sen pinta-ala on aluksi 120 000 neliömetriä.

Saarta laajennetaan vähitellen niin, että siitä tulee 425 000 neliömetrin eli 64 jalkapallokentän laajuinen. Sähköntuotantokapasiteetti nostetaan kymmeneen gigawattiin.

Energiasaari saa oman elektrolyysilaitoksen, joka valmistaa vihreää vetyä ja siihen perustuvia tuotteita ylijäämäsähköllä. Hyvänä vaihtoehtona pidetään lannoitteeksi sopivaa vihreää ammoniakkia, jota laitos voi tuottaa ilman typestä.

Vetyverkko yhdistää Eurooppaa

Pohjanmerelle rakennetaan lähivuosikymmeninä useita energiasaaria, joista Euroopan maat saavat sähköä ja vetyä. Ennen pitkää tulee kannattavaksi laskea merenpohjaan siirtoputkia, joita pitkin vety virtaa mantereelle jaettavaksi edelleen uuden kaasuverkon kautta eri puolille Eurooppaa.

On hyvinkin mahdollista, että 2040-luvulla Euroopassa risteilee laaja vetyverkko, joka ulottuu Norjasta Italiaan ja Espanjaan ja Ranskasta ja Benelux-maista Puolaan.

Runkoverkosta tulee vedyn valtatie, joka haaroittuu kansallisiksi verkoiksi. Kaasuputkiin syötetään vetyä paitsi eri puolilta Eurooppaa myös muista maanosista.

Koko maailma siirtyy vetyyn

Nestemäistä vetyä kuljetetaan säiliöaluksilla ympäri maailmaa samaan tapaan kuin öljyä tätä nykyä. Vetyä tuotetaan siellä, missä vihreää sähköä syntyy yli oman tarpeen, ja siirretään sinne, missä uusiutuvaa energiaa tarvitaan lisää.

Alukset voivat muun muassa kuljettaa Australian valtavien aurinkovoimaloiden sähköllä tuotettua vetyä runsaasti energia kuluttavaan Japaniin.

Vetytalous Tankkialus ja nestemäistä vetyä

Öljytankkerien sijasta tulevaisuudessa maailman meriä kyntävät nestemäistä vetyä kuljettavat säiliöalukset. Niiden omat moottorit toimivat tietenkin elektrolyysimenetelmällä tuotetulla vihreällä polttoaineella.

© Shutterstock

Ilmastoneutraaliin energiahuoltoon tarvittava aurinko- ja tuulivoima-, sähkö- ja vetytekniikka on jo olemassa, mutta käytännössä fossiilisista polttoaineista luopuminen on 30 vuotta kestävä mullistus, jolla yritetään estää maapallon katastrofaalinen lämpeneminen.

Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, Cappelle-la-Granden asukkaat voivat siemailla ylpeänä hyvää ranskalaista punaviiniä ja kiinnittää kunnantalon seinään muistolaatan, jossa lukee ”Vetytalous alkoi täältä”.