Miten vetyenergiaa käytetään sähkön tuotannossa

Vetyä käyttämällä sähköntuotanto tapahtuu pääasiassa kahdella tavalla: polttokennoilla ja vetykäyttöön sopeutetuilla polttoturbiineilla. Polttokennoteknologia tuottaa sähköä elektrokemiallisesti, ja lämmöntalteenottojärjestelmien kanssa yhdistettynä se voi saavuttaa noin 60 prosentin hyötysuhteen. Monet luonnonkaasua varten alun perin rakennetut polttoturbiinit voivat nykyään käsitellä vetyseoksia tai jopa puhdasta vetyä, mikä antaa sähköverkkoyhtiöille tarvittavaa joustavuutta tasapainottamaan sähköntuotantoa. Vihreän vedyn valmistus sisältää veden hajottamisen uusiutuvilla energialähteillä, kuten tuuli- ja aurinkovoimalla, elektrolyysin nimellä tunnetulla menetelmällä. Tämä vihreä vety varastoidaan, kunnes uusiutuvan energian saatavuus heikkenee, jolloin sitä voidaan muuttaa takaisin sähköksi. Saksassa esimerkiksi useat merituulivoimalat tuottavat jo vihreää vetyä. Näillä hankkeilla on onnistuttu vähentämään hiilivoimaloiden käyttöä noin 40 prosenttia tietyillä testialueilla, vaikka tulokset vaihtelevat paikallisten olosuhteiden ja toteutustavan mukaan.

Vedyn integrointi olemassa oleviin sähköverkkoihin

Vety auttaa tekemään sähköverkoista puhtaampia samalla kun niiden vakaus säilyy. Kun uusiutuvasta energiasta on tarjolla ylimääräistä, vety varastoi sen ja vapauttaa takaisin energiaa kysynnän kasvaessa. Otetaan esimerkiksi Tanska: heidän pilottihankkeissaan on havaittu, että vedyn tallentaminen suolakammioihin vähentää hukkaenergiaa vuosittain noin 15–20 prosenttia. Näemme nyt näiden hybridiratkaisujen lisääntymistä, joissa aurinkopuisto toimii yhdessä elektrolyysilaitteiston kanssa, vaikkakin kaiken saaminen toimimaan moitteettomasti edellyttää melko kehittynyttä energianhallintaa, koska energia virtaa järjestelmässä molempiin suuntiin. Katsotaan, mitä Kaliforniassa tehdään Renewable Hydrogen Backbone -projektilla: he käyttävät vetyä pitämään sähköverkon vakavana erityisen voimakkaiden kuumina aaltojen aikana, jotka viime aikoina ovat häirinneet niin paljon normaalia toimintaa.

Tapaus: Vesivoimalla toimivat voimalaitokset Saksassa ja Japanissa

Saksan Energiepark Mainz yhdistää 6 megawatin elektrolyysilaitteen tuulivoimalähteisiin tuottaakseen noin 200 tonnia vetyä vuodessa. Tämä järjestelmä voi tosiasiallisesti tarjota sähköä noin 2 000 kotitaloudelle virransyöttökatkojen aikana 1,4 MW:n polttokennojärjestelmänsä kautta. Tyynenmeren toisella puolella Japani on kehittänyt vielä suuremman hankkeen nimeltä Fukushima Hydrogen Energy Research Field, lyhyesti FH2R. Kapasiteetiltaan 10 MW:n laitoksella on maailman suurin vihreän vedyn tuotantolaitos. Se ei ainoastaan auta tekemään osaa Tokion energiantuotannosta, mutta tutkijat käyttävät sitä myös kokeillakseen vedyn kuljetusta valtamerien yli. Näiden projektien erottuvuuden taustalla on niiden vaikuttava hyötysuhde, joka on noin 95 %. He pystyvät saavuttamaan tämän korkean suorituskyvyn säätämällä vedyn tuotannon määrää sen mukaan, mitä sähköverkko todellisuudessa tarvitsee kussakin tilanteessa.

Haasteet vedyn skaalautumisessa perustason tehoon

Kolme merkittävää esteen rajoittaa vedyn roolia perustason sähköntuotannossa:

• Kustannus : Elektrolyysilaitteiden pääomakustannukset ovat yhä noin kolme kertaa korkeammat kuin luonnonkaasuturbiinien.
• Hyötysuhteiden menetykset : Sähkön muuntaminen vetyksi ja takaisin aiheuttaa 30–35 %:n energiahäviön.
• Infrastruktuuri : Vähemmän kuin 15 %:lla maailman kaasuputkistoista on turvallisesti mahdollista kuljettaa yli 20 %:n vetypitoisia seoksia.

Vuoden 2021 teollisuuskatsaus nosti esiin polttokennojen kestävyyden ja putkistojen haurastumisen tärkeinä tutkimus- ja kehitysprioriteetteina, arvioiden vuoteen 2040 mennessä tarvittaviksi infrastruktuuripäivityksiksi 1,2 biljoonaa dollaria. Vaikka vety täydentää uusiutuvaa energiaa, sillä ei tällä hetkellä ole kustannustasapainoa laajamittaiseen peruskuorman käyttöön.

Vety lämmitykseen: Teollisten ja asuinkiinteistöjen järjestelmien dekarbonisointi

Vetyenergian rooli lämmitysjärjestelmien dekarbonisoinnissa

Noin 40 prosenttia kaikista energiankulutuksesta peräisin olevista hiilidioksidipäästöistä maailmanlaajuisesti johtuu lämmityksestä, kuten IEA:n viime vuoden tiedot osoittavat. Siksi monet asiantuntijat pitävät vetyä todellisena pelinmuuttajana fossiilisten polttoaineiden korvaamisessa sekä teollisuuden uuneissa että kotien kattiloissa. Se, että vety palaa noin 2800 celsiusasteen lämpötiloissa, tekee siitä erityisen soveltuvan raskaisiin teollisuuden aloihin, kuten terästuotantoon. Joissain testeissä polttokennojen mikro-yhdistettyjen sähkö- ja lämpövoimajärjestelmien kanssa saavutettiin myös vaikuttavia tuloksia, noin 90 prosentin hyötysuhde käytettäessä kaukolämpöverkoissa. Mielenkiintoista on myös se, että vety toimii melko hyvin noin 20 prosentissa nykyisistä kaasuputkistoista ilman, että infrastruktuuriin tarvitsee tehdä muutoksia, mikä voisi todella kiihdyttää tämän teknologian käyttöönottoa eri sektoreilla.

Vedyn sekoittaminen luonnonkaasuun putkistoissa

Vedyn sekoittaminen olemassa oleviin kaasujärjestelmiin tarjoaa siirtymäpolun:

Eurooppalaiset kokeilut osoittavat, että 20 %:n seokset voivat vähentää päästöjä 6 miljoonaa tonnia vuosittain turvallisuuden säilyessä. Kuitenkin vedyn alhaisemman tilavuusenergiatiheyden vuoksi virtausnopeuksien on nousetava 15–25 % korkeammilla sekoitustasoilla.

Pilottihankkeet Yhdistyneessä kuningaskunnassa ja Alankomaissa käyttäen vetyä kotien lämmitykseen

Yhdyssäädön HyDeploy-ohjelma onnistui sekoittamaan vetyä kaasun toimitukseen noin 300 kotitalouteen noin 20 prosentin osuudella, ja suurin osa ihmisistä näytti olevan tyytyväisiä – noin kahdeksan kymmenestä osallistujasta ilmoitti olevansa tyytyväinen. Alankomaissa tilanne muuttui vielä mielenkiintoisemmaksi H2Stad-kokeessa, jossa 1 500 kotitaloutta siirrettiin kokonaan vetykattomiin. Tulokset olivat myös varsin vaikuttavat, sillä lämmitykseen liittyvät päästöt vähenivät lähes 90 prosenttia verrattuna tavallisiin maakaasujärjestelmiin. Vaikka nämä testiohjelmat osoittavat, että vetyä voidaan käyttää laajemmalla skaalalla, on huomioitava joitakin huolenaiheita. Materiaalitestien mukaan putkistojen käyttöikä saattaa lyhentyä jossain vaiheissa 12–18 prosenttia, jos niissä ajetaan täysin vetyä koko ajan. Ei kovin hyvä uutinen, mutta silti hoidettavissa asianmukaisella suunnittelulla.

Tehokkuus- ja turvallisuushuolenaiheet vetyyn perustuvassa lämmityksessä

Vetykattilat toimivat noin 85–90 prosentin hyötysuhteella, mikä on itse asiassa hieman alhaisempi kuin maakaasun noin 94 prosentin hyötysuhde. Mutta vedyn etuna on, että se syttyy paljon helpommin, sillä siihen tarvitaan vain 0,02 mJ verrattuna metaanin 0,3 mJ:een. Tämä tarkoittaa, että tarvitsemme erittäin tehokkaita vuodonilmaisijajärjestelmiä, jotka pystyvät havaitsemaan jopa pieniä määriä, ehkä jo 1-prosenttisen pitoisuuden. DNV:n vuoden 2023 tutkimusten mukaan vety tunkeutuu polyeteeniputkiin noin 30 kertaa nopeammin kuin tavallinen kaasu. Tämän ongelman vuoksi useimmille vanhoille putkistoverkostoille todennäköisesti jossain vaiheessa tarvitaan erityisiä komposiittilineroita. Älkäämme myöskään unohtako asianmukaista ilmanvaihtoa. Kun rakennukset uudelleenvarustetaan oikein, tämä yksinkertainen toimenpide voi vähentää räjähdysvaaraa lähes 92 prosenttia.

Vety liikenteessä: polttokennoista lentokoneisiin

Vetyä käyttävät polttokennoautot puhtaana liikennevaihtoehtona

Polttoainesolukkovoitot toimivat tuottamalla virtaa kemiallisten reaktioiden avulla solun sisällä, ja ne päästää käytännössä vain vesihöyryä pakokaasuna. Suuri etu on, että tankkaus kestää alle viisi minuuttia, ja näillä autoilla voidaan ajaa yli 500 kilometriä ennen kuin tarvitaan uudelleen täyttö. Pitkän matkan kuorma-autoille ja rahtialuksille tämä tekee niistä parempia kuin tavalliset akut, koska ne saavat enemmän energiaa pienempään tilaan ilman, että hyötykuorman tila kärsii liikaa. Yritykset kuten Toyota ja Hyundai ovat viime aikoina panostaneet todelliseen rahaan vetyteknologiaan suuremmassa kuljetustarpeessaan.

Vetybussien ja -kuorma-autojen käyttöönotto Kaliforniassa ja Etelä-Koreassa

Kalifornian H2-kärkialue -hankkeessa on vuodesta 2023 lähtien otettu käyttöön yli 50 vetyä polttoaineena käyttävää bussia 12 joukkoliikennealueella, mikä on vähentänyt päästöjä vuosittain 1 200 tonnilla. Etelä-Koreassa Ulsanin vetyterminaalissa toimii 120 polttoainesolukkoa käyttävää kuorma-autoa konttien kuljetukseen, ja niitä tuetaan lähellä sijaitsevilla merituulivoimaloilla toimivilla elektrolyysilaitteilla.

Vetyllä toimivat junat Saksassa ja Ranskassa

Saksan Coradia iLint -junat kulkivat 220 000 päästöttömiä kilometriä vuonna 2023. Ranskan TER Occitanie -linjalla 15 dieselveturiin perustuvaa yksikköä on korvattu vetyhybridi-junilla, jotka käyttävät katon päällä olevia polttokennoja lisätäkseen kantamaa sähköttömillä reiteillä.

Nousevat sovellukset meri- ja ilmailualoilla

Merikuljetuksen toimijat käyttävät vedyllä valmistettua ammoniakkia polttoaineena neljään lastalaivaan Pohjanmerellä, mikä vähentää CO2-päästöjä 85 % raskasta polttoöljyä verrattuna. Ilmailussa nollapäästöiset alueelliset lentokoneet, jotka toimivat nestemäisellä vedyllä, odotetaan tulevan käyttöön vuoteen 2035 mennessä, ja nykyiset prototyypit ovat jo suorittaneet testilentoja 750 km matkalla.

Infrastruktuurin haasteet vetytankkausverkoissa

Maailmanlaajuisesti on olemassa alle 1 000 vetytankkausasemaa, joista 42 % sijaitsee Euroopassa ja 38 % Aasiassa. Korkeapainetallennus on edelleen kallista – 1 800 dollaria per kg vuonna 2024 – ja putkimateriaalien haurastuminen aiheuttaa haasteita laajamittaiseen jakeluun.

Vihreän vedyntuotannon kehittäminen: Kestävien menetelmien edistäminen

Harmaa, sininen ja vihreä vety: Ympäristö- ja taloussidonnaiset kompromissit

Vedyn tuottamiseen on useita eri tapoja, ja jokaisella niistä on oma ympäristövaikutuksensa ja hintansa. Harmaa vety tuotetaan höyryreformoinnilla (SMR), ja se vapauttaa 9–12 kilogrammaa CO2:ta vedyn kilogrammaa kohden. Hinta? Noin 1,50–2,80 dollaria kilogramma vuonna 2023 Kansainvälisen energiatovelin mukaan. Sininen vety perustuu oleellisesti samaan SMR-menetelmään, mutta siihen lisätään hiilidioksidin talteenottoteknologia. Tämä vähentää päästöjä noin 80–90 prosenttia, mutta tekee hinnasta korkeamman, noin 2,50–4 dollaria kilogrammaa kohden. Lopuksi on vielä vihreä vety, joka syntyy, kun uusiutuvasta sähköstä saatava virta käyttää elektrolyysilaitteistoa. Tämä menetelmä ei aiheuta suoria päästöjä, ja sen nykyinen hinta vaihtelee 3–5 dollaria kilogrammaa kohden. Tämä on itse asiassa laskenut huomattavasti verrattuna muutamaan vuoteen sitten, jolloin hinnat olivat noin 4–6 dollaria kilogrammaa kohden.

Elektrolyysin edistymisen ansiosta vihreän vedyen energiantuotanto kasvaa

Protoninvaihtokalvo (PEM) -elektrolyysilaitteet saavuttavat nyt tehokkuuden 75–83 %:n, vuoden 2010 60 %:sta nousuna. Emäksiset järjestelmät toimivat 65–70 %:n tehokkuudella ja niiden käyttöikä ylittää 60 000 tuntia. Kiinteän hapettimen elektrolyysilaitteet (SOEC), jotka toimivat 700–900 °C:ssa, ovat saavuttaneet 85 %:n tehokkuuden kokeissa, mikä antaa lupauksia teollisuuden mittakaavan vihreän vedyntuotannon osalta (ScienceDirect 2024).

Uusiutuvalla energialla toimivan vedyn tuotannon kustannustrendit ja skaalautuvuus

Vedyn tuotannon hinta aurinkoenergialla toimivalla elektrolyysillä on laskenut jyrkästi, noin 62 % vuodesta 2015. Vuonna 2024 näemme nyt hintoja 3–4,50 dollaria per kilogramma. Etelässä Australiassa tuulipuistot tuottavat yli 1 000 tonnia vihreää vetyä vuosittain noin 3,80 dollarilla per kg. Samaan aikaan Kiinassa suurten elektrolysijaisten asennusten ansiosta tuotanto muuttuu edullisemmaksi joka vuosi, ja kustannukset laskevat noin 18 % vuosittain. Näkymissä BloombergNEF:n mukaan vihreä vety saattaa saavuttaa hintatason vain 1,50 dollaria per kg vuoteen 2030 mennessä. Tämä tapahtuisi, kun uusiutuvat energialähteet jatkavat nopeaa laajentumistaan ja niiden odotetaan muodostavan lähes 85 % kaikista uusista sähköntuotannon lähteistä maailmanlaajuisesti.

UKK

Mitkä ovat päämenetelmät sähkön tuottamiseksi vedyn avulla? Päämenetelmät ovat polttokennot ja vetyyn sovitellut polttoturbiinit.
Miten vety vaikuttaa sähköverkon vakautta? Vety varastoi ylimääräistä uusiutuvaa energiaa ja vapauttaa sen kysynnän huipentuessa, mikä takaa sähköverkon vakauden.
Mitä nykyisiä haasteita on vedyn käytössä perustason sähköntuotannossa? Korkeat kustannukset, hyötysuhteiden menetykset energian muunnoksessa sekä infrastruktuurin rajoitukset ovat merkittäviä haasteita.
Miten vetyä käytetään lämmitysjärjestelmissä? Vety voi korvata fossiiliset polttoaineet teollisissa ja asuinkäytön lämmitysjärjestelmissä tarjoten kestävän vaihtoehdon.
Mitä edistysaskelia on saavutettu vihreän vedyn tuotannossa? Elektrolyysiteknologian kehitys ja suuret asennukset ovat merkittävästi vähentäneet kustannuksia ja parantaneet hyötysuhdetta.