Kestävä vety puhdistavana energiatankkerina

Vihreän vedyn tuotanto uusiutuvan energian integroinnilla

Vihreää vetyä tuotetaan, kun ylimääräinen uusiutuva sähkö, pääasiassa tuulipuistoista ja aurinkopaneeleista, käyttää jotakin, mitä kutsutaan elektrolyysiksi. Tämä periaatteessa jakaa vesimolekyylit vety- ja happikaasuiksi tuottamatta suoria hiilidioksidipäästöjä prosessin aikana. Perinteisiin fossiilipolttoaineisiin perustuviin menetelmiin verrattuna tämä lähestymistapa vähentää hiilidioksidipäästöjä merkittävästi – noin 9–12 kilogrammaa jokaista perinteisesti tuotettua vetykilogrammaa kohti. Vihreän vedyn lupaus täyden energiaratkaisun näkökulmasta perustuu siihen, että se toimii parhaiten silloin, kun uusiutuvaa energiaa on runsaasti saatavilla. Kun elektrolysatorit toimivat huippusuorituksellaan näinä aikoina, ne hyödyntävät resursseja tehokkaammin ja auttavat itse asiassa vähentämään sähköverkon kuormitusta sen sijaan, että lisäisivät sitä.

Ympäristöhyödyt ja hiilinielun mahdollisuudet

Vaihtamalla vihreään vetyyn raskaiden teollisuuden hiilidioksidipäästöjä voitaisiin vähentää noin 830 miljoonaa tonnia vuodessa jo vuoteen 2035 mennessä, kertoo Kansainvälisen energiatuotantojärjestön viime vuoden raportti. Syy tähän on se, että poltettaessa se tuottaa ainoastaan vesihöyryä, mikä tekee siitä tärkeän välineen hiilijalanjäljen vähentämiseksi teollisuudenaloilla kuten terästuotannossa, kemikaaliteollisuudessa ja merikuljetuksissa. Jos tämä teknologia saadaan todella käyttöön laajalla skaalalla, teollisuusalueilla voidaan saavuttaa noin 45 prosentin vähennys haitallisiin typeniittidioksidipäästöihin. Tällainen parannus auttaisi saavuttamaan ilmastotavoitteet samalla kun parannetaan ilmanlaatua niiden teollisuuslaitosten läheisyydessä asuvien ihmisten kannalta.

Elinkaaren päästöt ja kestävyyskriteerit vedyn tuotannolle

Vedyn ympäristöjalanjälki riippuu paljon siitä, miten sitä tuotetaan. Koko elinkaaren tarkasteluun perustuvat tutkimukset osoittavat, että maakaasun reformoinnilla tuotettu harmaa vety vapauttaa noin kymmenkertaisesti enemmän hiilidioksidia verrattuna sen vihreään vastineeseen. Euroopan unioni on kehittänyt sertifiointistandardit nimeltä RFNBO varmistaakseen aidon vihreän vedyn tuotannon. Nämä säännöt eivät tarkista ainoastaan uusiutuvien energialähteiden käyttöä; ne seuraavat myös tarkasti, milloin ja missä sähkö on tuotettu verrattuna elektrolyysin ajankohtaan. Yritysten on noudatettava näitä ohjeita huolellisesti. Muuten voimme päätyä tilanteeseen, jossa vedyn hankkeet vaikuttavat paperilla puhtailta, mutta silti edelleen turvautuvat fossiilisiin polttoaineisiin taustalla. Tällainen viherpesu voi heikentää todellista edistystä kohti kestäviä energiaratkaisuja.

Vihreän vedyn rooli kiertävien energiakäytäntöjen tukemisessa

Vihreä vety on tärkeässä osassa ympyränmuotoisten energiakäyttöjärjestelmien tehokkuuden parantamisessa. Kun uusiutuvista lähteistä, kuten tuuli- ja aurinkoenergiasta, saadaan ylimääräistä sähköä, se muunnetaan polttoaineeksi, joka voidaan varastoida ja käyttää myöhemmin eri teollisuudenaloilla tai jopa sähkön tuotannossa. Jotkin edelläkävijätehtaat yhdistävät nyt biologisista lähteistä kerättyä CO2:tä tähän vihreään vetyyn tuottaakseen niin sanottua e-metanolia, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että hiilidioksidi pidetään ilmakehästä poissa. Kaksisuuntaisen toiminnan mahdollisuus on erityisen hyödyllinen sähköverkon tasapainottamisessa, jossa on paljon aurinkopaneeleita ja tuuliturbiineja kytkettynä verkkoon. Lisäksi tämä prosessi tuottaa puhdasta materiaalia, jota tarvitaan esimerkiksi lannoitteiden ja teräksen valmistukseen ilman niiden kanssa yleensä liittyviä hiilipäästöjä.

Vaikeasti hiilineutraaliksi saatavien sektoreiden dekarbonointi vihreällä vedyllä

Sovellukset teräs-, kemikaali- ja raskas teollisuudessa

Vihreä vety tarjoaa tavan vähentää hiilipäästöjä teollisuuden aloilla, joissa sähköön siirtyminen ei ole mahdollista. Otetaan esimerkiksi teräntuotanto, joka vastaa noin 7 prosentista kaikista maailmanlaajuisista CO2-päästöistä. Korvaamalla kivihiili vihreällä vedyllä rautaorman pelkistysprosessissa tehtaat voivat vähentää päästöjään lähes 98 prosenttia. Ruotsissa vuodesta 2024 lähtien käynnissä ollut H2 Green Steel -hanke on osoittanut tämän toimivan käytännössä. Ammoniakin valmistuksessa siirtyminen elektrolyysillä tuotettuun vetyyn vähentää päästöjä noin 40 prosenttia. Myös sementinvalmistajat näkevät hyötyjä, sillä vedyn sekoittaminen polttoaineeseen vähentää sekä tarvittavaa lämpötilaa että tuotettua pölyä. Vedyn erottuva ominaisuus on sen kyky selviytyä äärimmäisistä lämpötiloista ja kemiallisista reaktioista näissä vaikeasti puhdistettavissa olevissa sektoreissa.

Teollisuuden ja liikenteen alueiden välinen integraatio

Vety yhdistää eri osia energiamme maailmaa varsin mielenkiintoisella tavalla. Se toimii suurten koneiden voimanlähteenä, ajaa pitkän matkan kuorma-autoja, joita näemme moottoriteillä, ja auttaa sähköverkon vakauttamisessa, kun kysyntä vaihtelee. Kun aurinko- tai tuulivoimalaitoksista saadaan ylimääräistä vihreää energiaa, sen voidaan muuttaa vedeksi elektrolyysin nimellä tunnetulla prosessilla. Tätä vetyä voidaan sitten käyttää esimerkiksi kemiallisissa tehtaissa, joissa tarvitaan kovaa lämpöä, tai jopa erikoisjunissa, jotka toimivat polttokennoilla eikä dieselillä. Oikea nokkamies? Yksi ainoa vetyputki ei ole hyödyllinen vain yhteen tarkoitukseen. Joidenkin vuonna 2023 julkaistujen tutkimusten mukaan nämä putket voivat täyttää noin kolmasosan alueen teollisuuden lämmitystarpeista samalla kun toimivat myös varastoinnin ratkaisuna aikoina, jolloin tuulipuistot eivät tuota riittävästi energiaa. Tämä kaksinkertainen käyttötarkoitus tekee koko järjestelmästä paljon tehokkaamman verrattuna erillisten infrastruktuurien rakentamiseen kaikkeen.

Tapaus: Vihreä vety teräs- ja kemianalan valmistuksessa

Saksassa teollisuusalue on onnistunut vähentämään lähes kaksi kolmasosaa Scope 1 -päästöistään vain 18 kuukaudessa. Tämä onnistui siirtymällä luonnonkaasusta vihreään vetypoltoon prosesseissa, kuten teräksen hehkutuksessa ja metanolin valmistuksessa. Entistäkin vaikuttavampaa tässä on se, että koko toiminto perustuu 140 megawatin arvoisilta merituulivoimaloilta saatavaan sähköön. Tuloksena alue pystyy tuottamaan noin 9 500 tonnia vetyä vuodessa. Tämä määrä riittää yksinään noin puolen miljoonan tonnin verran hiilipitoisemman teräksen valmistukseen. Kun tarkastellaan eri alojen yhteistyötä, tämä hanke erottuu erinomaisena esimerkkinä yhteiskäytöstä. Lähes kaikki jäljelle jäävä happea ja hukkalämpö ohjataan takaisin johonkin osaan järjestelmää, ja noin 92 % hyödynnetään jossain muodossa koko klusterin ajan.

Kiertotalous vedyn teknologian arvoketjussa

Kriittisten materiaalien kierrätys: platinaryhmän jalometallit polttokennoissa ja elektrolyysilaitteissa

Protoninvaihtokalvoteknologia perustuu vahvasti platinaryhmän metalleihin, kuten platinaan ja iridiumiin. Nämä jalometallit aiheuttavat todellisia ongelmia toimitusketjuille, koska niiden varannot ovat rajalliset ja louhintaprosessit aiheuttavat merkittävää ympäristövahinkoa. Toisaalta, kun tarkastellaan käytöstä poistettuja polttokennoja ja elektrolyysiyksiköitä, voidaan suurin osa näistä arvometalleista itse asiassa palauttaa kierrättämällä. Viimeisimpien Circular Materials Institute -laitoksen vuoden 2023 tietojen mukaan hyödyntämiskerrat ylittävät 90 prosenttia, mikä vähentää riippuvuuttamme uuden raaka-aineen louhimisesta. Entistä parempi on se, että yritykset, jotka toimivat yhdessä suljetussa järjestelmässä kierrättäjien kanssa, ovat onnistuneet vähentämään päästöjä tuotteen elinkaaren aikana jopa neljäkymmentä kuuteenkymmeneen prosenttiin verrattuna perinteisiin menetelmiin, jotka perustuvat ainoastaan täysin uusiin raaka-aineisiin.

Suunnittelu uudelleenkäyttöä ja elinkaaren päättymisen jälkeistä hyödyntämistä varten vetyjärjestelmissä

Nykyiset vetyjärjestelmät siirtyvät kohti modulaarisia ratkaisuja, jotka todella auttavat pidentämään laitteiden käyttöikää mahdollistamalla osien kunnostuksen tai uudelleenkäytön. Otetaan esimerkiksi elektrolyysipinot, joita usein puretaan ja käytetään uudelleen pienimuotoisissa sovelluksissa. Samaan aikaan bipolaariset levyt voidaan yleensä palauttaa käyttökuntoon esimerkiksi elektrokemiallisen hionnan avulla. On myös olemassa ISO 22734 -standardi vuodelta 2023, joka on saanut huomiota teollisuudessa. Se mahdollistaa erilaisten komponenttien yhteentoimivuuden eri sukupolvien infrastruktuurissa, jolloin vanhoja osia ei tarvitse hylätä uuden teknologian myötä. Tämä on tärkeää, koska valmistajat haluavat sijoitustensa kestävän pidempään ilman, että kaikki täytyy vaihtaa kokonaan muutaman vuoden välein.

PGM:n kaivannaisvaikutusten tasapainottaminen kierrätykseen ja kiertoekosysteemin innovaatioihin

Kierrätys vähentää tarvetta uusille PGM:ille, mutta emme voi sivuuttaa sitä, että kaivostoiminta edelleen aiheuttaa noin 8–12 prosenttia vetyteknologian hiilijalanjäljestä. Kansainvälinen energiajärjestö ennustaa, että polttokennasteiden valmistus saattaa kolminkertaistua vuoteen 2030 mennessä, joten kierrätyskapasiteettiemme laajentaminen on erittäin tärkeää. Myös joitakin mielenkiintoisia vaihtoehtoja alkaa näkyä. Näemme esimerkiksi ruteeniumista valmistettuja katalyyttejä ja elektrolyysijärjestelmiä, jotka eivät lainkaan vaadi jalometalleja. Nämä kehitykset tarkoittavat harvinaisten resurssien vähäisempää käyttöä ja siirtymistä kohti ympyrätalouden tavoitteita, joista kaikki jatkuvasti puhuvat.

Sähköstä kaasuksi ja sektoriliitännät integroituja energiayhtymiä varten

Sähköstä kaasuksi (P2G) -tekniikat muuttavat kestäviä energiajärjestelmiä mahdollistamalla eri sektoreiden integroinnin ja sähköverkon joustavuuden elektrolyysin ja vetyperusteisen varastoinnin kautta. Nämä ratkaisut yhdistävät uusiutuvan sähkön ylijäämät teollisuuden energiantarpeisiin edistäen samalla kierrätystalouden periaatteita.

Elektrolyysi ja metanointi: Sähköstä kaasuksi -tekniikat mahdollistavat joustavuuden

Elektrolyysin prosessi käyttää uusiutuvaa sähköä pilkkomaan vesimolekyylejä vety- ja happikaasuiksi. Samalla metanointi toimii eri tavalla yhdistämällä vetyä muualla kerättyyn hiilidioksidia tuottaakseen synteettistä metaanipolttoainetta. Nämä teknologiat tulevat erityisen mielenkiintoisiksi, kun niitä käytetään aurinkopaneeleilla tai tuuliturbiineilla, koska silloin saadaan polttoaineita, jotka eivät vapauta lisää hiiltä ilmakehään. Ne soveltuvat erityisen hyvin sellaisiin teollisuuden aloihin kuin ilmailu, joissa siirtyminen kokonaan sähköön ei ole vielä käytännöllistä. Nykyisten lukujen valossa modernit elektrolyysijärjestelmät toimivat nyt noin 75–80 prosentin hyötysuhteella. Tämä edustaa noin 15 prosenttiyksikön nousua vuoteen 2020 verrattuna, mikä auttaa saamaan näitä teknologioita lähemmäs kaupallisesti kannattavia vaihtoehtoja päästöjä vähentäville yrityksille.

Vetyyn perustuva energian varastointi ja sähköverkon tasaus

Vetyllä on energiatiheys noin 33,3 kWh per kilogramma, mikä tekee siitä melko hyvän vaihtoehdon varastoida ylimääräistä uusiutuvaa energiaa, kun kysyntä laskee. Kun tuulivoimalat liitetään noin 5 gigawatin arvoiseen elektrolyysiin, ne vähentävät hukkaan menevää energiaa noin 34 prosenttia vuodessa uusiutuvalla energialla dominoituissa sähköverkoissa, kuten viime vuonna julkaistussa tutkimuksessa on osoitettu. Käytännössä tämä tarkoittaa, että sähköyhtiöt voivat paremmin hallita äkillisiä sykähdyksiä tarjonnassa sekä pitää sähkön saannin jatkuvana, vaikka huonot sääolosuhteet kestäisivätkin päiviä.

Sektorien yhdistäminen: Sähkö-, teollisuus- ja kaasujärjestelmien integrointi

P2G edistää symbioottisia suhteita eri sektoreiden välillä: sähköverkot toimittavat vetyä lannoitefabriikoille, kun taas teollisuuden hukkalämpö tukee kaukolämmitystä. Integroidut mallit osoittavat, että nämä konfiguraatiot vähentävät primäärienergian hukkaa 28–32 % verrattuna eristettyihin järjestelmiin. Hybridiverkot parantavat myös järjestelmän vakautta ja kokevat 40 % vähemmän keskeytys­tyhjiä äärimmäisten sääilmiöiden aikana.

Biomassa- ja jätevedyn tuotantopolut kierrätyshiilimalleissa

Biomassan ja orgaanisen jätteen muuntaminen kestäväksi vedystä

Maatalouden jäännökset, elintarvikkeiden jäännökset ja jopa jäteveden lietteet saavat uutta elämää kaasutuksen ja anaerobisen ruoansulatusprosessin avulla, joka muuttaa ne vetypolttoaineeksi. Vain Euroopassa nämä teknologiat voisivat käsitellä noin 60 miljoonaa tonnia orgaanista jätettä vuosittain, ja muuttaa roskat arvokkaaksi, sen sijaan että ne jääisivät kaatopaikoille. Hydrotermisen käsittelyn viimeaikaiset parannukset tarkoittavat, että saamme parempia tuloksia, kun työskentelemme kostea biomassamateriaalia, joten ne kosteajätettä virrat, jotka olivat ennen ongelmallisia, voidaan nyt käsitellä tehokkaasti. Lisäksi ympäristöä suojellaan, koska metanin pääsy pois jäätöltä hajoaa luonnollisesti ajan myötä.

Veden integrointi kiertotalousmarkkinoihin

Jätteistä valmistettu vety yhdistää luonnon hiilikiertokulut teollisuuden päästöjen vähentämiseen. Tämän lähestymistavan yhdistelmä hiilidioksidipäästöjen talteenottoteknologian kanssa johtaa siihen, että hiili otetaan ilmakehästä enemmän kuin vapautuu. Otetaan esimerkiksi kaatopaikat. Metanipäästöjen muuttaminen käyttökelpoiseksi vetyyn sulkemalla CO2-dioksidin luo suljetun hiilikiertokulun. Tällaiset järjestelyt ovat erityisen hyödyllisiä esimerkiksi sementtialan teollisuudelle, jossa ne korvaavat perinteiset polttoaineet uuneissa. Lisäksi saatu hiilidioksidi ei vain varastoidu jonnekin, vaan se käytetään levyn kasvattamiseen, joka tuottaa biopolttoaineita sen sijaan, että se olisi tyhjillään. Tämä pitää hiilimolekyylit aktiivisina talouden toimintaan eikä saastuttamista.

Vertailukelpoisuus: jätteestä peräisin oleva ja vihreä vety

Jätteestä tuotettu vety tarjoaa välittömät päästöhyödyt jätteen hyödyntämisen kautta, kun taas vihreä vety tarjoaa pitkän aikavälin skaalautuvan ratkaisun uusiutuvasta energiasta tuotettuna.

UKK kestävästä vedystä

Mikä on vihreä vety ja kuinka sitä tuotetaan?

Vihreää vetyä tuotetaan elektrolyysillä, joka käyttää uusiutuvaa energiaa, kuten tuuli- tai aurinkovoimaa. Tämä prosessi pilkkoo vesimolekyylit vedyksi ja hapeksi ilman suoria hiilipäästöjä.

Kuinka vihreä vety vähentää hiilipäästöjä?

Vihreä vety mahdollistaa teollisuuden merkittävän CO2-päästöjen leikkaamisen korvaamalla fossiiliset polttoaineet vedellä, joka palessaan tuottaa vain vesihöyryä.

Mitkä ovat vihreän vedyn käytön haasteet?

Haasteisiin kuuluu uuden uusiutuvan infrastruktuurin tarve, varmennusstandardit aidon vihreän tuotannon takaamiseksi sekä jalometallien toimitusketjujen hallinta vedysteknologiassa.

Voiko vety olla todella kestävä pitkällä aikavälillä?

Kyllä, erityisesti jos se yhdistetään kierrätykseen ja ympyrätalouden toimiin, jotta raaka-aineiden käyttö minimoituu ja vetyteknologian komponenttien elinkaari on kestävä.