Miksi vety on välttämätön tuulienergian varastointiin

Ongelma tuulienergian kanssa on se, että tuuli ei aina puhalla silloin, kun sitä eniten tarvitaan, mikä voi aiheuttaa ongelmia sähköverkolle erityisesti niin kutsutuissa dunkelflaute-tilanteissa, joissa tuuli puuttuu pitkään. Vety tarjoaa ratkaisun ottamalla ylimääräistä tuulivoimaa ja muuntamalla sen varattavaksi muodoksi prosessissa, jota kutsutaan elektrolyysiksi. Kun tuuli puuttuu viikoittain, tätä varattua vetyä voidaan muuntaa takaisin sähköksi joko polttokennojen tai perinteisten turbiinien avulla. Akut eivät yksinkertaisesti riitä pitkäaikaisiin tarpeisiin, koska ne säilyttävät yleensä varauksensa enintään muutamana päivänä. Tässä vety todella loistaa, sillä se pystyy säilyttämään energian kuukausikaupalla. Tällainen pitkäaikainen varastointi on täysin ratkaisevan tärkeää sähköverkon vakauden säilyttämisessä silloin, kun sekä tuuli- että aurinkoenergiantuotanto laskee samanaikaisesti eri maakunnissa.

Vety ei koske ainoastaan sitä, että saadaan takaisin 30–40 prosenttia siihen syötetystä energiasta näiden muuntotappioiden aikana. Sen todellinen potentiaali piilee myös muualla. Otetaan esimerkiksi teollisuudenalat, jotka ovat ympäristön kannalta vaikeita puhdistaa. Esimerkiksi vetyä voidaan käyttää koksia korvaavana raaka-aineena teräksen valmistuksessa, se voi toimia polttoaineena suurille tavarankuljetusajoneuvoille, jotka kuljettavat tavaroita eri maiden välillä, ja se voi tarjota jopa voimakasta lämpöä erilaisiin valmistusprosesseihin. DNV:n viime vuoden tutkimuksen mukaan vetyä varastoidessa tuulipuistoissa hukkaan menevän tuulienergian määrä vähenee noin kahdella kolmasosalla. Lisäksi se vähentää tehtaiden päästöjä. Tarkastelemme siis ratkaisua, joka toimii kaksinkertaisesti: se tekee sähköverkoistamme joustavampia ja auttaa meitä saavuttamaan merkittävämpiä hiilidioksidipäästöjen vähentämisen tasoja eri toimialoilla.

Tuulivoimalla tuotetun vedyntuotannon toimintaperiaate

Elektrolyysi: Ylijäämäisen tuulivoiman muuntaminen vihreäksi vedeksi

Lisätuulivoimaa hyödynnetään, kun sähköverkkoon tuotetaan enemmän sähköä kuin verkon nykyinen tarve vaatii. Tämä ylimääräinen energia käytetään elektrolyysilaitteissa, jotka hajottavat veden molekyylit (H2O) vetyksi ja happiksi. Tässä prosessissa syntyvää vetyä kutsutaan vihreäksi vedeksi, koska sen tuotannossa ei synny hiilidioksidipäästöjä, toisin kuin fossiilisista polttoaineista valmistettavissa harmaassa tai sinisessä vedessä. Nämä elektrolyysilaitteistot voivat säätää toimintaansa melko tarkasti: ne kiihtyvät, kun tuuli puhaltaa voimakkaasti, ja hidastavat taas toimintaansa muuttuvien olosuhteiden mukana. Tämän joustavuuden ansiosta ne soveltuvat erinomaisesti uusiutuvien energialähteiden kanssa, jotka eivät aina tuota vakioista määrää energiaa.

Varastointi ja hyödyntämispolut: paineistetusta kaasusta polttokennoihin ja teollisuuteen

Kun vety on tuotettu, se paineistetaan paikallisvarastointia varten tai nesteytetään kuljetusta varten. Sen käyttökohteet kattavat useita eri aloja:

• Uudelleenmuuntaminen sähköksi polttokennojen avulla alhaisen tuulen aikana
• Suora käyttö teollisissa prosesseissa, joissa vaaditaan korkealaatuista lämpöä (esim. sementti-, teräsvalmistus)
• Polttoaine nolla-päästöisille kuorma-autoille, junille ja merenkulun aluksille

Tämä monialainen monikäyttöisyys muuttaa vetyä strategiseksi energiavectoriksi – ei ainoastaan akkujen vaihtoehdoksi, vaan perustavanlaatuisesti järjestelmälaajuisen dekarbonoinnin mahdollistajaksi pitkien pimeän tuulen (Dunkelflaute) jaksojen aikana.

Käytännön vetyintegraatio tuulivoimapuistoja hyödyntäen

Hywind Tampen: Merituulivoima kohtaa vihreän vedyllä tehtävän teollisen dekarbonoinnin

Equinorin Hywind Tampen on tällä hetkellä maailman suurin kelluva tuulivoimapuisto, joka toimittaa puhdasta energiaa suoraan merenpohjan öljynporauslauttoihin ja käyttää mahdollista ylimääräistä sähköä vihreän vetykaasun tuottamiseen. Tämä valtava 88 megawatin asennus vähentää näiden alusten päästöjä noin 35 prosenttia, mikä käytännössä korvaa kaikki vanhat luonnonkaasuturbiinit, mutta pitää kuitenkin kaiken toiminnassa sujuvasti. Tämän hankkeen erityinen mielenkiinto johtuu siitä, kuinka se osoittaa, että teollisuus voi jo nyt aloittaa siirtymisen fossiilisista polttoaineista, vaikka koko sähköverkko ei vielä olisi päivitetty suurimittaisen uusiutuvan energian käsittelyyn. Tuulivoiman ja vetykaasun tuotannon yhdistelmä muodostaa käytännöllisen ratkaisun sellaisille aloille, jotka tarvitsevat luotettavaa energiaa, mutta haluavat vähentää hiilijalanjälkeään.

H2Bus-hanke (Tanska) ja muut verkkomittakaavan mittaiset kokeiluhankkeet, jotka osoittavat dunkelflaute-tilanteiden kestävyyttä

Tanskan H2Bus-hanke hyödyntää ylimääräistä tuulivoimaa, kun tuuli puhaltaa voimakkaasti, muuntaa sen varastoitavaksi vetyksi ja käyttää sitä julkisten linja-autojen ajamiseen, kun tuuli heikkenee. Tämän lähestymistavan erityispiirteeksi tekee se, että se todellakin auttaa tasapainottamaan sähköverkkoa tarjoamalla noin kolmen kokonaisen päivän varavoiman pitkillä tuulenpuuskattomilla jaksoilla. Myös muut maat ovat kokeilleet samankaltaisia ratkaisuja. Saksassa suoritettiin viime vuonna testejä, joissa ylijäämäistä uusiutuvaa energiaa varastoitin vedyksi, ja skotlantilaiset yhteisöt kokeilivat samaa konseptia rannikkoalueillaan. Nämä käytännön kokeet osoittavat, että vety voi todella tehdä tuulivoimasta luotettavan energianlähteen koko vuoden ajan eikä vain riippua siitä, mitä säät tuovat. Se muuttaa entisen epävarman energialähteen luotettavaksi osaksi puhdasta energiatulevaisuuttamme.

Tärkeimmät haasteet ja kompromissit tuuli–vety-järjestelmissä

Tehokkuus vs. kesto: Selviytyminen 30–40 %:n kierrosta takaisin -tappiosta kausittaisen arvon kannalta

Tuulesta vetyyn perustuvat järjestelmät menettävät todellakin paljon energiaa matkan varrella. Elektrolyysi on tyypillisesti 60–70 %:n tehokkuudella, ja kun energia muunnetaan takaisin polttokennojen avulla, kokonaistehokkuus laskee noin 30–40 %:iin. Silti monet asiantuntijat väittävät, että tämä on taloudellisesti ja toiminnallisesti järkevää silloin, kun meidän on säilytettävä ylijäämäinen tuulivoima, joka tuotetaan kesäkuukausina, käytettäväksi talvikuukausina, jolloin kysyntä nousee huippuunsa. Tarjonnan ja kysynnän väliset kausittaiset epäkohdat kasvavat niin suuriksi, ettei tehokkuuslukuja voida enää yksinään ottaa huomioon. Vaikka akut saavuttavat vaikuttavan 90 %:n kierrosta takaisin -tehokkuuden, ne eivät sovellu pitkäaikaiseen säilytystä varten. Vetyä voidaan säilyttää useita kuukausia merkittävän laadun heikkenemisen ilman – tätä ominaisuutta ei mikään nykyinen teknologia pysty tarjoamaan suurella mittakaavalla.

Tekniset aukot: Elektrolysaattorien joustavuus, infrastruktuurin laajentaminen ja kustannusten alentaminen

Elektrolysaattorin suorituskyky muuttuvan tuulivoiman syötön alla on edelleen keskeinen rajoite. Alkalipohjaiset yksiköt vaativat vakaita kuormia, mikä rajoittaa niiden yhteensopivuutta vaihtelevan sähköntuotannon kanssa, kun taas protoninvaihtoelimen (PEM) järjestelmät kestävät vaihtelua, mutta niiden hinta on 2–3-kertainen kW:ta kohden verrattuna muihin järjestelmiin. Laajemmat infrastruktuurahaasteet säilyvät:

• Erityisiä vetyputkistoja on harvinaisia teollisuusalueiden ulkopuolella
• Suurimittainen varastointi perustuu kalliisiin paineistettuihin säiliöihin tai maantieteellisesti rajattuihin suolakammioihin
• Maailmanlaajuisen elektrolysaattorituotannon on kasvettava noin 100-kertaiseksi vuoteen 2030 mennessä, jotta voidaan täyttää ennustettu kysyntä

Fossiiliperäisen vedyntuotannon kustannusten saavuttamiseksi pääomakustannusten on laskettava alle 500 USD/kW:n — nykyisestä 800–1 400 USD/kW:n väliltä — mikä edellyttää koordinoitua poliittista tukea, hankintaketjuun kohdistuvaa investointia ja arvoketjun laajaa standardointia.

UKK

Miksi vetyä suositaan akkuja vastaan pitkäaikaisessa energianvarastoinnissa?

Vety voi varastoida energiaa kuukausia, toisin kuin akut, jotka yleensä säilyttävät varauksen vain muutamana päivänä. Tämä tekee vedystä olennaisen tekijän sähköverkon vakauttamisessa pitkien tuulittomien jaksojen aikana.

Mikä on vihreä vety ja kuinka sitä tuotetaan?

Vihreää vetyä tuotetaan elektrolyysillä käyttäen ylijäämäistä tuulivoiman sähköä veden jakamiseen vedyksi ja hapeksi, mikä johtaa nollan hiilidioksidipäästöihin.

Miksi vetyä pidetään monikäyttöisenä eri aloilla?

Vedyn sovellukset vaihtelevat sähköksi uudelleenmuuntamisesta tuulittomien jaksojen aikana suoraan teollisuusprosesseissa käytettävään vetyyn ja nollapäästöisiin liikenneajoneuvoihin käytettävään polttoaineeseen, mikä osoittaa sen monialaisen käytettävyyden.

Mitkä ovat päähaasteet tuuli–vety-järjestelmissä?

Haasteita ovat energiahäviöt muuntamisprosessissa, infrastruktuurin rajoitukset sekä korkeat kustannukset, jotka liittyvät elektrolysaattorien skaalautuvuuteen ja varastointiratkaisuihin.