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
muokkaaPastori 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. [1]
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. [2]
Energiatalous ja tarve vetytaloudelle
muokkaaVuonna 2005 ilmestyneen tilaston mukaan maailman primäärienergiankulutuksesta 80 % katettiin fossiilisilla polttoaineilla.[3] 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 [4]. Öljyn vaihtoehtoja etsittäessä yksi varsin ilmeinen ehdokas on vety.
Vetytalouden edut
muokkaaVety, 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) [5][6][7]. 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. [8][9]
Vetytalouden toteutettavuus
muokkaaSuomi on mukana Euroopan laajuisessa TEN-T HIT -projektissa toteuttaa vetytalouteen tarvittavat infrastruktuurit. [10]
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 [11]. Energiamäärältään maailman öljyntuotanto vastaa noin 1 400 Mt vetyä vuosittain. Vuosituhannen vaihteen aikainen tuotantopasiteetti oli 50 Mt luokkaa [8].
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.[12][13]
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. [14]
Lentokoneet
muokkaaVedyn 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.[15]
Sukellusveneet
muokkaaU212-sukellusvene voi olla sukelluksissa ennätyspitkään polttokennojen avulla, jopa 3 viikkoa. [16]
Vetytalouden ongelmia
muokkaaVetytalouden ongelmiksi on sanottu vedyn valmistusta, varastointia ja kuljetusta, taloudellisuutta ja turvallisuutta.[17][18][19]
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. [20]
Vetyatomi on hyvin pieni ja sen varastoinnin erityispiirteenä on se, että vety tunkeutuu diffuusion avulla teräkseen ja haurastuttaa sitä.[21] 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.[22][23] 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
muokkaaPaineistetun vedyn varastoinnissa autoliikenteessä käytetään yleisesti maksimipainetasoja 350 bar tai 700 bar. 350 barin säiliö voi olla lasikuituinen mutta 700 bar vaatii hiilikuiturakenteen.[24]
Katso myös
muokkaaLähteet
muokkaa- Lanz, Walter: Hydrogen Properties (PDF) Energy.gov. Joulukuu 2001. U.S. Department of Energy, College of the Desert. Viitattu 13.10.2015. (englanniksi)
- Luft, Gal; Korin, Anne: Energy Security Challenges for the 21st Century. Santa Barbara, California: Praeger Security International, 2009. ISBN 978-0-275-99997-1 (englanniksi)
- Zubrin, Robert: Energy Victory: Winning the War on Terror by Breaking Free of Oil. Amherst, New York: 2007, Prometheus Books. ISBN 978-1-59102-591-7 (englanniksi)
- Olah, George A.; Goeppert, Alain; Prakash, G. K. Surya: Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy. Weinheim, Saksa: Wiley-VCH, 2006. ISBN 3-527-31275-7 (englanniksi)
Viitteet
muokkaa- ↑ Mintz, M.: Hydrogen Distribution Infrastructure, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA, 2002
- ↑ Dunn, S.: History of Hydrogen, Encyclopedia of energy, Elsiever, Boston, MA, USA 2004.
- ↑ IEA: Key World Energy Statistics, Pariisi, 2005.
- ↑ Abel, E: Volume of World Petroleum Reserves, The Physics Factbook, websivu, haettu 11.3.2006, päivitetty 2000, saatavilla: [1], New York, 2000.
- ↑ Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
- ↑ Fabri, J. et al.: Automotive Fuels, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
- ↑ Tse, L.: Natural Gas Properties, websivu, haettu 11.3.2006, päivitetty 28.5.2004, saatavilla: [2], Lontoo, 2004
- ↑ a b Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
- ↑ Tuuli tuo puhdasta vetyä Suomeen www.tieteessatapahtuu.fi. Viitattu 21.2.2023.
- ↑ Proposal for Implementation Plan Hydrogen as Alternative Fuel in Finland (Arkistoitu – Internet Archive)
- ↑ IEA: Key World Energy Statistics, Paris, 2005
- ↑ Ikkala, Tapio: Vihdoinko vetypolttoaine on täällä? – Uudella katalyytilla vetyä tuotetaan jopa 1000 kertaa halvemmalla Tekniikka&Talous. 15.9.2015. Talentum. Viitattu 23.9.2015.
- ↑ Song Jin et al.: Efficient hydrogen evolution catalysis using ternary pyrite-type cobalt phosphosulphide (Abstract) Nature.com. 5.5.2015. Macmillan Publishers. Viitattu 23.9.2015. (englanniksi)
- ↑ http://georgepehli.googlepages.com/HydrogenEnhancedCombustion_3_5_2006.pdf (Arkistoitu – Internet Archive)
- ↑ http://www.bellona.org/filearchive/fil_Green_Heat_and_Power.pdf (Arkistoitu – Internet Archive)
- ↑ http://www.navalreview.ca/wp-content/uploads/public/vol3num4/vol3num4art11.pdf (Arkistoitu – Internet Archive) | Submarine Developments: Air-Independent Propulsion
- ↑ Zubrin, 2007. s. 113–126
- ↑ Luft & 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."
- ↑ Hänninen, Kari: Tutkijat lupaavat vetyvallankumousta: halvalla maailman puhtainta energiaa Kauppalehti. 28.5.2017. Viitattu 31.5.2017. Lainaus: "Vetyä on myös erittäin hankala varastoida. Sen pitää olla todella kovassa paineessa ja lisäksi vedyllä on taipumus vuotaa lähes minkä tahansa materiaalin läpi."
- ↑ Berry, G.: Hydrogen Production, Encyclopedia of energy, Elsiever, Boston, MA, USA 2004.
- ↑ Lanz, 2001. 1.3.4 Hydrogen Embrittlement. PDF:n s. 32
- ↑ Olah, 2006.
- ↑ Zubrin, 2007. s. 83–112, 137–159
- ↑ ”Tuulivoima talteen - Vety tulevaisuuden säätövoimana. H-Flex-E -projekti (Hardtalk)”. WIC Science Channel Suomi (käsikirjoitus). 2022-02-23.
Aiheesta muualla
muokkaa