Vetytalous

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
General Motorsin konseptiauto, joka käy vedyllä.

Vetytaloudella viitataan energian siirtämiseen ja varastointiin vetykaasua käyttäen. 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.

Energiatalous ja tarve muutokselle[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuonna 2005 ilmestyneen tilaston mukaan maailman primäärienergiankulutuksesta 80 % katettiin fossiilisilla polttoaineilla.[1] 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 erittäin suuri haaste. Sen merkitys on erityisen korostunut 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 [2]. Öljyn vaihtoehtoja etsittäessä yksi varsin ilmeinen ehdokas on vety.

Vetytalouden edut[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vety, joka koostuu vain yhdestä protonista ja sitä kiertävästä elektronista, on kaikkein kevein ja yksinkertaisin alkuaineista ja myös monilukuisin; sitä on noin 90 % maailmankaikkeuden aineesta. Vety on runsautensa ja fysikaalisten ominaisuuksien puolesta houkutteleva vaihtoehto öljypolttoaineille. Palaessaan se muodostaa vettä ja luovuttaa massansa nähden suuren määrän energiaa. Se on myrkytön ja vuotaessaan nousee nopeasti yläilmoihin ja laimenee, lopulta yhtyen hapen kanssa vedeksi. Vedyn haittapuolia ovat räjähdysalttius, vaikea varastoitavuus ja ennen kaikkea se, että se esiintyy maapallolla miltei yksinomaan yhdisteinä, joten sen valmistaminen itsessään on usein työläs ja energiaa vievä prosessi. Energianlähteeksi vedystä ei ole, mutta energiankantajaksi kyllä. Vedyn tulevaisuuden polttoaineena ratkaisee, löytyykö taloudellista tapaa tuottaa, varastoida ja jakaa sitä energiakäyttöön. [3]

Vedystä tekee mielenkiintoisen energiankantajan – sen yleisyyden lisäksi – 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) [4][5][6]. 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 sopii myös hyvin käytettäväksi polttokennojen polttoaineena, jolloin voitaisiin saavuttaa korkeampia hyötysuhteita nykyisiin moottoreihin verrattuna.

Vetytalouden perusajatuksena on korvata nestemäiset 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 riippuvat vain sen tuotanto- ja jakeluketjusta, eivät sen käytöstä. Täten vetytalous vähentäisi merkittävästi polttoaineiden käytön aiheuttamia päästöjä ja ainakin vähentäisi riippuvuuttamme ajanoloon hupenevasta öljystä. [7]

Vetytalouden toteutettavuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vetytalouden muuttaminen teoreettisesta pohdinnasta toimivaksi energiataloudeksi edellyttää useiden toistaiseksi selvittämättömien esteiden ylittämistä: vetytalouden vaatima jakeluverkosto puuttuu, vedyn varastointi etenkin pienessä mittakaavassa ja kulkuneuvoissa on ongelmallista ja tarvitaan keino vedyn kuljettamiseksi valmistuksesta kulutukseen. Merkittävin ratkaisematon kysymys on kuitenkin yksinkertaisesti: mistä vety saadaan? [8]

Maailmassa tuotettiin ja kulutettiin öljyä vuoden 2005 aikoihin miltei 4000 Mt vuosittain ja kysyntä oli kasvussa [9]. Energiamäärältään maailman öljyntuotanto vastaa noin 1400 Mt vetyä vuosittain, johon matkaa vuosituhannen vaihteen aikaisesta 50 Mt:n tuotantokapasiteetista on reilusti [7].

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 enemmän energiaa kuin sen käytössä vapautuu. 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 voi osoittautua fuusiovoima, eli auringon tapa tuottaa energiaa atomin osia yhdistämällä - toisin kuin nykyisissä ydinvoimaloissa, joissa niitä hajoitetaan fission avulla. Lyhyt tietopaketti tulevasta monikansallisesta fuusiovoimalan koelaitoksesta Ranskassa; http://www.efda.org/multimedia/downloads/poster_gallery/pdfs/fusion_energy_fi_web.pdf.

Mahdollisia tapoja tuottaa vetyä tunnetaan useita, niiden ominaisuuksista riippuu mikä tuotantotapa sopii kuhunkin tilanteeseen.

Vedyn tuotantotapoja

Kenties lupaavin käyttökohde vetypolttoaineelle on lentokoneet. Vedyn suuri energiatiheys kiloa kohti voi vähentää tarvittavan polttoaineen painoa 2,8 kertaisesti, minkä vuoksi moottoreiden kokoa voidaan pienentää. 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.[10]

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. [11]

Vetytalouden ongelmia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vetytalouteen siirtymistä pidetään vaihtoehtona nykyiselle fossiilisiin polttoaineisiin perustuvalle järjestelmällemme. Vetytalouteen siirtymiselle on kuitenkin vielä useita esteitä. Jotkut ovat alkaneet jo pitää vetytalouteen siirtymistä epätodennäköisenä vaihtoehtona.

Toistaiseksi esimerkiksi autoissa käytettävät polttokennot eivät ole toimivia käytännössä: Jotta polttokennot olisivat käyttökelpoinen vaihtoehto nykyiselle polttomoottorille, tulisi tehokkuuden nousta vähintään kaksinkertaiseksi, käyttöiän viisinkertaiseksi ja valmistuskustannusten laskea kymmenesosaan nykyisestä tai polttoaineiden hintojen tulisi nousta monikymmenkertaisesti. Käytettävissä olevalla tekniikalla ei ole vielä mahdollista saada kennoteknologiaa tälle tasolle, vaan tämä vaatii uusia keksintöjä, joiden toteutumista ei voida ennustaa.

Vetyatomi on hyvin pieni ja sen varastoinnin ongelmana on se, että vety tunkeutuu diffuusion avulla teräkseen ja haurastuttaa sitä. Lisäksi vetysäiliöitä on vaikea saada täysin tiiviiksi, jolloin vuotohäviöt ainakin pitkäaikaisemmassa kaasumaisen vedyn varastoinnissa tulevat merkitseviksi.

Vaihtoehtona vedyn suoralle polttoainekäytölle esimerkiksi autoissa on ehkä turvallisuuden vuoksi kannatettavampaa synteettisten fossiilisten polttoaineiden valmistus. Eräs vahva vaihtoehto on metanoli, jota voidaan valmistaa vedystä ja hiilimonoksidista öljynjalostusta muistuttavassa prosessissa. Tällöin maapallon ilmakehän hiilitase ei häiriinny, koska tarvittava hiili voidaan ottaa energiakasveista kuten levistä.

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pastori 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. [12]

Nykyaikainen vetytalouden käsite on kuitenkin syntynyt 60- ja 70-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. [13]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. IEA: Key World Energy Statistics, Pariisi, 2005.
  2. Abel, E: Volume of World Petroleum Reserves, The Physics Factbook, websivu, haettu 11.3.2006, päivitetty 2000, saatavilla: [1], New York, 2000.
  3. Berry, G.: Hydrogen Production, Encyclopedia of energy, Elsiever, Boston, MA, USA 2004.
  4. Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
  5. Fabri, J. et al.: Automotive Fuels, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
  6. Tse, L.: Natural Gas Properties, websivu, haettu 11.3.2006, päivitetty 28.5.2004, saatavilla: [2], Lontoo, 2004
  7. a b Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
  8. Mintz, M.: Hydrogen Distribution Infrastructure, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA, 2002
  9. IEA: Key World Energy Statistics, Paris, 2005
  10. http://www.bellona.org/filearchive/fil_Green_Heat_and_Power.pdf
  11. http://georgepehli.googlepages.com/HydrogenEnhancedCombustion_3_5_2006.pdf
  12. Mintz, M.: Hydrogen Distribution Infrastructure, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA, 2002
  13. Dunn, S.: History of Hydrogen, Encyclopedia of energy, Elsiever, Boston, MA, USA 2004.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]