Vetytalous

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

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.

Energiatalous ja tarve vetytaloudelle[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 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 [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. 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. Se on myrkytön 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) [3][4][5]. 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 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 riippuvuutta ajanoloon hupenevasta öljystä. [6]

Vetytalouden toteutettavuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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. Merkittävin ratkaisematon kysymys on kuitenkin molekylaarisen vedyn tuottaminen. [7]

Maailmassa tuotettiin ja kulutettiin öljyä vuoden 2005 aikoihin miltei 4000 Mt vuosittain ja kysyntä oli kasvussa [8]. Energiamäärältään maailman öljyntuotanto vastaa noin 1400 Mt vetyä vuosittain. Vuosituhannen vaihteen aikainen tuotankopasiteetti oli 50 Mt luokkaa [6].

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 vastaavsti 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.

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

Vedyn tuotantotapoja:

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]

Lentokoneet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[12]

Vetytalouden ongelmia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vetytalouden vaikeimmiksi ongelmiksi on sanottu vedyn valmistusta, varastointia ja kuljetusta, näiden epätaloudellisuutta, epäkäytännöllisyyttä ja turvallisuusongelmia.[13][14]

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. 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. [15]

Vetyatomi on hyvin pieni ja sen varastoinnin ongelmana on se, että vety tunkeutuu diffuusion avulla teräkseen ja haurastuttaa sitä.[16] 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 (Metanolitalous), jota voidaan valmistaa vedystä ja hiilimonoksidista öljynjalostusta muistuttavassa prosessissa.[17][18] 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.

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. [19]

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. [20]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Lanz, Walter: Hydrogen Properties (PDF) Energy.gov. Joulukuu 2001. U.S. Department of Energy, College of the Desert. Viitattu 2015-10-13. (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 | 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. Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
  4. Fabri, J. et al.: Automotive Fuels, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
  5. Tse, L.: Natural Gas Properties, websivu, haettu 11.3.2006, päivitetty 28.5.2004, saatavilla: [2], Lontoo, 2004
  6. a b Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
  7. Mintz, M.: Hydrogen Distribution Infrastructure, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA, 2002
  8. IEA: Key World Energy Statistics, Paris, 2005
  9. Ikkala, Tapio: Vihdoinko vetypolttoaine on täällä? – Uudella katalyytilla vetyä tuotetaan jopa 1000 kertaa halvemmalla Tekniikka&Talous. 2015-09-15. Talentum. Viitattu 2015-09-23.
  10. Song Jin et al.: Efficient hydrogen evolution catalysis using ternary pyrite-type cobalt phosphosulphide (Abstract) Nature.com. 2015-05-05. Macmillan Publishers. Viitattu 2015-09-23. (englanniksi)
  11. http://georgepehli.googlepages.com/HydrogenEnhancedCombustion_3_5_2006.pdf
  12. http://www.bellona.org/filearchive/fil_Green_Heat_and_Power.pdf
  13. Zubrin, 2007. s. 113–126
  14. 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."
  15. Berry, G.: Hydrogen Production, Encyclopedia of energy, Elsiever, Boston, MA, USA 2004.
  16. Lanz, 2001. 1.3.4 Hydrogen Embrittlement. PDF:n s. 32
  17. Olah, 2006.
  18. Zubrin, 2007. s. 83–112, 137–159
  19. Mintz, M.: Hydrogen Distribution Infrastructure, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA, 2002
  20. Dunn, S.: History of Hydrogen, Encyclopedia of energy, Elsiever, Boston, MA, USA 2004.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]