Vety Sovellukset | Vety

Vety on monikäyttöinen ja sitä voidaan hyödyntää eri tavoin. Nämä moninaiset käyttötarkoitukset voidaan ryhmitellä kahteen suureen kategoriaan;

1. Vety raaka-aineena. Rooli, jonka merkitys on tunnustettu jo vuosikymmenten ajan ja joka tulee edelleen kasvamaan ja kehittymään.
2. Vety energiavektorina, joka mahdollistaa energiamurroksen. Vedyn käyttö tässä yhteydessä on jo alkanut ja lisääntyy vähitellen. Tulevaisuudessa tämä ala kasvaa dramaattisesti. Vedyn monipuolisuuden ja sen monikäyttöisyyden vuoksi vety voi edistää nykyisten talouksien hiilidioksidipäästöjen vähentämistä. Vedyn rooli hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä voidaan tiivistää alla olevan kaavion mukaisesti:

Pitkään vakiintuneet käyttökohteet – Vety raaka-aineena (materiaalipohjaiset käyttökohteet)

Nykyisin vetyä käytetään useissa teollisuusprosesseissa. Muiden käyttökohteiden joukossa on tärkeää mainita sen käyttö raaka-aineena kemianteollisuudessa ja myös pelkistysaineena metallurgisessa teollisuudessa. Vety on perustavanlaatuinen rakennusaine ammoniakin ja siten lannoitteiden sekä monien polymeerien valmistuksessa käytettävän metanolin valmistuksessa. Toinen käyttöalue ovat jalostamot, joissa vetyä käytetään öljyn välituotteiden käsittelyyn. Noin 55 prosenttia maailmassa tuotetusta vedystä käytetään ammoniakkisynteesiin, 25 prosenttia jalostamoissa ja noin 10 prosenttia metanolin valmistukseen. Muiden käyttökohteiden osuus maailmanlaajuisesta vedyntuotannosta on vain noin 10 %.

Ammoniakki – Lannoitteet

Tärkein vety-typpiyhdiste on ammoniakki (NH3), joka tunnetaan myös nimellä atsaani. Teknisesti ammoniakkia saadaan suuressa mittakaavassa Haber-Bosch-prosessilla. Tässä prosessissa vety ja typpi yhdistetään suoraan synteesillä. Tätä varten on ensin saatava lähtöaineet typpi ja vety. Typen osalta tämä tapahtuu ilman matalassa lämpötilassa tapahtuvalla erottelulla, kun taas vetyä saadaan nykyisin maakaasun höyryreformoinnista.

Lähes 90 % ammoniakista menee lannoitteiden tuotantoon. Tätä varten suuri osa ammoniakista muunnetaan kiinteiksi lannoitesuoloiksi tai katalyyttisen hapetuksen jälkeen typpihapoksi (HNO3) ja sen suoloiksi (nitraateiksi). Suuren haihtumisenergiansa vuoksi ammoniakkia käytetään myös jäähdytyslaitoksissa ympäristöystävällisenä ja edullisesti tuotettuna kylmäaineena; sen tekninen nimi on R-717.

TEOLLISUUSALAT

Vetyä käytetään erilaisissa teollisissa sovelluksissa; näitä ovat mm. metallintyöstö (lähinnä metalliseostuksessa), tasolasin valmistus (vetyä käytetään inertti- tai suojakaasuna), elektroniikkateollisuus (käytetään suoja- ja kantajakaasuna, pinnoitusprosesseissa, puhdistuksessa, syövytyksessä, pelkistysprosesseissa jne.) sekä sähköntuotannossa esimerkiksi generaattoreiden jäähdytykseen tai voimalaitosten putkistojen korroosionestoon.

Rautamalmin suorapelkistys eli hapen erottaminen rautamalmista vedyn ja synteesikaasun avulla voisi kehittyä tärkeäksi teolliseksi prosessiksi teräksen valmistuksessa, koska perinteisessä masuunimenetelmässä vapautuu suuria määriä hiiltä. Vaikka suora pelkistys maakaasulla on nykyään vakiintunut teräksen tuotannossa (World Steel Association 2015), vastaavia vetyyn perustuvia tuotantomenetelmiä on toistaiseksi olemassa vain pilottimittakaavassa.

Polttoaineiden tuotanto

Vetyä käytetään raakaöljyn jalostamiseen jalostetuiksi polttoaineiksi, kuten bensiiniksi ja dieseliksi, ja myös epäpuhtauksien, kuten rikin, poistamiseen näistä polttoaineista.

Vedyn käyttö jalostamoissa on lisääntynyt viime vuosina eri syistä:
(i) tiukat määräykset, jotka edellyttävät dieselpolttoaineen rikkipitoisuuden alentamista,
(ii) heikkolaatuisen ”raskaan” raakaöljyn kulutuksen lisääntyminen, jonka jalostaminen vaatii enemmän vetyä,
(iii) öljynkulutuksen kasvu kehittyvissä talouksissa, kuten Kiinassa ja Intiassa.

Noin noin 75 % öljynjalostamoiden tällä hetkellä maailmanlaajuisesti käyttämästä vedystä saadaan suurista vetylaitoksista, jotka tuottavat vetyä maakaasusta tai muista hiilivetypolttoaineista

Vety on myös tärkeä perusaine metanolin (CH 3 OH) valmistuksessa. Metanolin valmistus (metanolisynteesi) tapahtuu hiilimonoksidin katalyyttisen hyderoinnin avulla.
Metanolia voidaan käyttää suoraan polttoaineena polttomoottoreissa. Sitä käytetään myös suorissa metanolipolttokennoissa tai reformoinnin jälkeen PEM-polttokennoissa. Metanolista valmistetaan polttoaineen lisäaineita, ja sitä käytetään kasviöljyjen transesteröintiin metyyliesterien (biodiesel) muodostamiseksi.

Käyttökohteet – energiapohjaiset käyttökohteet

Energia-alalla vetyä käytetään enimmäkseen polttokennojen (FC) avulla. Polttokenno on sähkökemiallinen laite, joka yhdistää vedyn ja hapen tuottaakseen sähköä, jonka sivutuotteena syntyy vettä ja lämpöä. Yksinkertaisimmillaan polttokenno koostuu kahdesta elektrodista – anodista ja katodista – joiden välissä on elektrolyytti. Anodilla vety reagoi katalyytin kanssa muodostaen positiivisesti varautuneen ionin ja negatiivisesti varautuneen elektronin. Tämän jälkeen protoni kulkee elektrolyytin läpi, kun taas elektroni kulkee virtapiirin läpi luoden virran. Katodilla happi reagoi ionin ja elektronin kanssa muodostaen vettä ja käyttökelpoista lämpöä.

Vetyä liikenteessä

Vetypolttoainetta pidetään hyvänä ehdokkaana maantieliikenteen hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen, jos se tuotetaan uusiutuvista energialähteistä elektrolyysiprosessin avulla. Tällöin polttokennosähköajoneuvojen tärkeimmät edut ovat hiilidioksidi- ja epäpuhtauspäästöttömyys (pakokaasupäästö on vain vettä) ja polttokennojen korkeampi hyötysuhde polttomoottoreihin verrattuna. Henkilöautot ja kaupunkiliikenteen linja-autot, muun muassa materiaalinkäsittelylaitteet jne, ovat hyviä esimerkkejä uudesta teknologiasta, joka on valmis massakaupallistettavaksi lähivuosina.

Vedyn käyttövaihtoehdot liikkumisen polttoaineena voidaan erottaa toisistaan ensinnäkin vedyn kemiallisen muodon tai sidoksen mukaan ja toiseksi sen mukaan, millä energiamuuntimella vetyyn varastoitunut energia saadaan käyttöön.

• Suorassa käytössä (puhdas) molekulaarista vetyä (H2) käytetään liikennevälineissä suoraan eli ilman lisämuuntamista energianlähteenä. Tällöin vetyä voidaan käyttää sekä polttomoottoreissa että polttokennoissa (polttokennojärjestelmissä).
• Epäsuorassa käytössä vetyä käytetään lopullisten energialähteiden tuottamiseen tai se muunnetaan lisämuunnosvaiheiden avulla kaasumaisiksi tai nestemäisiksi vetyä sisältäviksi polttoaineiksi. Tällaisia PtG (Power-to-Gas) ja PtL (Power-to-Liquids) -polttoaineita voidaan sitten puolestaan käyttää lämpövoimakoneissa. Käyttö polttokennoissa olisi myös mahdollista (joissakin tapauksissa) reformerin avulla, mutta se ei ole taloudellisesti kannattavaa.

Lentoliikenne

Siviili-ilmailussa vetyä käyttäviä polttokennoja pidetään potentiaalisina energiantuottajina lentokoneissa kuten avaruusmatkailussa on jo jonkin aikaa pidetty. Polttokennomoduulit voivat siis syöttää sähköä lentokoneen sähköjärjestelmään hätägeneraattorikokonaisuuksina tai apuvoimalaitteena. Edistyneempiä konsepteja ovat muun muassa päämoottorin käynnistäminen ja nokkapyörän voimansiirto liikennelentokoneiden kenttäliikkeitä varten.

Merenkulun sovellukset

Kuten ilmailussa, polttokennoja testataan tällä hetkellä polttoainekennojen energiantoimittajina lentokoneen virransyötössä. Vetyä käyttävien polttokennojen käyttö laivojen käyttövoimana on sitä vastoin vielä varhaisessa suunnittelu- tai kokeiluvaiheessa – sovelluksia on pienemmissä matkustaja-aluksissa, lautoissa tai huviveneissä. Matalan ja korkean lämpötilan polttokennoa (PEMFC) ja kiinteän oksidin polttokennoa (SOFC) pidetään lupaavimpina polttokennotyyppeinä merenkulun sovelluksissa (EMSA 2017). Toistaiseksi polttokennoja ei kuitenkaan ole vielä skaalattu ja käytetty suurissa kauppalaivoissa.

Junat

Sähkövetureissa käyttövoima syötetään paikallaan olevien virtajohtimien (ilmajohdot, johdinkiskot) ja kulkuneuvoissa olevien virrankerääjien kautta. Teknisistä, taloudellisista tai muista syistä kaikkia rautateitä ei kuitenkaan voida sähköistää. Etenkin sellaisilla radoilla, joiden liikennemäärä on vähäinen, radan sähköistämiseen tarvittavia suuria alkuinvestointeja ei aina voida perustella. Ilmajohtoja ei myöskään voida käyttää vaihtotöihin, jos nostureita käytetään myös kuljetustavaroiden siirtämiseen. Maanalaisessa kaivostoiminnassa sen sijaan vetoajoneuvojen on toimittava ilman ilman epäpuhtauksia.

Rautatieajoneuvot, jotka käyttävät vetyä energiavarastona ja energialähteenä, voivat tarjota lisävaihtoehdon. Polttokennokäyttöisissä raideliikenteen kalustoyksiköissä yhdistyvät saasteettoman toiminnan etu ja alhaiset infrastruktuurikustannukset, jotka ovat verrattavissa dieselkäyttöön.

Materiaalinkäsittelyajoneuvot

Polttokennokäyttöiset teollisuustrukit, kuten haarukkatrukit tai hinausautot (lentokentät), soveltuvat erityisen hyvin sisätiloissa tapahtuvaan liikennöintiin, koska ne eivät tuota lainkaan paikallisia saastepäästöjä eikä niistä aiheudu juurikaan melupäästöjä. Polttokennoajoneuvoilla on akkukäyttöisiin teollisuustrukkiin verrattuna etuja tankkauksen suhteen. Akun vaihtamisen sijaan trukit voidaan tankata kahdessa tai kolmessa minuutissa.

Ne vievät vähemmän tilaa ja ovat halvempia ylläpitää ja korjata. Polttokenno-teollisuustrukit mahdollistavat keskeytymättömän käytön ja soveltuvat siksi erityisen hyvin materiaalinkäsittelyn monivuorokäyttöön (FCTO 2014b). Monivuorokäytössä olevissa suuremmissa teollisuustrukkilaivastoissa voidaan saavuttaa (kohtuullisia) kustannussäästöjä akkuteknologiaan verrattuna, ja myös materiaalinkäsittelyn tuottavuutta voidaan lisätä.

Bussit

Tieliikenteessä joukkoliikenneverkon linja-autot ovat vety- ja polttokennotekniikan perusteellisimmin testattu sovellusalue. Maailmanlaajuisesti on 1990-luvun alusta lähtien ajettu ja ajetaan useita satoja busseja vedyllä – pääasiassa Pohjois-Amerikassa, Euroopassa ja enenevässä määrin myös Aasiassa.

Vaikka vetyä käytettiin aluksi vielä polttomoottorilla varustetuissa busseissa, bussikehittäjät keskittyvät nyt lähes kokonaan polttokennosähköbusseihin (Fuel Cell Electric Bus, FCEB). Pienten polttokennobussien käyttöä edistetään kaupunkialueilla keinona edistää teknologista kehitystä ja puhdasta ilmaa koskevaa politiikkaa.
Polttokennobussit ovat nyt saavuttaneet korkean teknisen kypsyystason, vaikka ne eivät vielä olekaan sarjatuotannossa. Pienestä määrästä johtuen ne ovat toistaiseksi olleet vielä paljon kalliimpia, noin miljoona euroa, kuin tavalliset dieselbussit, jotka maksavat noin 250 000 euroa. Myös huoltokustannukset ovat pienentyneet merkittävästi ja luotettavat käyttöajat pidentyneet (Hua et al. 2013).

Vuosittaisista tuotantomääristä riippuen FCEB:ien tuotantokustannusten pitäisi kuitenkin laskea edelleen tulevissa hankkeissa. 12-metristen bussien tuotantokustannusten ennustetaan laskevan noin 450 000 euroon (100 bussin osto) vuoteen 2020 mennessä ja noin 350 000 euroon vuoteen 2030 mennessä, jolloin ne nousevat dieselhybridibussien ulottuville.

Nykyaikaiset polttokennobussit ottavat energiansa kahdesta polttokennopinosta, joiden kummankin teho on noin 100 kW. Niissä on myös suhteellisen pieni vetoakku, ja ne pystyvät hyödyntämään jarruenergiaa. Lisäksi niissä on noin 30-50 kg paineistettua vetyä, joka on varastoitu 350 baarin painesäiliöihin. Toisaalta joissakin akkusähköbussimalleissa on suuret vetoakut ja vain pienet polttokennopinot, joita käytetään toimintasäteen pidentäjinä.

Polttokennobussien toimintasäde on nykyään 300-450 kilometriä, joten ne tarjoavat lähes saman joustavuuden kuin dieselbussit päivittäisessä käytössä. Vaikka jotkin vanhemmat kunnalliset linja-autot kuluttavat vielä reilusti yli 20 kiloa vetyä (40 litran dieselin sijaan) 100 kilometriä kohden, uudemmat polttokennobussit kuluttavat nykyään vain 8-9 kiloa 100 kilometriä kohden, mikä antaa polttokennobusseille noin 40 prosentin energiatehokkuusedun dieselbusseihin verrattuna. Markkinoiden kehittämiseksi suunnitellaan demonstraatiohankkeita, joissa suuret ajoneuvokannat ovat pitkäaikaisessa käytössä. FCEB-laivaston odotetaan Euroopassa kasvavan 90:stä 300-400 ajoneuvoon vuoteen 2020 mennessä.

Lue lisää polttokennobusseista täältä.

Henkilöautot

Vetykäyttöiset polttokennohenkilöautot ovat akkukäyttöisten sähköajoneuvojen ohella vetyä käyttävien polttokennohenkilöautojen ainoa nollapäästöinen vaihtoehtoinen käyttövoimavaihtoehto motorisoidussa yksityisliikenteessä. Ensimmäisiä polttokennohenkilöautoja testattiin jo 1960-luvulla demonstraatiohankkeina. Uusi sysäys polttokennojen kehitykselle tuli 1990-luvulla. Useimmissa tapauksissa polttokennokoeajoneuvot olivat muunnettuja autoja, jotka oli alun perin varustettu polttomoottorilla. Tuolloin varhaiset testimallit eivät kuitenkaan vielä olleet teknisesti tai taloudellisesti kilpailukykyisiä. Lisäksi vielä noin 10 vuotta sitten testattiin bensiinimoottoriprototyyppejä, joissa vetyä käytettiin vaihtoehtoisena energialähteenä ja vähäpäästöisenä polttoaineena. Kyse oli ajoneuvoista, joissa oli muunnetut bivalenttimoottorit, jotka pystyivät käyttämään sekä bensiiniä että vetyä. Polttoaineen ansiosta vetykäyttöiset polttomoottorit eivät ainoastaan saavuta jonkin verran korkeampaa hyötysuhdetta kuin bensiinikäytössä, vaan ne myös päästävät paljon vähemmän epäpuhtauksia.

Vaikka vety on puhdas polttoaine, jolla on erinomaiset fysikaalis-kemialliset ominaisuudet, se ei ole onnistunut saamaan hyväksyntäänsä moottorikäyttöisen tieliikenteen polttoaineena. Henkilöautoissa keskitytään nyt lähes kokonaan vetykäyttöisiin polttokennoihin käyttövoiman lähteenä.

Polttokennoprototyyppejä sisältävistä henkilöautoista on nyt runsaasti käytännön kokemusta. Useat suuret autonvalmistajat ovat alkaneet tarjota varhaisia sarjavalmisteisia ajoneuvoja, jotka ovat nyt toiminnaltaan yhtä hyviä kuin perinteiset polttomoottoriautot. Tulevina vuosina valmistettavien polttokennoautojen määrän ennustetaan vaihtelevan muutamasta sadasta jopa tuhansiin kappaleisiin. Käytännöllisesti katsoen kaikki polttokennohenkilöautot on nykyään varustettu PEM-polttokennoilla sekä sarja- että rinnakkaiskokoonpanoissa. Polttokennoilla varustettujen keskikokoisten ajoneuvojen hinnat ovat edelleen selvästi polttomoottorilla varustettujen henkilöautojen hintoja korkeammat, noin 60 000 euroa/USD. Kun FCEV-sarjatuotanto käynnistyy, ajoneuvojen kustannusten ja hintojen odotetaan laskevan huomattavasti.

Uudemmissa polttokennomalleissa polttokennopinojen teho on 100 kW tai enemmän. Verrattuna akkusähköautoihin niiden toimintasäde on suurempi – nykyisin noin 400-500 kilometriä -, ajoneuvon paino on pienempi ja tankkausaika huomattavasti lyhyempi, kolmesta viiteen minuuttia. Niissä on yleensä 4-7 kiloa vetyä, joka on varastoitu 700 baarin painesäiliöihin.

Lue lisää tankkausasemista

Kiinteät energiasovellukset

Kiinteitä polttokennoja voidaan käyttää hajautettuun energiahuoltoon verkon ulkopuolisilla alueilla. Varavoimasovellusten (BUP) markkinat ovat yhä tärkeämmät. Varavoimasovelluksiin kuuluvat ensinnäkin varavoiman syöttö ja toiseksi keskeytymätön sähkönsyöttö (UPS).

Varavoimageneraattorikokonaisuuksia käytetään toiminnan ylläpitämiseen pitkien sähkökatkosten aikana. Tällöin siirtyminen verkkovirransyötöstä keskeytyy yleensä (lyhytaikaisesti).
Keskeytymättömiä virtalähteitä taas käytetään suojaamaan erittäin herkkiä teknisiä järjestelmiä verkkovirransyötön vaihteluilta ja lyhytaikaisilta katkoksilta siten, että toiminta on jatkuvaa. Käyttöalueita ovat erityisesti televiestintä- ja tietotekniikkajärjestelmät, kuten radiomastot tai tietojenkäsittelykeskukset.

Polttokennojen sähköhyötysuhde on perinteisiin lämpövoimalaitoksiin verrattuna paljon korkeampi, jopa 60 prosenttia, jopa pienissä laitoksissa. Tämä on edullista eksergeettisestä näkökulmasta, koska tuotetaan paljon arvokasta sähköä ja vähän lämpöä.

Jatkuvassa käytössä polttokennojen varavoimalaitoksille ovat ominaisia seuraavat edut: pitkä itsenäinen toiminta- ja käyttöikä, alhaiset huoltokustannukset liikkuvien osien puuttumisen vuoksi ja hiljainen, (paikallisesti) päästötön sähköntuotanto.

Kiinteästi asennettujen polttokennojen varavoimalaitosten kapasiteetti vaihtelee muutamasta kilowatista yli 1 GWe:hen. Polttokennot, joiden sähköteho on pieni, ovat usein kannettavia polttokennoja, joilla on painohyötyjä ladattaviin akkuihin ja generaattoreihin verrattuna. Paikallaan olevissa polttokennoissa käytetään useita erilaisia polttokennotyyppejä, joissain tapauksissa myös jäähdytykseen. Polttoaineina käytetään vedyn lisäksi metanolia, maakaasua ja nestekaasua.

Kotitalouksien energia

Jos tuotetun sähkön lisäksi hyödynnetään myös tuotettua lämpöä, puhutaan sähkön ja lämmön yhteistuotannosta (CHP). Jos tällaisia laitoksia käytetään kotitalouksien lämmityssektorilla, niitä kutsutaan myös mikro-CHP- tai mini-CHP-laitoksiksi niiden pienemmän tehon vuoksi.

CHP-laitoksia voidaan käyttää kahdella strategialla: Laitos kattaa joko suurimman osan sähkön tai lämmön tarpeesta. Jos sähkön hinta on korkea, sähköön perustuva toimintatapa on tarkoituksenmukainen. Tällöin sähkön osto sähköverkosta voidaan minimoida tai tuotettu CHP-sähkö voidaan syöttää sähköverkkoon ja korvata.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannon sivutuotteena tuotettua lämpöä käytetään kattamaan osa rakennusten lämmöntarpeesta. Enimmäkseen sähköön perustuva toimintatapa johtaa polttokennolämmitysjärjestelmien pieneen lämpötehoon. Rakennuksen jäljellä oleva lämmöntarve katetaan lisälämmitysjärjestelmällä, esimerkiksi kondenssikattilalla. Tästä syystä polttokennot soveltuvat erityisen hyvin rakennuksiin, joissa tilojen lämmitystarve on vähäinen, kuten matalaenergiataloihin tai lähes nollaenergiataloihin. Rakennuksissa, joissa tilojen lämmitystarve on suurempi, käytetään hybridipolttokennolämmitysjärjestelmiä, jotka koostuvat polttokennosta ja kondenssikattilasta huippulämmitystarpeen kattamiseksi.

Kiinteät polttokennot, joiden teho on enintään 10 kWe, ovat yleensä PEM- tai SO-polttokennoja. Tyypillinen CHP-tuotantoalue taloissa ja kerrostaloissa on 0,7-5 kWe. Jos polttokennojärjestelmissä käytetään polttoaineena maakaasua, voidaan käyttää olemassa olevaa maakaasuinfrastruktuuria. Polttoaine on kuitenkin ensin reformoitava. PEM-polttokennoissa reformointi tapahtuu ulkoisesti. SO-polttokennoissa sisäinen reformointi on mahdollista korkeampien lämpötilojen vuoksi.

Polttokennojen ehkä suurin etu lämpövoimaprosesseihin verrattuna on suora sähkökemiallinen muuntaminen sähkön- ja lämmöntuotannon aikana ja siihen liittyvä korkeampi sähköhyötysuhde. Yhdistelmäkäytössä eli sähkö- ja lämpökäytössä polttokennoilla voidaan saavuttaa jopa 95 prosentin hyötysuhde. Sähköinen hyötysuhde on jopa 45 prosenttia. Lisäksi polttokennojärjestelmille on ominaista korkea hyötysuhde kaikissa kuormituspisteissä, ne ovat hiljaisia, niiden ylläpitokustannukset ovat alhaiset ja ne toimivat (paikallisesti) päästöttömästi.