Vetytalous: Kolmas kerta toden sanoo

Nyt puhutaan isoista ja vakavasti otettavista toimijoista, teollisen koon laitoksista ja prosessi-integraatiosta. Vedyn tuotantoa ja käyttöä yritetään nyt tosissaan skaalata mittakaavaan, jolla sille saadaan relevanssia ja energiavaikutusta, Lund kuvaa nykytilannetta.

– Vetyyn panostavat vakaat teollisuusyritykset, kuten UPM, ST1, SSAB, Boliden, EPV ja Helen, jotka toteuttavat hankkeitaan oman bisneksensä jatkeena.

Taustalla on tarve päästä eroon fossiilisista polttoaineista ja pystyä tasaamaan uusiutuvan energian tuotannon suuria tehonvaihteluita. Aurinko- ja tuulivoimaa on rakennettu valtavasti viime vuosina ja pelkästään tuulivoiman nimellisteho vastasi vuoden 2022 lopussa yli kolmea Olkiluoto III:n kokoisen yksikön tehoa.

– Tuuli- ja aurinkovoima ovat halvimmat sähköntuotannon muodot, mutta niiden saatavuus vaihtelee sen mukaan tuuleeko ja paistaako aurinko vai ei. Näitä vaihteluja voitaisiin tasata varastoimalla ylijäämäsähkö vedyksi, joka toisi energiavarastona luotettavuutta kokonaisuuteen, Lund selittää.

– Kaikki sähkö on Pohjoismaissa käytännössä päästötöntä 2030-luvun alussa. Kun sähköntuotantoa rakennetaan lisää, sähköllä tehdyllä hiilettömillä polttoaineilla päästään leikkaamaan päästöjä myös vaikeasti sähköistettävillä sektoreilla, kuten raskaassa liikenteessä, ilmailussa ja teollisuudessa.

Teollisuus kärjessä

Vedyn suurimmat potentiaaliset käyttäjät ovat alkuvaiheessa teollisuudessa. SSAB:n Raahen terästehdas on maan suurin yksittäinen hiilidioksidipäästölähde, josta kerrotaan omassa jutussaan tässä lehdessä. Toisena ja kolmantena tulevat Nesteen Sköldvikin tuotantolaitokset ja Helsingin energiantuotanto. Yhteensä erilaisia teollisia vetyhankkeita on käynnissä toista kymmentä. 

– Neste tarvitsee vetyä jalostamossaan krakkaukseen eli raakaöljyn pilkkomiseen jakeiksi, ja siinä käytettävä vety on perinteisesti tehty fossiilisesta maakaasusta – myös biodieselin valmistuksessa. Nyt he ovat siirtymässä vihreään vetyyn, Lund kertoo.

– Helsingissä selvitetään hiilen korvaamista sähkön ja lämmön yhteistuotannossa, jossa myös vety tulee selvitettäväksi. Teollista konkretiaa siellä ei vielä ole.

Mikäli näissä kolmessa kohteessa onnistutaan korvaamaan fossiilinen energia vihreällä vedyllä ja uusiutuvalla energialla, syntymättä jäisi vuosittain 10 miljoonaa tonnia hiilidioksidipäästöjä – eli saman verran kuin maan koko tieliikenteessä. 

– Se on merkittävä määrä, kun mietitään, miten hankalaa liikenteen päästöjen tiputtaminen on ja kuinka moneen miljoonaan henkilöautoon ja raskaan liikenteen ajoneuvoon se kohdistuu.

Vihreään vetyyn siirtyminen edellyttää investointeja erityisesti tuulivoiman tuotantoon. Ilmoitettujen hankkeiden nimellisteho vastaisi nykyistä suomalaista normaalin talvipäivän sähkönkulutusta. Visiot ovat kuitenkin vielä isompia.

– Pohjanlahden molemmilla puolilla puuhataan yhteistä vetyklusteria, jossa vetyä tuotettaisiin alueen teollisuuteen. Perämeren rannat yhdistäisi tuhannen kilometrin pituinen vetyputki, johon kytkettävät valtavat tuulivoimalaitokset tuottaisivat vedyn, Lund visioi.

– Sieltä voisi lähteä vetyä myös maailmalle, vaikka jo valtava paikallinen kulutus varmistaisi tulevaisuudessa hankkeen kannattavuuden.

Vedystä synteettisiä polttoaineita

Vety käy sellaisenaan polttoaineeksi esimerkiksi kaasumoottorissa sytytyksiä hieman säätämällä. Sen ongelmana on sen herkkä syttyminen jopa pelkän staattisen sähkön voimasta ja sen palaminen laajalla polttoaineseos-skaalalla. 

Bensiini palaa vain, jos sitä on seoksessa ilman kanssa 1–8 prosenttia. Vety taas palaa, jos sitä on seoksessa 4–75 prosenttia. Vetyyn liittyvät turvallisuushaasteet ovat siten ihan eri luokkaa kuin bensiinillä. 

– Vedyn teollinen käyttö on järkevintä myös turvallisuuden kannalta, koska silloin sitä käsittelevät ammattilaiset, joista monet käsittelevät vetyä jo nyt. Raskaan liikenteen ammattilaiset voivat toki nämäkin taidot opiskella, mutta tavalliset mattimeikäläiset eivät ainakaan vielä osaa tankata autoonsa vetyä riittävän turvallisesti, Lund pohtii. 

 – Heille vety kannattaa jatkojalostaa synteettisiksi polttoaineiksi. Niille on jo olemassa jakeluinfra, jota he osaavat käyttää.

Tällainen synteettinen polttoaine on esimerkiksi Sabatier-prosessilla tuotettu metaani eli maakaasu. Siinä tarvitaan vedyn ohella hiilidioksidia, jota saadaan esimerkiksi jätepolttolaitoksesta. Toinen vaihtoehto on ammoniakki, johon sidotaan vedyn lisäksi ilmasta saatavaa typpeä. Se käy suoraan polttoaineeksi esimerkiksi laivojen kaasumoottoreissa, mutta se soveltuu myös lannoitteiden raaka-aineeksi. Vedystä voidaan tehdä myös metanolia.

– Teollisuuden monipolttoainemoottorivoimalat syövät fossiilisten polttoaineiden ohella ammoniakkia, vetyä ja metaania. Niissä päästään hyvään kokonaishyötysuhteeseen, varsinkin jos niiden jätelämpö voidaan hyödyntää.

Hyötysuhde ja käyttöaika

Vedestä on tuotettu vetyä jo yli kahden sadan vuoden ajan alkaalisella vesielektrolyysillä, jonka hyötysuhde on 60–70 prosenttia. Integroiduilla energiajärjestelmillä, joissa erilaiset raaka-aine- ja energiavirrat kytkeytyvät toisiinsa, kilowatit pyritään hyödyntämään mahdollisimman tarkkaan. Kokonaisenergiahyötysuhde voi silloin yltää parhaimmillaan 90 prosenttiin. 

– Kannattavuuden parantamiseksi täytyy katsoa kokonaisuutta, eikä vain pelkkää päätuotetta. Elektrolyysistä saadaan jätelämmön lisäksi myös happea, jolle on olemassa pieni markkina esimerkiksi lääketieteellisessä käytössä tai vaikka jäteveden puhdistuksessa.

Jätelämmön hyödyntäminen on tärkeää. Elektrolyysiprosessin lämpötila on paineistamattomana alle veden kiehumispisteen. Siitä saatava noin 60–80-asteinen jätelämpö kelpaa parhaiten yhdyskuntien kaukolämmöksi.

– Vantaan Energialla vedyn tuotannossa syntyvä jätelämpö pyritään integroimaan kaupungin kaukolämpöverkkoon joko suoraan tai nostamalla lämpöpumpuilla prosessista saatavan veden lämpötilaa, Lund sanoo.

Kuluttajien käyttöön vety kannattaa jatkojalostaa synteettisiksi polttoaineiksi. Niille on jo olemassa jakeluinfra, jota he osaavat käyttää. 

– Synteettisen metaanin kohdalla kokonaishyötysuhde sähköstä metaaniin jää noin 55 prosenttiin. Loppu 45 prosenttia on jätelämpöä, joka tulee korkeammassa lämpötilassa kuin pelkkää vetyä tehtäessä ja on siten paremmin hyödynnettävissä.

Elektrolyysiprosessia voidaan periaatteessa ajaa ylös ja alas tuuli- ja aurinkosähkön vaihtelujen mukaan. Koska prosessiteollisuudessa kuitenkin pyritään mahdollisimman tasaiseen tuotantoon, sähkön saannin vaihtelua pyritään tasaamaan akku- tai vetyvarastoilla. 

– Varastojen avulla prosessi toimii tasaisesti ja sen käyttötunnit saadaan riittävän korkeiksi. Tällaisten kokonaisuuksien rakenteluun tarvitaan fiksua insinööriosaamista. Se alkaakin olla keskeinen kilpailuetu siinä, miten vetylaitos saadaan kannattamaan, Lund muistuttaa.

– Ei maailman paras tekniikka vaan se paras osaaminen. Vaikka Suomen kaltaisessa maassa ei ole resursseja suoltaa maailmanluokan innovaa­tioita, täällä ollaan tavattoman hyviä niiden soveltamisessa. Nimenomaan prosessiteollisuuden osaamisella vetytaloudesta saadaan vakavasti otettavaa toimintaa.

Elektrolyysillä tuotetun vedyn hinnassa sähkön hinta on tärkein tekijä. 

– Voimalan pitäisi pyöriä vähintään 40 prosenttia ajasta, jotta pääoman hinnalla ei olisi enää niin suurta merkitystä. Toki vedyn hinta jatkaa pienentymistään käyttötuntien lisääntyessä yli tuon 40 prosentin, mutta hinnanero ei ole kannattavuudelle enää niin olennainen tekijä, Lund linjaa.

– Simuloinneissa on havaittu että länsirannikon isojen tuulilaitosten kapasiteettikerroin olisi suurin piirtein 40–45 prosenttia, eli ne pyörisivät tuon ajan nimellistehollaan. Koska teho kuitenkin vaihtelee koko ajan, tarvitaan pieni puskuriakusto tuotantoa tasaamaan.

Kestääkö kantaverkko?

Sähkön tuotannon arvioidaan jopa kaksinkertaistuvan vuosisadan puoliväliin mennessä. Samalle yhä isompi osa tuotannosta on hajautettuna eri puolille maata. Kehitys haastaa verkkoinfrastruktuurin, jonka kohdalla jo nyt pohditaan, voidaanko kaikkia suunnitteilla olevia Pohjois-Pohjanmaan tuulivoimaloita liittää nykyiseen kantaverkkoon. 

– Suurimmat merelle kaavaillut tuulipuistot ovat nimellisteholtaan jopa ydinvoimalan yksikön luokkaa. Vaikka niiden vuosituotto on parhaimmillaankin vain puolet nimelliskapasiteetista, verkko on mitoitettava huipputehon mukaan. Sen vuoksi maailmalla mietitään jo vedyn tuottamista suoraan merellä, jolloin sähköverkkoa ei tarvittaisi ja maalle tuotaisiin vetyputki. Vety voitaisiin myös laivata suoraan merellä maailmalle vietäväksi, Lund pohtii.

– Sähkö voitaisiin myös tuoda maihin, jossa sillä tuotettaisiin saman tien vetyä. Vedyn valmistuksen ja tuulivoiman tuotannon tarpeet voitaisiin parhaiten sovittaa toisiinsa, kun niiden tuotanto integroidaan ja käytetään nimenomaan tehokäyrältään vedyntuotantoon modifioituja tuulivoimalaitoksia.