Onko vety seuraava iso askel kohti hiiletöntä energiantuotantoa?

Vaasan yliopiston juuri päättyneen, EU:n rahoittaman CHEK-hankkeen tulokset näyttävät suuntaa:

• Välimerellä purjehtiva loistoristeilijä pystyy vähentämään energiankulutustaan jopa 27 prosenttia, kun sen polttoaineena on vety, reitti optimoidaan ja aluksessa käytetään uusimpia tekniikoita.
• Aluksen ulkopinta pidetään puhtaana ultraäänen avulla.
• llmavoitelu pienentää kulkuvastusta.
• Hukkalämpöjä hyödynnetään, ja satamissa käytetään maalta syötettävää sähköä.
• Alukseen asennetaan akku tasaamaan risteilijän moottorien kuormitusta.
• Uudistusten myötä kasvihuonekaasupäästöt pienenevät noin 38 prosenttia.

Nykyristeilijän polttoainesäiliöihin mahtuu riittävästi nestemäistä vetyä jopa viikon mittaisiin matkoihin. Vety on kutenkin kuljetettava mukana nestemäisenä, jotta polttoainevarasto ei vie kohtuutonta tilaa. Tämän takia tärkeimpiin satamiin olisi saatava vedyntankkausasemat.

Vaasan yliopiston energiatekniikan tutkimusryhmä keskittyi erityisesti vetymoottorin kehittämiseen, vetykäyttöisen risteilijän turvallisuusasioihin ja oman laboratorion vetypolttoainejärjestelmän suunnitteluun. Tutkimushankkeen koordinaattorina toimi yliopiston kehittämä monitieteinen energian ja kestävän kehityksen tutkimus- ja innovaatioalusta VEBIC.

Image

Perinnemoottorit vetykäyttöisiksi pienin muutoksin

Moottoritutkijat ja moottorien valmistajat ovat vuosikymmenten ajan tutkineet vedyn käyttöä erikokoisissa polttomoottoreissa.

Viime vuosina kiinnostus vetyä kohtaan on lisääntynyt nopeasti, sillä vety on lupaava puhtaan ja uusiutuvan energian lähde. Vedyn poltto ei tuota haitallisia kasvihuonekaasuja, ja muutkin päästöt ovat pienet.

Vetykäyttöisiä moottoreita on jo tarjolla laivoihin. Varustamoilla on mahdollisuus valita risteilijöihin myös hiilettömällä polttoaineella toimiva koneisto, jonka turvajärjestelmien päälinjat on määritelty.

Erilaiset kaasu- tai dieselmoottorit voidaan myös muuntaa vetykäyttöisiksi melko pienin muutoksin. Valtaosa moottorin rakenteesta ja apulaitteista voidaan säilyttää ennallaan. Polttoaineen syöttölaitteet on kuitenkin uusittava, samoin moottorin ohjausjärjestelmä ja pakokaasujen puhdistuslaitteisto.

Typen oksidit ovat ainoa mahdollinen merkittävä pakokaasupäästö, kun vetyä käytetään moottoripolttoaineena.

Vety palaa kuitenkin hyvin myös runsaalla ilmaylimäärällä eli vedyn ja ilman laihalla seoksella. Moottoreissa hyödynnetään tätä ominaisuutta laajalla kuormitusalueella, jotta typen oksideja ei synny.

Tehokas pakokaasujenpuhdistusjärjestelmä huolehtii siitä, että päästö on miltei nolla myös niillä kuormilla, joilla typen oksidien tuotto pääsee kasvamaan.

Image

Myös vetylaivat seilaavat useilla polttoaineilla

Monen polttoaineen käyttömahdollisuus on ollut laivamoottoreissa vakioratkaisu jo vuosikymmeniä. Sama ominaisuus on rakennettavissa myös vetymoottoreihin. Näin varmistetaan risteilyalusten käyttö myös niillä alueilla, joissa vetyä ei vielä ole saatavilla.

Laivan vetyjärjestelmän on oltava ehdottoman turvallinen. Vety on voitava varastoida ja siirtää moottoriin vuotomahdollisuudet minimoiden. Järjestelmä on myös suojattava onnettomuuksilta.

Hälytysjärjestelmien on oltava herkät, tarkat ja kattavat. Vuotoriskin alueilla on huolehdittava tehokkaasta tuuletuksesta, jotta syttymiskelpoista seosta ei pääse muodostumaan.

Vetyjärjestelmän turvallisuuteen on kiinnitettävä erityistä huomiota, koska

• vedyn tiheys on pieni, ja se vaatii syttyäkseen paljon vähemmän energiaa kuin muut polttoaineet
• vety voi ilmaan sekoittuessaan syttyä hyvin laajalla seosalueella
• vety voi myös haurastuttaa materiaaleja ja vuotaa pienestäkin raosta.

Laivojen järjestelmät on rakennettava tarkasti alan luokituslaitosten toimittamia ohjeita noudattaen. Luokituslaitos Lloyd’s Register päivittää vuosittain kaasumaisten polttoaineiden laivakäyttöä koskevat vaatimukset. Säädösten puitteissa hyväksytään myös vaihtoehtoisia toteutustapoja, mikäli suunniteltu osa on yhtä turvallinen kuin luokituslaitoksen vaatima.

Luokituslaitos on ollut aktiivisesti mukana CHEK-hankkeen vetyjärjestelmän kehitystyössä ja varmistanut, että ratkaisut ovat hyväksyttäviä. Myös kansainvälinen merenkulkujärjestö IMO on laatimassa säännöstöä laivojen vetykäyttöä varten.

Käyttökohteita myös maalla

Vedylle arvioidaan olevan tulevaisuudessa runsaasti käyttökohteita:

• ajoneuvot,
• sähkön tuotanto sekä pienimuotoisena että säätövoimana,
• teollisuusprosessit sekä
• lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmät.

Kaikissa näissä vety korvaa fossiilisten tuontipolttoaineiden käyttöä ja vähentää tuntuvasti myrkyllisiä lähipäästöjä. Uusiutuvan vedyn käytön osaaminen ja yleistyminen auttavat maatamme myös saavuttamaan tavoitellut ilmastotoimet.

Vetyä voidaan tuottaa monella menetelmällä

• Kun vesihöyryä syötetään puhdistettuun maakaasuun, metaani saadaan sopivassa prosessissa reagoimaan veden kanssa, ja tuloksena syntyy vetyä ja hiilidioksidia. Hiilidioksidi voidaan kaapata talteen, ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi synteettisten polttoaineiden valmistukseen.

• Toinen tapa on kuumentaa metaania hapettomassa tilassa. Tällöin syntyy vetyä ja kiinteää hiiltä. Lähtöaine on tässäkin useimmiten fossiilista, mutta hiilidioksidipäästöä ei synny.

• Uusiutuvaa vetyä saadaan, kun vesi hajotetaan vedyksi ja hapeksi uusiutuvaa sähköä käyttämällä. Sähkö on tällöin tuotettu vesi-, tuuli- tai aurinkovoimalla. Hiilineutraalia vedyn voidaan katsoa olevan myös, kun sähkö on tuotettu ydinvoimalla.

Vaasan yliopiston moottoritutkimuslaboratorioon on suunniteltu vetypolttoainejärjestelmä, joka vedyn ohella mahdollistaa uusien polttoaineseosten ja palamismenetelmien tutkimisen erikokoisissa polttomoottoreissa. 

Maamme vetytutkimuksen tuloksena on käynnissä usean yliopiston tuottama vetytalouden ja -tekniikan itseopiskeluohjelma. Ohjelmaan sisältyy kurssi, joka käsittelee vedyn käyttämistä polttomoottoreissa ja laivakäytön turvallisuusasioita. Ohjelma mahdollistaa myös alusten henkilökunnan vetyosaamisen syventämisen. Kurssille voi osallistua kuka tahansa.

Kotimaisilla tutkimustuloksilla on myös laaja kansainvälinen merkitys meriliikenteen ilmastopäästöjen vähentämisessä.

Haasteina hinta, jakelu, varastointi ja turvavaatimukset

Uusiutuva vety on askel kohti hiiletöntä energiantuotantoa, vaikka se on edelleen kallista. Uusiutuvan sähköntuotannon lisääntyessä ja biologisten energiantuotantoprosessien kehittyessä vedyn hinnan oletetaan kuitenkin laskevan.

Vedyn käyttöä rajoittaa toistaiseksi myös jakelu- ja varastointimenetelmien puute. Useimmiten vetyä kuljetetaan ja varastoidaan kaasuna. Paine ja tilantarve ovat suuria. Vedyn nesteyttäminen vähentää tilantarvetta, mutta nesteyttämiseen tarvitaan mittavaa jäähdytystä, joka kuluttaa energiaa.

Vedyn käyttöön suhtaudutaan usein jopa ylikorostuneen varovaisesti. Vaikuttaa siltä, että Suomessa vedyn käytön turvallisuusvaatimukset ovat jopa tiukempia kuin esimerkiksi Keski-Euroopassa. Vedyn käytön yleistyminen näyttää vaativan säädösten tarkistamista.

Viranomaisia ja kansalaisia tulee myös valistaa vetykäytön mahdollisuuksista ja toimenpiteistä, joilla turvallisuus taataan. Yksi askel kohti vetytulevaisuutta on Tukesin tänä vuonna julkaisema vedyn käsittelyä ja varastoinnin turvallisuutta koskeva opas.

– Professori Seppo Niemen, vanhemman tutkijan Carolin Nuortilan ja laboratorioinsinööri Lauri Nyystilän artikkeli on julkaistu ensimmäisen kerran 5.11.2024 MustRead Akatemiassa –