Vetytalous ja puhdas sähkö ovat energiamurroksen ytimessä – vedystä haetaan fossiilisten energialähteiden käyttöä korvaavia ratkaisuja, jotka eivät aiheuta hiilidioksidipäästöjä

Ilmastonmuutosta hillitseville ratkaisuille on huutava tarve ja fossiilisten energialähteiden käytöstä on luovuttava. Helpot kohteet yhteiskunnan eri sektoreista on jo pitkälle dekarbonisoitu eli toteutettu ratkaisuilla, jotka eivät aiheuta hiilidioksipäästöjä. Monien haastavampien kohteiden ratkaisut kiertyvät niin kutsuttuun vetytalouteen. LUT-yliopiston asiantuntijat taustoittavat mistä vetytaloudessa on kyse, ja antavat esimerkkejä, kuinka LUT osallistuu sen rakentamiseen.

Kuvituskuva vedestä, jossa vetykaasun kemiallinen merkki

Vetytaloudesta puhutaan juuri nyt kaikkialla ja monesta eri näkökulmasta. Jopa hypetyksen piirteitä sisältävä keskustelu käsitteen ympärillä saa alaa vähemmän tuntevan ajattelemaan, että ilmiö on uusi. LUTin tutkijatohtori Antti Kososen mielestä näin ei kuitenkaan ole.

"Olemme eläneet vetytaloudessa käytännössä aina: vety on maailman ylivoimaisesti yleisin alkuaine, ja perinteinen energiateollisuus on perustunut hiilivetyihin. Öljy ja muut fossiiliset energialähteet ovat hiilivetyjä, joissa vety toimii energian kantajana", taustoittaa Kosonen.

Vaikka energiakeskustelu perinteisesti herättää vahvoja tunteita ja vastakkaisia näkemyksiä, on fossiilisten polttoaineiden käytön alasajon välttämättömyys ja laajasti tunnustettu tosiseikka.

"Polttamiseen perustuvan energiantuotannon on loputtava ja korvaavien ratkaisujen etsiminen fossiilisten raaka-aineiden käytölle on kaikkein olennaisinta. Tästä yleensä vallitsee yksimielisyys, mutta keinoista ollaankin sitten usein eri mieltä riippuen siitä keneltä asiaa kysytään", sanoo Kosonen.

"Tästä eteenpäin meidän tulee itse tuottaa tarvitsemamme energia, ja tehdä se mahdollisimman tehokkaasti. Konversio eli energian muuntaminen tulee tapahtumaan sähköistämisen kautta", Kosonen kuvailee murrosta.

Edullinen, puhdas sähkö on koko energiamurroksen ytimessä

Vedystä haetaan ratkaisua moneen hankalasti dekarbonisoitavaan kohteeseen niin Suomessa kuin maailmalla. Vety astuu sähköistämisen kautta kuvaan muun muassa liikenteessä, lämmöntuotannossa ja teollisessa tuotannossa, joiden tämänhetkiset negatiiviset ilmastovaikutukset ovat isoja.

Sähköistämisellä tarkoitetaan yksinkertaistetusti muutosta, jossa energian, lämmön ja materiaalien tuotannossa siirrytään käyttämään energianlähteenä fossiilisten polttoaineiden sijaan sähköä. Kun tarvittava sähkö tuotetaan päästöttömästi, esimerkiksi tuuli- tai aurinkovoimalla, on mahdollista päästä hiilineutraaliin tuotantoon.

Siirtyminen fossiilisesta energiasta sähköön on koko homman nimi.
Petteri Laaksonen, tutkimusjohtaja

"Siirtyminen fossiilisesta energiasta sähköön on koko homman nimi. Sähköä voidaan varastoida tai muuttaa kemiallisesti eteenpäin eri hyödykkeiksi. Puhtaan sähkön saatavuus tulee varmistaa, ja sen pitää olla edullista – tämä on myös koko vetytalouden ydin", sanoo Petteri Laaksonen, tutkimusjohtaja LUTin energiajärjestelmien akateemisessa yksikössä.

Laaksosen mukaan alalla arvioidaan, että vuoteen 2050 mennessä 80 % kaikista maailman energiainvestoinneista kohdistuu aurinko- ja tuulisähköön, jotka ovat tulevaisuudessa keskeisimmät sähköenergian lähteet. LUTin asiantuntijat ovat toistuvasti nostaneet esiin tarpeen raivata Suomessa tuulivoiman lisärakentamiselta esteet.

Itä-Suomessa ja Suomenlahden rannikkoseudulla tuulivoiman lisärakentaminen törmää rajavalvonnan tutkateknologian häiriöillä perusteltuun kieltoon.

"Sähkönkulutusta tulee tietenkin hillitä kaikkialla missä se on mahdollista, ja kehittää energiatehokkuutta edelleen. Päästöttömyyden saavuttaminen vaatii kuitenkin joka tapauksessa todella radikaalia sähköistymiskehitystä. Sähköntarve tulee moninkertaistumaan, ja olisi hölmöä olla tuottamatta sitä Suomessa itse", sanoo Laaksonen.

Radikaaliksi Laaksonen kuvailee myös muutosta koko energiajärjestelmässä.

"Koko tulevaisuuden energiajärjestelmästä tulee monimutkaisempi, kun eri teollisuudenalat ja hyödykkeet linkittyvät aiempaa vahvemmin toisiinsa. Niin liiketoimintamallit kuin ansaintalogiikatkin menevät pitkälti uusiksi, ja lisäksi alueelliset erot regulaatiossa, eli laeissa ja muussa sääntelyssä, vaikuttavat kokonaisuuteen nykyistä järjestelmää enemmän. Teknologian ja bisnesmallien lisäksi pureudumme LUTissa myös regulaation ymmärtämiseen."

Suora ja epäsuora sähköistäminen täydentävät toisiaan

Antti Kosonen painottaa, että kaikki prosessit mitkä voidaan sähköistää suoraan, kannattaa sähköistää.

"Niin kutsuttu vetyreitti, eli fossiilisia korvaavien päästöttömien hiilivetyjen valmistaminen on sitten vasta toissijainen ratkaisu niihin kohteisiin missä suora sähköistäminen ei ole mahdollista."

Tutkijaopettaja Antti Kosonen

Suorasta sähköistämisestä kenties helpoimmin ymmärrettävimmät esimerkit tulevat liikenteestä.

"Liikenteestä lähes kaikki osa-alueet ovat jo nykyisellä teknologialla sähköistettävissä kokonaan, ja vieläpä edullisesti fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. Hyötysuhde sähkömoottoreissa on usein erinomainen", sanoo Petteri Laaksonen.

Laaksonen jatkaa, että hankalimmat suoran sähköistämisen kohteet liikennesektorilla löytyvät raskaasta meriliikenteestä sekä lentoliikenteestä.

Epäsuoran sähköistämisreitin liikenteeseen tarjoavat niin kutsutut sähköpolttoaineet, joiden valmistusta on LUTissa pilotoitu jo vuonna 2017.

Polttoainetuotanto, kemianteollisuus ja lämmitys sähköistyvät

"Vedystä ja hiilidioksidista voidaan valmistaa power-to-x-teknologioiden avulla hiilineutraaleja polttoaineita, esimerkiksi synteettistä metanolia ja siitä jatkojalostettua lentokerosiinia. Valmistuksessa voidaan hyödyntää teollisissa prosesseissa syntyvää ylijäämävetyä, tai valmistaa se vedestä elektrolyysillä. Prosessi vaatii paljon sähköenergiaa, mutta kun sähkö on tuotettu uusiutuvalla energialla, on valmistus täysin päästötöntä", sanoo Laaksonen.

Synteettisten polttoaineiden suomalaisen pilotlaitoksen toteutettavuutta Joutsenoon on selvitetty LUTin ja yrityskumppaneiden yhteistyöllä.

Tutkimukseen osallistuneet tutkijat ja yritysten edustajat näkevät laitoksen toteuttamiselle hyvät edellytykset. LUTin energiajärjestelmien yksikön dekaani Olli Pyrhönen kertoo, että synteettinen metanoli nähdään mahdollisuutena Suomen liikenteen ja koko teollisen tuotannon dekarbonisointiin eli vapautumiseen fossiilisien energialähteiden käytöstä.

Mikään ei estä dekarbonisoimasta koko teollista sektoria.
Olli Pyrhönen, dekaani

"Metanolin energiasisältö on lähtöisin vedystä, jota voisi kuvailla moderniksi, päästöttömäksi raakaöljyksi. Se taipuu korvaamaan monia fossiilisia raaka-aineita. Mikään ei estä dekarbonisoimasta liikenteen lisäksi koko teollista sektoria, sillä tekniset edellytykset ovat olemassa", sanoo tutkimuksen johtajana toiminut Pyrhönen.

Vedyn teollisista käyttökohteista suurimman huomion Suomessa on saanut SSAB:n terästehtaan suunnitelma korvata teräksen pelkistyksessä tarvittava kivihiili vedyllä.

Myös kemianteollisuudessa nykyisin fossiilisista raaka-aineista jalostettavat tuotteet on mahdollista valmistaa synteettisestä metanolista.

"Volyymit kemianteollisuudessa, esimerkiksi lannoitetuotannossa ovat todella isoja. Joutsenon tutkimuksen myötä myös monet muut yritykset kuin liikennepolttoaineiden valmistajat saivat arvokasta tietoa metanolin mahdollisuuksista esimerkiksi raakaöljyn korvaajana", sanoo Pyrhönen.

LUTissa on tutkittu power-to-x sovelluksia ja sähköistämistä myös rakennusten lämmöntuotannossa.

"Lämmöntuotanto polttamisella on hyötysuhteeltaan sähköön verrattuna surkea. Rakennusten lämmitys on jopa kymmenkertaisesti kannattavampaa tehdä sähköllä. Jos halpaa sähköä on riittävästi saatavilla, uskon että kiinteistöjen lämmittäminen ja jäähdyttäminen sähköistyvät todella nopeasti", sanoo Laaksonen.

Sininen vai vihreä vety? Raaka-aine, polttoaine vai energiavarasto?

Vetyä valmistetaan tällä hetkellä vielä eniten fossiilisesta maakaasusta reformoimalla, jolloin valmistus synnyttää merkittävästi hiilidioksipäästöjä. Vedyn yhteydessä puhutaan kuitenkin päästöttömyydestä ja mainitaan määreenä sininen tai vihreä vety. Mihin väreillä tässä yhteydessä viitataan?

"Sinisestä vedystä puhutaan silloin, kun fossiilisesta lähteestä tuotetaan vetyä, mutta syntyvä hiilidioksidi otetaan talteen, eikä päästetä ilmakehään. Vihreän vedyn tuotanto puolestaan perustuu uusiutuvalla sähköllä toteutettavaan veden elektrolyysiprosessiin, jolloin valmistuksesta ei synny lainkaan päästöjä", selventää Antti Kosonen.

Toinen maallikkoa mahdollisesti hämmentävä seikka on se, että vetyyn viitataan raaka-aineena, polttoaineena ja energiavarastona.

"Vety on oikeastaan näitä kaikkia. Power-to-x -teknologiaan perustuvissa prosesseissa vety on raaka-aine esimerkiksi synteettisten polttoaineiden tuotantoon. Polttokennossa esimerkiksi vetyautossa hapen kanssa yhdistetty vety puolestaan tuottaa energiaa auton liikuttamiseen", taustoittaa Kosonen.

Vety toimii myös energian kausivarastona. Siinä missä akut toimivat päivittäisenä varastona, on kausittain vaihtelevaa energiantuotantoa, esimerkiksi tuuli- ja aurinkosähköä, järkevämpää varastoida elektrolyysilaitteiston avulla vetyyn ja käyttää silloin kun tuotantoa ei ole. "Tämä on usein paljon järkevämpää kuin mitoittaa akut huipputuotannon mukaan."

Edellä kuvattu vaatii toki energiatehokasta suunnittelua ja varustelua, jolloin esimerkiksi aurinkopaneelien määrä, akusto, elektrolyysilaitteisto ja polttokennosto optimoidaan suhteessa toisiinsa. Todisteena onnistuneesta suunnittelusta toimii Kososen oma Imatralla sijaitseva koti, josta on myös julkaistu tieteellinen artikkeli.

"Vety on kuitenkin harvana aineena hankala varastoitava, sillä se vie valtavasti tilavuutta. Tämän vuoksi vedystä edelleen valmistettavat hiilivetyketjut ovat houkuttelevampi vedyn varastoinnin tapa", sanoo Kosonen.

Voisiko Suomi olla energiaomavarainen polttoaineen viejä?

Saksaa pidetään vetykehityksen kärkimaana, mutta Suomea arvioidaan myös "kokoaan isommaksi" tekijäksi vetytalouden edistäjänä. Erillistä vetystrategiaa Suomella ei ole, mutta vuoden 2020 lopussa valmistuneessa vetytiekartassa Suomen mahdollisuuksiksi mainitaan erityisesti synteettisten polttoaineiden tuotanto, vedyn kustannustehokas ja vähähiilinen tuotanto, vähähiilisen teräksen tuotanto sekä teollisuutemme logistiikkakustannusten alentaminen.

LUTin asiantuntijoiden puheissa kuuluu LUT-yhteisölle ominainen rohkeus ja isojen mahdollisuuksien näkeminen.

"Näkisin, että Oy Suomi Ab voisi olla energiaomavarainen yhteisö. Tällä hetkellä Suomi ostaa noin miljoonalla eurolla tunnissa ja 8 miljardilla vuodessa energiaa ulkomailta, mutta tämän ei jatkossa tarvitse olla näin", lataa Antti Kosonen.

Kosonen toivoisi, että Suomessa tehtäisiin pikaisesti laskelmat koko kansantalouden energiaomavaraisuudesta.

"Emme elä enää siinä maailmassa, jossa pitäisi ostaa ulkomailta fossiilista energiaa, vaan voisimme tuottaa tarvitsemamme energian itse. Samalla voisimme luoda työpaikkoja ja vientikelpoista osaamista. Keskeiset teknologiat ovat jo olemassa, samoin näkymä niiden maailmanlaajuisesta kysynnästä. Nyt tulisi keskittyä skaalaamiseen ja sen vaatimiin tutkimusinvestointeihin", sanoo Kosonen.

LUT tukee tutkimuksellaan erityisesti juuri power-to-x-teknologian eri osa-alueiden kustannusten alentamista ja liiketoimintamallien rakentamista, jotta yritykset uskaltaisivat tarttua uuden teknologian tarjoamiin mahdollisuuksiin.
Kosonen itse on projektipäällikkönä P2XEnable-tutkimuskokonaisuudessa ja tekee tutkimusta muun muassa sähkön laadun vaikutuksesta elektrolyysiprosessin tehokkuuteen.

"Näkisin, että Suomen kotimarkkinoilla olisi mahdollista testata teknisten ratkaisujen, liiketoiminnan ja jakelun muodostamia kokonaisuuksia, ja tästä syntyisi testattuja konsepteja vientiin. Suomen panostukset biopohjaisiin ratkaisuihin ovat olleet historiassa ymmärrettäviä, mutta maailman mittakaavassa bioreitin ratkaisuille ei ole samanlaista kysyntää kuin power-to-x-konsepteille", sanoo Kosonen.

Petteri Laaksonen maalailee Kososen tapaan Suomelle rohkeaa energiatulevaisuutta.

"Suomesta voisi tulla polttoaineen viejä, mutta tätä ei oikein vielä uskota", sanoo Laaksonen.

Laaksonen on mukana paitsi tutkimusjohtajana useissa vetytalouden tutkimushankkeissa, myös LUTin edustajana kansallisissa työryhmissä. Suomen valtteja ovat Laaksosen mukaan teknologisen osaamisen lisäksi tuuliolosuhteet ja maankäytön väljyys.

"Pelkästään lentokerosiinin kysyntä on vuodessa 300 miljoonaa tonnia, ja on aivan lähivuosien asia kuka tuo sille päästöttömän vaihtoehdon markkinoille. Suomessa voitaisiin tuottaa liikennepolttoaineita kaksinkertaisesti omaan tarpeeseen verrattuna, ja viedä loput", uskoo Laaksonen.

LUTilla on loppusuoralla selvitys Ahvenanmaan valtavan tuulivoimapotentiaalin hyödyntämiseksi. Ahvenanmaan esimerkki kuvastaa Laaksosen mukaan monia Pohjoismaiden erityispiirteitä.

"Puhtaan energian tuotannolle on hyvät edellytykset ilmaston puolesta ja myös pinta-alaa on reilusti käytettävissä. Selvitykset viittaavat siihen suuntaan, että sähkö kannattaa jatkojalostaa mahdollisimman pitkälle tuotannon välittömässä läheisyydessä. Eli tuottaa esimerkiksi juuri sähköpolttoaineita käyttövalmiiksi, ja viedä lopputuotteena maailmalle", päättää Laaksonen tuoreeseen esimerkkiin.

Vety & vetytalous – faktoja ja taustaa

  • Vety on maailman yleisin alkuaine, ja perinteinen energiateollisuus on perustunut hiilivetyihin.
  • Vety on polttoaine, raaka-aine ja energiavarasto.
  • Vedyllä voidaan sähköistämisen kautta korvata fossiilisten raaka-aineiden käyttöä.
  • Sähköistämisellä tarkoitetaan muutosta, jossa energian, lämmön ja materiaalien tuotannossa siirrytään käyttämään energianlähteenä fossiilisten polttoaineiden sijaan sähköä.
  • Suoran sähköistämisen ratkaisuja ovat esimerkiksi sähköajoneuvot, joissa voimanlähteenä on polttomoottorin sijaan sähkömoottori.
  • Epäsuora sähköistäminen tarkoittaa esimerkiksi sähköpolttoaineiden valmistamista eli fossiilisia korvaavien päästöttömien hiilivetyjen valmistamista. Vedyn lisäksi raaka-aineeksi tarvitaan hiilidioksidia, jota voidaan ottaa talteen ilmakehästä tai teollisesta päästölähteestä.
  • Vihreän vedyn tuotanto perustuu uusiutuvalla sähköllä toteutettavaan veden elektrolyysiprosessiin, jolloin valmistuksesta ei synny päästöjä.
  • Sinisen vedyn tuotannossa fossiilisesta lähteestä tuotetaan vetyä, mutta syntyvä hiilidioksidi otetaan talteen, eikä päästetä ilmakehään.
  • Puhtaan sähkön saatavuus ja edullisuus on vetytalouden ydin.

Lisätietoja:

Petteri Laaksonen, tutkimusjohtaja, LUT School of Energy Systems, puh. 040 508 8498, petteri.laaksonen@lut.fi
Antti Kosonen, tutkijaopettaja, LUT School of Energy Systems, puh. 040 833 7749, antti.kosonen@lut.fi
Olli Pyrhönen, dekaani, LUT School of Energy Systems, puh. 040 516 6411, olli.pyrhonen@lut.fi

Lue lisää: