Vety - tulevaisuuden energialähde

Mitä vety on?

Vety on puhdas energialähde, joka tuottaa polttokennoissa käytettynä vain vesihöyryä. Sitä voidaan käyttää uusiutuvista lähteistä saatavan energian varastointiin, tehden siitä tärkeän osan tulevaisuuden hiilidioksidipäästötöntä energiajärjestelmää. Maailmassa, jossa ilmastonmuutos edellyttää nopeita ja kattavia toimia, vedyn rooli fossiilisten polttoaineiden käytön vähentämisessä voi olla keskeinen. 

Mistä vety tulee?

Vetyä voidaan tuottaa useilla eri tavoilla, ja jokaisella menetelmällä on erilaiset ympäristö- ja energiavaikutukset. Näiden erojen tunnistamisen helpottamiseksi on otettu käyttöön vedyn värikoodaus. Seuraavassa selitetään vedyn kuvaamiseen käytetyt eri värit tuotantomenetelmästä riippuen:

Vihreä vety: Uusiutuvat energialähteet (aurinko- ja tuulienergia).
Harmaa vety: Fossiiliset energialähteet (maakaasu, ilman CCS:ää) 
Ruskea/musta vety: Fossiiliset energialähteet (kivihiili, ruskohiili)
Vaaleanpunainen vety: Fossiilittomat energialähteet (ydinvoima)
Turkoosi vety: Fossiilivapaat lähteet (metaanin pyrolyysi uusiutuvalla energialla tai ydinvoimalla)
Sininen vety: Teollisuusprosessit (fossiiliset polttoaineet CCS:llä)

Värikoodien avulla on helpompi ymmärtää ja vertailla eri vedyntuotantomenetelmiä ja niiden ympäristövaikutuksia. Vihreää ja vaaleanpunaista vetyä pidetään kestävimpinä vaihtoehtoina, kun taas harmaalla ja ruskealla/mustalla vedyllä on suuremmat kielteiset ympäristövaikutukset. Sininen ja turkoosi vety ovat välivaihtoehtoja, jotka voivat helpottaa siirtymistä kestävämpiin energiajärjestelmiin.

Miten vetyä tuotetaan?

Vetyä voidaan valmistaa useilla eri menetelmillä käytettävissä olevista raaka-aineista ja energialähteistä riippuen. Seuraavassa on joitakin yleisimpiä menetelmiä vedyn tuottamiseksi:

Veden elektrolyysi: Vesi jaetaan vedyksi ja hapeksi sähkövirran avulla. Jos käytetään uusiutuvaa energiaa, vetyä kutsutaan "vihreäksi vedyksi".
Edut: Hiilivapaa, jos käytetään uusiutuvaa energiaa.
Miinukset: Suhteellisen kallis menetelmä.

Reformointi: Yleisin teollinen menetelmä, jossa maakaasu (metaani) reagoi vesihöyryn kanssa vetyä ja hiilidioksidia tuottaen.
Edut: Kustannustehokas ja hyvin kehittynyt. 
Miinukset: Tuottaa hiilidioksidia.

Kaasutus: Biomassaa kuumennetaan hapettomassa ympäristössä vedyn tuottamiseksi.
Edut: Käyttää uusiutuvaa raaka-ainetta ja voi olla hiilineutraali.
Miinukset: Teknologia on monimutkainen ja vaatii suuria määriä biomassaa.

Nämä menetelmät osoittavat vedyn monipuolisuuden ja potentiaalin erilaisissa energiajärjestelmissä.

Miten vetyä varastoidaan?

Vetyä voidaan varastoida eri tavoin sovelluksesta ja tarpeista riippuen. Seuraavassa on joitakin yleisimpiä menetelmiä:

Kaasupullot: Pieniä määriä vetyä voidaan varastoida paineistetuissa säiliöissä eli  kaasupulloissa. Kaasupullot ovat käteviä vedyn kuljetukseen ja pienimuotoiseen käyttöön.

Kylmäsäiliöt: Suurempia määriä vetyä voidaan varastoida nestemäisessä muodossa kylmäsäiliöihin. Jotta vety pysyisi nestemäisenä, se on jäähdytettävä yleensä alle sen kiehumispisteen (-253 °C). Jäähdytyssäiliöt ovat yleisiä vedyn pitkäaikaiseen varastointiin ja teollisessa käytössä.

Metallihydridit: Vetyä voidaan varastoida myös erityisiin materiaaleihin, joita kutsutaan metallihydrideiksi. Nämä materiaalit voivat absorboida ja luovuttaa vetyä eri paineissa ja lämpötiloissa. Metallihydridit tarjoavat turvallisen ja tehokkaan varastointimenetelmän erityisesti sovelluksissa, joissa varastoidun vedyn määrä on tärkeä.

Miten vetyä kuljetetaan?

Kuljetusmenetelmän valinta riippuu muun muassa etäisyydestä, määrästä, infrastruktuurin saatavuudesta sekä turvallisuutta ja tehokkuutta koskevista erityisvaatimuksista.

Putkistot: Maakaasun tavoin vetyä voidaan kuljettaa erityisten putkistojen kautta, jotka on suunniteltu kaasun kuljettamiseen pitkiä matkoja. Tätä menetelmää käytetään yleensä suurten vetymäärien kuljettamiseen tuotantolaitosten ja käyttöpaikkojen välillä.

Säiliöautot: Vetyä voidaan kuljettaa säiliöautoilla lyhyemmillä etäisyyksillä tai paikkoihin, jotka eivät ole yhteydessä kaasuverkkoon. Nämä ajoneuvot on suunniteltu kuljettamaan vetyä sisältäviä paineistettuja tai jäähdytettyjä säiliöitä määränpäähänsä.

Energian muuntaminen - Vedystä sähköksi

Energian muuntaminen vedystä sähköksi voidaan tehdä polttokennoilla, polttomoottoreilla ja kaasuturbiineilla.

Polttokennot: Polttokennoissa vety ja happi reagoivat sähkökemiallisesti tuottaen sähköä ja vettä. Vety jakautuu protoneiksi ja elektroneiksi; elektronit tuottavat sähköä, kun taas protonit ja happi muodostavat vettä.

Polttomoottorit: Polttomoottorit sekoittavat ja sytyttävät vetyä ja happea palotilassa. Syntyvä räjähdys pyörittää moottoria tai turbiinia, joka tuottaa mekaanista energiaa, ja sivutuotteena syntyy vettä.

Kaasuturbiinit: Kaasuturbiinit sekoittavat vetyä ilmaan ja sytyttävät sen palotilassa. Kuuma kaasu laajenee turbiinin läpi, joka pyörittää generaattoria sähköä tuottaakseen, ja sivutuotteena syntyy vettä.

Miten vetyä käytetään?

Teollisuus: Vetyä käytetään teollisuusprosesseissa jalostuksessa, kemianteollisuudessa, sekä se korvaa hiiltä teräksen tuotannossa, mikä vähentää hiilidioksidipäästöjä.

Liikenne: Vetyä käytetään polttokennoajoneuvojen, kuten autojen, linja-autojen ja junien polttoaineena, ja se tarjoaa pidemmän toimintasäteen ja nopeamman tankkauksen kuin akkukäyttöiset sähköajoneuvot. Sitä tutkitaan myös vaihtoehtona fossiilisille polttoaineille lentokoneissa ja laivoissa.

Rakennukset: Rakennuksissa käytetään vetyä energian varastointiin ja jakeluun, mikä mahdollistaa uusiutuvan energian ylijäämän käytön rakennusten lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen.

Energia: Energia-alalla vetyä käytetään varastoimaan ylimääräistä uusiutuvaa energiaa ja tuottamaan sähköä tarvittaessa. Sitä käytetään myös puhtaampien polttoaineiden tuottamiseen liikennesektorille ja teollisuusprosessien päästöjen vähentämiseen.

Materiaalien yhteensopivuus

Vedyn käsittelykomponenteissa käytettävien materiaalien on oltava yhteensopivia vedyn kemiallisten ominaisuuksien kanssa. Tämä tarkoittaa, että niiden on kestettävä korroosiota ja vetyhaurastumista, jotka voivat aiheuttaa halkeilua ja materiaalin rikkoutumista ajan myötä. Yleisiä materiaaleja ovat ruostumaton teräs (316L), alumiiniseokset ja eräät erikoispolymeerit. Nämä materiaalit takaavat pitkäaikaisen kestävyyden ja luotettavuuden ympäristöissä, joissa käytetään vetyä.

Tiiviys ja vuototurvallisuus

Yksi vedynhallinnan kriittisimmistä näkökohdista on vuotojen estäminen. Vety on erittäin kevyt ja haihtuva kaasu, joten on välttämätöntä, että komponentit suunnitellaan ja valmistetaan huolellisesti siten, että ne ovat täysin tiiviitä. Tarkat venttiilit, tiivisteet ja kytkimet ovat välttämättömiä sen varmistamiseksi, että vety ei pääse vuotamaan, mikä voi johtaa vaaratilanteisiin, kuten räjähdyksiin.

Lämpötilan kestävyys

Vetyä käsittelevien komponenttien on kestettävä sekä erittäin alhaisia että korkeita lämpötiloja. Matalissa lämpötiloissa, lähellä vedyn kiehumispistettä (-252,87 °C), on käytettävä ruostumattoman teräksen (316L) ja alumiiniseosten kaltaisia materiaaleja haurastumisen estämiseksi. Tehokas eristys on myös tarpeen, jotta vety pysyy nestemäisessä muodossa. Korkeissa lämpötiloissa, kuten teollisuusprosesseissa ja polttokennoissa, tarvitaan materiaaleja, kuten nikkelipohjaisia superseoksia ja keraamisia seoksia, jotta varmistetaan, että komponentit eivät epämuodostu tai menetä lujuuttaan.

Korkea puristuslujuus

Koska vetyä varastoidaan ja kuljetetaan usein korkeassa paineessa (jopa 1000 bar), komponentit, kuten säiliöt, putket ja venttiilit, on suunniteltava siten, että ne kestävät nämä olosuhteet ilman muodonmuutoksia tai halkeamia. Materiaalien on oltava erittäin lujia ja haurastumattomia, jotta ne kestävät vetysovellusten aiheuttamat rasitukset.

Korroosionkestävyys

Pitkäaikaisten vaurioiden estämiseksi ja kestävyyden varmistamiseksi komponenttien on oltava korroosionkestäviä. Vetykaasu voi aiheuttaa vetyhaurastumista ja muita korroosioon liittyviä ongelmia, joten materiaalit on valittava siten, että ne kestävät näitä vaikutuksia. Tähän kuuluu ruostumattoman teräksen (316L) ja muiden korroosionkestävien materiaalien käyttö.

Turvallisuusstandardit

Turvallisuus on ratkaisevan tärkeää vetyä käsiteltäessä, sillä vety on erittäin räjähdysherkkää, kun se sekoittuu ilman tai hapen kanssa tietyllä pitoisuusalueella ja syttyy. Räjähdys edellyttää syttymislähdettä, kuten kipinää, avoliekkiä tai lämpöä, joka saavuttaa vedyn syttymislämpötilan 500-585 °C. Lisäksi jos vety on suljettu esimerkiksi suljettuun huoneeseen tai säiliöön, räjähdys voi olla vieläkin voimakkaampi, koska paine kasvaa, kun kaasu laajenee nopeasti. Tämän estämiseksi meillä on komponentteja, jotka on suunniteltu minimoimaan syttymisriski ja siten lisäämään turvallisuutta vedyn käsittelyssä.