Teknologia ja innovaatiot

Vetypolttokennot: vastaamme kysymyksiin

2020-06-15 | 12 min

Lars Mårtensson

Vedystä puhutaan paljon ja siitä yritetään muokata dieselin korvaajaa tulevaisuutta varten. Miten vetytekniikka toimii? Mitkä ovat vedyn hyvät ja huonot puolet? Miten vety- ja sähkökuorma-autot pärjäävät vertailussa? Seuraavassa on vastauksia joihinkin yleisimpiin vetypolttokennoja koskeviin kysymyksiin.

Mitä vety on ja miksi siitä puhutaan niin paljon nykyään?

Vety on kemiallinen alkuaine, joka on osa monia luonnossa esiintyviä yhdisteitä, esimerkiksi vettä. Ajoneuvoissa käytetty vety (H2) on hajuton kaasu, ja sitä tuotetaan tavallisesti erottamalla vety vedestä tai maakaasusta.

Keskusteluun vedyn käytöstä polttoaineena saattaa liittyä värittyneitä ilmaisuja teknologian ylivoimaisuudesta, vaikka vedyn hyödyntämisessä tällä tavalla ei sinänsä ole mitään uutta. Itse asiassa vetyä on käytetty jo pitkään avaruusalusten voimanlähteenä. Vetyyn kohdistuu kuitenkin uutta kiinnostusta ja suuria odotuksia, sillä sen avulla voidaan vähentää liikenteen hiilidioksidipäästöjä. Uusiutuvien energialähteiden kustannukset pienenevät jatkuvasti, ja hallitukset kaikkialla maailmassa kehittävät yhä yksityiskohtaisempia strategioita vetyteknologian kehittämiseksi edelleen.

Miten polttoaineena käytettävää vetyä tuotetaan?

Vedyn valmistus katalyytin avulla SMR-menetelmällä (steam methane reforming) on yleisin vedyn valmistusmenetelmä teollisessa mittakaavassa. Tässä prosessissa maakaasun sisältämä metaani reagoi höyryn kanssa, jolloin muodostuu vetyä ja hiilimonoksidia. Hiilimonoksidi käy läpi muita reaktioita, jolloin syntyy lisää vetyä. Vetyä voidaan valmistaa myös vedestä elektrolyysin avulla, jolloin vesi jaetaan vedyksi ja hapeksi sähköä käyttämällä.

On olemassa myös muita vedyn lähteitä, kuten biomassan kaasutus – jossa kasvimateriaalia kuumennetaan ja pakotetaan reaktioon, joka tuottaa vetyä ja hiilidioksidia – sekä käyminen, jossa tietyntyyppiset bakteerit tuottavat vetyä osana aineenvaihduntaa. Vetyä voidaan tuottaa myös erottamalla sitä vedestä veteen upotetuissa aurinkokennoissa.

Miten vetypolttoainetta jaellaan?

Vetyä on periaatteessa mahdollista jaella maakaasuputkistojen kautta, mutta suurin osa nykyään polttoaineena käytettävästä vedystä tuotetaan suurissa tehtaissa ja kuljetetaan jakelupaikalle erityisesti tarkoitukseen suunnitelluilla nestemäisen vedyn säiliövaunuilla. Vetyä voidaan valmistaa myös tankkausasemilla SMR-menetelmän tai elektrolyysin avulla. Tämä tapa on kuitenkin vähemmän tehokas ja kallis.

Miten vetypolttokenno toimii?

Polttokennoa käyttävä ajoneuvo toimii polttomoottorin tavoin, mutta järjestelmä ei polta paineistetusta säiliöstä saamaansa vetyä, vaan sulattaa sen hapella tuottaakseen sähköä sähkömoottorin voimanlähteeksi. Prosessi tapahtuu PEM-polttokennossa (polymeerielektrolyyttikalvo), joka koostuu ohuista toisistaan kalvoilla eristetyistä levyistä.

Miten vetyä käytetään kuorma-autojen polttoaineena?

Vetyä voidaan käyttää polttomoottorin polttoaineena samalla tavalla kuin paineistettua maakaasua käyttävässä CNG-moottorissa. Toinen vaihtoehto on säilöä vety polttokennoon, jossa se tuottaa sähköä ajoneuvon virtalähteeksi. Vetyä voidaan käyttää myös lisäpolttokennona laajentamaan akkukäyttöisessä sähköajoneuvon kantamaa.

Mitä etua vetypolttoaineen käytöllä on?

Kun vetyä käytetään polttokennosta, ainoat oheistuotteet ovat vesi ja lämpö – ei saasteita tai kasvihuonekaasuja. Vedyn tuotantotavasta riippuen se voi olla erittäin puhdas vaihtoehto dieselille. Vety on myös tehokas polttoaine: 80 kg vetyä tuottaa kuorma-autolle tarpeeksi energiaa 800 km:n matkaan! Vetykäyttöisten ajoneuvojen tankkaaminen on myös helppoa ja nopeaa.

Vetypolttokennoja käyttävien ajoneuvojen käyttövoima tuotetaan sähköllä. Tämä tarkoittaa, että ajokokemus on samankaltainen kuin sähköautossa: ajaminen on hiljaista, sillä moottorista ei kuulu melua, ajoneuvo lähtee nopeasti liikkeelle ja sen jarrutusenergia voidaan ottaa talteen.

Mitä haittapuolia vetypolttoaineen käytöllä on?

Vety on erittäin reaktiivista, joten sillä on taipumus syövyttää muita materiaaleja. Lisäksi se on erittäin tulenarkaa. Nämä tekijät vaikeuttavat vedyn kuljetusta ja tekevät siitä kallista. Toinen suuri ongelma on vetytankkausverkoston puute ja sen rakentamisen korkeat kustannukset. Nykyään vetytankkausasemia on vain 337 eri puolilla maailmaa, suurin osa niistä Saksassa ja Japanissa. Vaikka on osoitettu, että olemassa olevaa CNG-infrastruktuuria voidaan käyttää vedyn kuljettamiseen ja varastointiin, tämä ei ole hyvä ratkaisu polttokennoille, joiden on käytettävä erittäin puhdasta vetyä.

Vetypolttokennojen valmistus on kallista, koska tuotanto on vielä pienimuotoista ja siihen liittyy manuaalisia prosesseja. Toinen tärkeä kustannustekijä on vetysäiliö, joka on suuri ja vie paljon tilaa. Lopuksi itse vetypolttoaine on reilusti kalliimpaa kuin diesel.

Miten ympäristöystävällistä vety on?

Kun vety reagoi hapen kanssa polttokennossa, ainoa tuote on vesihöyry. Siksi polttokennoja käyttävä kuorma-auto ei tuota lainkaan haitallisia pakokaasupäästöjä. Ilmastovaikutuksia arvioitaessa on otettava huomioon myös vedyn tuotantoprosessi, joka on erittäin paljon energiaa kuluttava. Suurin osa nykyään valmistettavasta vedystä tuotetaan kivihiilellä tai maakaasulla. Kuitenkin jos vedyn tuotantoon käytetty sähkö tulee uusiutuvista energialähteistä, vetypolttoaineella voi olla lähes neutraali hiilijalanjälki (tätä sanotaan ”vihreäksi vedyksi”). Toinen tapa pienentää vedyn jalanjälkeä on hiilidioksidin talteenotto ja varastointi. Prosessissa SMR-menetelmän aikana syntyneet hiilidioksidipäästöt otetaan talteen, kuljetetaan ja eristetään pysyvästi syvälle maan alle.

Mitä eroja ja yhtäläisyyksiä vety- ja sähkökuorma-autoilla on?

Jotta dieselin korvaava vaihtoehtoinen polttoaine voisi menestyä, sen kustannusten, polttoaineen tarjoaman ajoetäisyyden ja tankkausverkoston laajuuden on oltava kilpailukykyisiä. Näin vetypolttokennot vertautuvat sähköajoneuvoihin:

Kustannukset: Sekä vetypolttokennot että litiumioniakut ovat molemmat kalliimpia kuin dieselpolttoaine. Litiumioniakkujen hinta laskee kuitenkin nopeasti. Bloomberg ennustaa, että hetki jolloin sähköajoneuvojen hankintahinnat halpenevat polttomoottorikäyttöisiä halvemmiksi, voi tulla jo vuonna 2022. Koska vetykäyttöisten ajoneuvojen kehitys ja käyttöönotto on ollut rajallista, vastaavia hyötyjä on vaikea mitata.

Toimintasäde: Vetypolttokennoissa on suurempi energiatiheys kuin akuissa, joten niiden avulla voidaan pidentää ajoneuvon kantamaa. Energian ja painon suhde vetysäiliöllä, jonka paine on 700 baaria, on kymmenen kertaa suurempi kuin akun. Vetypolttokennot ovat myös kevyempiä kuin akut, mikä tarkoittaa, että vetykäyttöiset ajoneuvot voidaan kuormata raskaammin.

Tuotantoympäristö: Litiumioniakkujen kehitys ja tuotanto on edennyt paljon pidemmälle kuin vetypolttokennojen. Sähkökuorma-autot ovat osoittautuneet liiketaloudellisesti kannattaviksi erityisesti kaupunkiliikenteessä. Sähköajoneuvojen latausverkosto on kasvanut huikeasti. Esimerkiksi Yhdysvalloissa oli 20 000 sähkölatausasemaa ja alle 45 vetytankkausasemaa vuonna 2018.

Korvaako vety diesel- tai sähkökuorma-autot?

Vetytekniikkaan kohdistuu paljon mielenkiintoa. Useimmat suuret henkilö- ja kuorma-autojen valmistajat, Volvo Trucks mukaan lukien, tekevät tutkimusta ja työskentelevät ratkaisujen parissa sekä muodostavat kumppanuuksia tekniikoiden kehittämiseen edelleen. Autoteollisuus ei edes ole ainoa toimiala, joka on heräämässä vedyn potentiaaliin.

Ilmastonmuutoksen aiheuttama huoli ei ole ainakaan vähenemään päin, ja koronapandemian talousvaikutuksia lievittävän ”vihreän toipumisen” vaatimusten myötä julkiset tahotkin ovat osoittaneet aiempaa suurempaa kiinnostusta (ja investointeja!) vetyä kohtaan. Viime toukokuussa EU julkisti 750 miljardin euron investointiohjelman, jolla on tarkoitus rahoittaa vihreitä liikennemuotoja ja niihin liittyvää teollisuutta. Suunnitelma, jonka perustana on Euroopan vihreän kehityksen ohjelma (European Green Deal), korostaa vedyn merkitystä teknologisissa investointiohjelmissa ja rajat ylittävää vedyn vapaata kauppaa. Aiemmin tänä vuonna julkistettiin myös European Clean Hydrogen Alliance, joka kokoaa sijoittajat yhteen valtiollisten, institutionaalisten ja teollisten kumppaneiden kanssa.

Kehitys näyttää hyvältä vedyn tulevaisuuden kannalta logistiikassa, mutta edelleen on voitettava monia esteitä, jotta vedystä voi tulla merkittävästi ilmastoon tai talouteen vaikuttava tekijä. Yksi alue, jolla vety on kuitenkin erityisen lupaava, on raskas ja vaativa kaukokuljetusliikenne, jossa vetyä voidaan käyttää sähkövoimaa täydentävänä polttoaineena. Tämä tarkoittaa, että täyssähköisiä kuorma-autoja, jotka soveltuvat paremmin jakeluliikenteeseen ja lyhyille matkoille, voidaan käyttää perustana ja molemmat tekniikat voivat toimia yhdessä kestävän kehityksen liikennejärjestelmää rakennettaessa.

Kysymykseen siitä, voiko vety korvata dieselpolttoaineen, voidaan vastata arviolla, että vetyajoneuvot todennäköisesti korvaavat osan dieselajoneuvoista osana pyrkimystä kestävämmän kehityksen mukaisiin liikenneratkaisuihin. Näin tapahtuu etenkin, jos muutokseen on selkeät liiketoiminnalliset perusteet ja kilpailuetua tuovia tekijöitä.

Uusiutuvat polttoaineet: hyvien ja huonojen puolten arviointi

Vetypolttokennot, sähköautot, biopolttoaineet, bio-LNG… dieselille on jo useita eri vaihtoehtoja, ja lisää on tulossa. Yksittäisen kuljetusyrityksen voi olla vaikeaa arvioida ja ymmärtää uusiutuvien polttoaineiden merkitystä. Olen laatinut avuksi oppaan, joka sisältää yleiskatsauksen kunkin tekniikan toimintaan sekä niiden etuihin ja haittoihin.