Näin maailman pienin molekyyli mullistaa energiamarkkinat ja auttaa ilmastokriisin ratkaisemisessa

Vuosi 2023 alkoi Inkoossa iloisissa merkeissä: norjalaisyhtiö Blastr Green Steel paljasti suunnittelevansa kaupunkiin 4 miljardin euron tehdasinvestointia.

Jos kaikki menee hyvin, fossiilitonta terästä valmistava tehdas ja siihen integroitu vetylaitos pyörivät jo tällä vuosikymmenellä ja tehdas työllistää 1 200 ihmistä. Kyseessä olisi yksi Suomen teollisuushistorian suurimpia investointeja.

Vetyyn liittyviä isoja hankkeita on käynnissä tai suunnitteilla ympäri Suomea esimerkiksi Raahessa, Harjavallassa, Porissa, Lahdessa ja Kokkolassa. EU:n vetystrategiassa investointien suuruus huitelee sadoissa miljardeissa.

Miksi vedystä intoillaan nyt kaikkialla?

Energiakriisin, tuulivoimabuumin ja ilmastokriisin takia, sanoo VTT:n energia- ja vetyjohtaja Antti Arasto.

”Hiilineutraaliustavoite tarkoittaa, ettei pelkkä päästöjen vähentäminen riitä vaan niistä pitää päästä kokonaan eroon. Vihreä vety ei siihen yksin pysty, mutta on muutoksessa tosi isossa roolissa.”

Harmaata, pinkkiä vai vihreää?

Vety on tunnettu energiankantajana jo kahden vuosisadan ajan.

Ilmaston kannalta vety onkin ihanteellinen polttoaine, sillä sen palaessa syntyy energian lisäksi vain vesihöyryä. Vedyn tie liikenteessä on kuitenkin ollut kivinen. Hindenburgin ilmalaivan tulipalo 1937 päätti zeppelinien aikakauden ja 1990-luvun vetyautokuume viileni äkkiä, kun massatuotantoa ja tankkausverkostoa ei tullutkaan.

Teollisuudessa vedylle on riittänyt ottajia.

Öljyteollisuus pilkkoo vedyllä raakaöljyä bensiiniksi ja kerosiiniksi. Kemianteollisuus tekee siitä lannoitteiden tärkeintä raaka-ainetta, ammoniakkia. Fossiilittoman teräksen valmistajat korvaisivat vedyllä koksin. Se on kivihiilestä valmistettua hiiltä, jota tarvitaan rautamalmin pelkistämisessä.

Vedystä ei ole pulaa, sillä se on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine. Vety ei kuitenkaan viihdy yksin vaan sitoutuneena muihin aineisiin: fossiilisiin polttoaineisiin, veteen ja kasvien biomassaan.

Siksi vetyä ei voi vain napata talteen vaan se pitää valmistaa.

Perinteisen vetyvalmistuksen ylivoimaisesti yleisin lähtöaine on maakaasu. Vuonna 2020 vetyä tuotettiin maailmassa noin 90 miljoonaa tonnia, mikä aiheutti yli 800 miljoonan tonnin hiilidioksidipäästöt. Se on yhtä paljon kuin Ison-Britannian ja Indonesian vuotuiset hiilidioksidipäästöt yhteensä.

Vedyn – joka on väritön ja hajuton kaasu – hiilijalanjälkeä kuvataan värikoodeilla. Kivihiilestä ja öljystä saatava vety on mustaa ja päästöiltään suurinta.  Maakaasuvedystä puhutaan harmaana. Jos sen tuotannossa syntyvä hiilidioksidi napataan talteen, vety on sinistä.

Vetyä voidaan valmistaa myös hajottamalla vettä vedyksi ja hapeksi sähkön avulla. Elektrolyysiksi kutsuttu menetelmä on yksinkertainen ja päästötön, mutta se vaatii paljon sähköä.

Jos sähkö tuotetaan ydinvoimalla, puhutaan päästöttömästä, vaaleanpunaisesta vedystä.

Vihreään vetyyn vaaditaan uusiutuvalla energialla eli tuulella, auringolla tai vesivoimalla tuotettua sähköä.

Sähköä tarvitaan paljon ja sen pitää olla halpaa, jotta vihreän vedyn tuotanto ja siitä riippuvainen teollisuus kannattaa. Yksin Inkoon terästehdas nielisi noin kuusi terawattituntia sähköä vuodessa, mikä on seitsemän prosenttia koko Suomen nykyisestä sähköntuotannosta.

Vihreä vety kulkeekin käsi kädessä tuulivoimapotentiaalin kasvattamisen kanssa, Antti Arasto korostaa.

Tuulisähkön hinta on romahtanut Suomessa 2000-luvulla, ja tällä hetkellä maatuulivoima on jo halvin tapa tuottaa sähköä. Nykyiset noin 1 400 tuulivoimalaa tuottavat noin kymmenesosan Suomessa käytetystä sähköstä. Osuuden ennustetaan nousevan yli puoleen 2050 mennessä.

Jo tämän vuosikymmenen lopulla tuulivoima voi tuulisena päivänä riittää yksin kattamaan koko maan sähkönkulutuksen.

Mitä tapahtuu tuulettomina päivinä? Tai silloin, kun tuulisähkön määrä ylittää kysynnän?

Vetymolekyyli on äärimmäisen pieni: siinä on vain kaksi yhden protonin ja yhden elektronin muodostamaa vetyatomia. Siksi vety karkaa herkästi pienimmästäkin reiästä. Kilossa vetyä on kolme kertaa enemmän energiaa kuin bensiinissä, mutta koska vety on maailman kevein aine, kilo vetyä vie – nesteytettynäkin – paljon bensiiniä enemmän tilaa.

Varastointia ja käyttöä voidaan helpottaa jalostamalla vedystä sähköpolttoaineita. Vedyn lisäksi niihin tarvitaan vain hiilidioksidia. Järkevintä on napata hiilidioksidi suoraan paljon päästöjä tuottavan tehtaan piipusta.

Yksinkertaisin sähköpolttoaine on metaani eli maakaasu, joka voisi korvata sellaisenaan fossiilisen maakaasun esimerkiksi raskaassa tieliikenteessä ja merenkulussa.

Sähköpolttoaineiden hinta on kalliimpi kuin öljyn ja maakaasun, sillä vetyprosesseissa hukataan paljon sähköä.

Hintavertailu on oikeastaan turhaa, Arasto korostaa.

”Ilmastotavoitteiden takia fossiiliset polttoaineet eivät ole tulevaisuudessa enää vaihtoehto.”

EU:n tavoite on, että jopa viidennes jäsenmaiden energiatarpeesta katettaisiin vihreällä tai vähähiilisellä vedyllä vuoteen 2050 mennessä. EU:n komissio myös linjasi jo ennen Ukrainan sotaa, että maanosan tulisi vähentää energiariippuvuutta ja tulevaisuuden vetykauppaa käytäisiin dollarien sijaan euroissa.

Suunnitelma edellyttää valtavan tuulivoimapotentiaalin lisäksi hurjaa määrää edullisempia ja tehokkaampia elektrolyysereitä – ja niiden materiaalihaasteiden ratkomista.

Elektrolyyserissä katalyytit vauhdittavat reaktiota eli auttavat sähköenergiaa muuttumaan vedyksi. Katalyyttimateriaalina käytetään yleensä jalometalleja, erityisesti platinaa. EU on jo listannut platinan ja monet muut nykyisin käytettävät katalyytit kriittisiksi raaka-aineiksi. Se tarkoittaa, että ne uhkaavat joko loppua maailmasta ja tulla ennen sitä tähtitieteellisen kalliiksi tai että niitä saadaan geopoliittisesti haastavista maista, joissa tuotanto ei ole turvattua.

Siksi Kallio ryhmineen kehittää menetelmiä, joilla arvokkaasta platinasta saataisiin mahdollisimman paljon tehoja.

”Platinan pinta-alan suhde sen tilavuuteen pitää olla mahdollisimman suuri eli katalyytti pitää tehdä niin, että kaikki platina on siinä pinnalla. Idea ei ole uusi, mutta sen toteuttaminen on haastavaa, koska pinta-alan suuretessa atomit pyrkivät ajan kuluessa kasaantumaan. Olemme ratkoneet ongelmaa lisäämällä platinan kantajana toimivan pinnan sidosenergiaa ja onnistuneet näin tekemään platinarakenteista vakaita.”

Sekä katalyytin valmistus että kierrätys kuluttavat paljon energiaa, ja prosessissa hukataan aina osa materiaalista. Siksi ryhmä etsii myös keinoja pidentää katalyyttien elinikää.

Platinapihien katalyyttien lisäksi Kallion tutkimusryhmä on räätälöinyt täysin platinavapaita katalyyttejä edullisemmista ja helpommin saatavilla olevista materiaaleista kuten raudasta ja hiilestä. Uudet katalyytit ovat kohtuullisen pitkäikäisiä mutta kuluttavat paljon energiaa eli heikentävät prosessin hyötysuhdetta.

”Kun ajatellaan, että energiaa on saatavilla hetkittäin lähes rajattomasti, ne voivat kuitenkin olla platinakatalyyttejä parempi vaihtoehto”, Kallio sanoo.

Pitkä ja tärkeä ketju

Raahen terästehdas on Suomen suurin hiilidioksidipäästöjen aiheuttaja.

Fossiilittoman teräksen kysyntä esimerkiksi autoteollisuudessa kasvaa kovaa vauhtia. Viime vuonna tehtaan omistava SSAB ilmoittikin kiihdyttävänsä investointejaan. Tuotantoprosessista tulee päästötön jo vuonna 2030, 10 vuotta etuajassa. Tämä leikkaisi Suomen hiilidioksidipäästöistä kerralla peräti 7 prosenttia.

SSAB vetää Fossil Free Steel -tutkimus- ja kehitysprojektia, jossa energiayhtiö Fortum selvittää vedyn valmistamisen mahdollisuuksia. Fortumin vetyliiketoiminnan ryhmää vetävä Mikko Muoniovaara pitää teräksen tuotantoa vetyliiketoiminnan lupaavimpana avauksena.

”Vety saadaan näin hyödynnettyä suoraan koksin korvaajana rautamalmin pelkistyksessä.”

Fortum on mukana 65 yrityksen kansallisessa vetyklusterissa, jonka tavoite on vauhdittaa Suomen vetyteollisuutta ja -taloutta vaikuttamalla esimerkiksi lainsäädäntöön ja investointeihin.

Lakien ja rahan lisäksi teollisuus tarvitsee uusinta tutkimustietoa ja osaamista. Fortum on yhdessä Aallon kanssa tutkinut esimerkiksi sitä, voiko vetyä varastoida suomalaiseen peruskallioon. 

”Yliopistojen tutkimuspotentiaali on meille hyvin tärkeä.”

 Klusteri osallistui tiiviisti myös verkostoyliopisto FiTechin tarjoaman vetytalouskoulutuksen suunnitteluun. Johdantokurssi käynnistyi tämän vuoden alussa.

”Suomessa on paljon osaamista, mutta se on hajallaan eri yliopistoissa. Ohjelman avulla saimme ne koottua etänä opiskeltaviksi yhteen paikkaan”, Muoniovaara iloitsee.

Kun VTT:llä työskentelevä Antti Arasto opiskeli parikymmentä vuotta sitten Otaniemessä energiatekniikkaa, vihreästä vedystä ei puhunut juuri kukaan.

”Nyt mennään jo tosi kovaa vauhtia teollisiin sovelluksiin. Monet ratkaisut, joita VTT:llä ja muualla on tutkittu 10 tai 20 vuotta, ovat tänään todellisuutta", Arasto sanoo.

”Ketju perustutkimuksesta soveltavaan tutkimukseen, firmojen tuotekehitykseen, investointeihin ja siihen, että koko maailman infra muuttuu, on valtavan pitkä. Vetyvallankumous on loistoesimerkki siitä, että koko putkeen pitää investoida, ei vain palastella rahoja alkuun tai loppuun – ja että koulutukseen kannattaa panostaa.”

___________________________________________________________________

Vetyvallankumousta vauhdittavaa tutkimusta tekee kymmeniä aaltolaisia. Tässä heistä muutamia:

• Professori Annukka Santasalo-Aarnion tutkimusryhmä
  Vihreästä vedystä ja hiilidioksidista tehtävät sähköpolttoaineet sekä vedyn valmistaminen rikkidioksidista energiatehokkaasti
• Professori Ari Jokilaakson tutkimusryhmä
  Mm. vedyn käyttö pelkistimenä metallurgisten kuonien puhdistuksessa niin, että arvometallit saadaan talteen paremmin ilman hiiltä
• Professori Riikka Puurusen tutkimusryhmä
  Hiilidioksidin katalyyttinen pelkistys metanoliksi vedyllä, uusiutuviin polttoaineisiin liittyvä vedyn käyttö typenpoistossa
• Professori Anouar Belahcenin vetämä HiECSs-huippuyksikkö
  Vedyn kompressointiin, siirtoon ja jakeluun tarvittava suurnopeusteknologia sähkömoottoreiden ja niiden ohjauksen näkökulmasta
• Professori Ville Vuorisen ja professori Simo Hostikan tutkimusryhmät Vetypolttimien liekit ja palamisilmiöt polttomoottoreissa sekä vedyn paloturvallisuus (HENNES-hanke)
• Professori Matti Larmin tutkimusryhmä
  Vetyä ilmastoneutraaliin merenkulkuun
• Akatemiatutkija Imran Asgharin tutkimusryhmä
  Huippuluokan käänteiset kiinteäoksidikennot sähköntuotantoon ja vedyn valmistukseen

Teksti: Minna Hölttä 
Kuvitus: Kati Närhi

Tämä artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 32 huhtikuussa 2023.