Blogi

Aurinko- ja tuulisähkön ongelmana on riippuvuus säästä. Eräs ratkaisu on varastoida tätä uusiutuvaa sähköä tuottamalla polttoainetta: vetyä tai metaania. Miten kehittynyttä ja taloudellisesti kannattavaa teknologia on tällä hetkellä? Millainen ratkaisu voisi sopia Helsingin kokoisen kaupungin sähköntuotantoon?

Vety, elektrolyysi ja polttokenno

Vety on kevyin alkuaine, jota on maailmankaikkeudessa runsaasti. Sitä esiintyy yleisesti luonnossa esimerkiksi veden ja öljyn osana. Huoneenlämmössä puhdas vety on hajuton kaasu, joka on ilmaa kevyempää ja erittäin räjähdysherkkää.

Energian varastoimisen kannalta vetyä voidaan valmistaa vedestä sähkövirran avulla. Prosessia kutsutaan elektrolyysiksi. Vesi hajoaa vety- ja happikaasuiksi, jotka varastoidaan erillisiin säiliöihin. Kun on pilvistä tai aurinko ei paista, tuotetaan sähköä polttamalla varastoitua vetyä ja happea. Tällöin syntyy lämpöä ja vesihöyryä. Periaatteessa vetyä voisi polttaa kuten hiiltä hiilivoimalassa: lämpö kiehuttaa vettä, joka kulkee korkeapaineisena turbiinin läpi ja pyörittää sähkögeneraattoria.

Vetyteknologian tärkeä osa on polttokenno. Se on laite, jossa palamisreaktio tuottaa suoraan sähköenergiaa. Tämän takia polttokenno muuttaa suuremman osan polttoaineesta sähköenergiaksi kuin perinteinen kaasuvoimalaitos. Polttokennoja on erityyppisiä ja niissä voidaan käyttää eri polttoaineita. Vetyä käyttävä polttokenno kuluttaa happea ja tuottaa vesihöyryä.

Kiinteäoksidipolttokenno (solid oxide fuel cell, SOFC) on eräs lupaavimpia teknologioita voimalaitoskäyttöön. Kennon osat ovat keraamisia ja toimintalämpötila on 800–1000 °C. Polttoaineena voidaan käyttää suoraan yksinkertaisia hiilivetyjä, kuten metaania. Syntyvällä lämpöenergialla voidaan käyttää höyryturbiinia, joka myös tuottaa sähköä. Turbiinin jälkeen lämpö voidaan myös ohjata kaukolämpöverkkoon. [1] [2]

Varastoiminen

Vedyn varastoiminen on hankalampaa kuin sen tuottaminen. Vetyä voidaan periaatteessa varastoida 5,6 MJ/litra (HHV, ylempi lämpöarvo), jos se ahdetaan 700-kertaiseen ilmakehän paineeseen. Paineistaminen vie energiaa 2,1 % suhteessa vedyn energiasisältöön. Nestemäisenä vetyä saisi varastoitua 10 MJ/litra (HHV) -252,87 °C lämpötilassa. Suhteessa tilavuuteen vedyllä on alhaisempi energiatiheys kuin tunnetummilla polttoaineilla: dieselin lämpöarvo on 35,8 MJ/litra ja hiilen 24 MJ/kg. [3] [4] Lisäksi vety on räjähdysherkkää, joten sen varastoiminen tarvitsee hyvän tuuletuksen.

Vety tihkuu läpi metallisista säiliöistä ja haurastuttaa niitä, mikä on ongelma voimalaitoskäyttöön tarkoitetussa varastoinnissa. Vetysäiliöstä karkaa 25 % sisällöstä kuukaudessa. Myös nesteyttämiseen tarvittava energia on peräti 33 % energiasisällöstä. [5]

Vedyn sijasta voidaan käyttää yksinkertaisinta hiilivetyä, metaania. Metaani on kevyt kaasu: yhden hiiliatomin ja neljän vetyatomin kimppa. Sitä voidaan tuottaa esimerkiksi hiilidioksidista ja vedystä Sabatier-reaktiolla tai hiilimonoksidista ja vedystä metanoimalla. [6] Metaanin lämpöarvo on 50 MJ/kg, ja sitä voidaan varastoida nesteenä 21,6 MJ/litra (HHV) −163 °C lämpötilassa. Myös varastointi kaasuna aina 125-kertaiseen ilmakehän paineeseen asti on periaatteessa mahdollista; tällöin energiatiheys on 7,25 MJ/litra (LHV, alempi lämpöarvo). Erityisesti suurina määrinä, kuten kaupungin energiantuotantoa varten, jäähdytetty nestemetaani on kannattavampi varastointitapa kuin korkeapaineinen kaasu. [2]

Vaikka metaani lämmittää ilmastoa hiilidioksidia voimakkaammin, suuri vuoto ihmisen rakentamassa metaanivarastossa on epätodennäköinen. Maakaasua, josta suurin osa on metaania, on varastoitu jakeluputkissa, kaasukelloissa ja maan alla jo sata vuotta. Myös nestemäisen maakaasun (liquefied natural gas, LNG) suuria varastoja on rakennettu [7]. Kokoluokassaan suurempi ongelma on meriin ja ikiroutaan varastoitunut metaani, jonka vapautuminen ilmakehään olisi tuhoisaa nykyisen sivilisaation ja ekosysteemin kannalta.

Taloudellinen ja tekninen kannattavuus

Käytännössä vety- ja metaanikaasua on hankala varastoida suuria määriä yli satakertaisessa ilmakehän paineessa. 350 ja 700 baarin vetytankkeja on valmistettu, mutta ne ovat tilavuudeltaan vain kymmeniä tai satoja litroja, siis ajoneuvokäyttöön [8] [9] [10].

Tällä hetkellä alkalielektrolysaattori tuottaa 1 kg vetykaasua 50–78 kWh:lla sähköä. Tällöin HHV-hyötysuhde, eli jos kaikki polttamisen energia saadaan talteen, on 51–79 %. PEM-elektrolysaattori tuottaa 1 kg vetyä vastaavasti 50-83 kWh:lla, jolloin HHV-hyötysuhde on 48–79 %. Alkalielektrolysaattori maksaa tällä hetkellä 1000–1500 €/kW ja PEM-elektrolysaattori tuplasti. [11] [12]

Polttokenno muuttaa suuremman osan polttoaineesta sähköksi kuin hiilivoimala tai dieselgeneraattori. Tyypillisen hiilivoimalan sähköntuotannon hyötysuhde on 33 % ja dieselgeneraattorin vastaavasti 20–40 %. Kuitenkaan voimalaitosteholuokan polttokennoja ei vielä ole. [13] Tällä hetkellä Suomalainen Convion kehittää suuritehoisia 50–300 kW kiinteäoksidipolttokennoja kaupalliseen käyttöön. Vuonna 2015 markkinoille on tulossa 58 kW malli, jonka sähköntuotannon hyötysuhde on 53 %. Laitteella saa 85 % kokonaishyötysuhteen, jos ylijäämälämpö ohjataan generattoriin tai lämmitykseen. Polttokennoyksikköjä on mahdollista kytkeä useita rinnakkain suuremman kokonaistehon saamiseksi. [14] Mitsubishi Hitachi Power Systemsillä on koekäytössä 250 kW SOFC-kenno [15].

Edellä olevien tietojen perusteella sähköenergian muuttaminen vedyksi ja siitä takaisin sähköksi tapahtuisi erillisellä elektrolysaattorilla ja Convionin polttokennolla hyötysuhteella 25–42 %. Jos polttokennon lämpöenergia hyödynnetään, hyötysuhde on 41–67 %.

On myös mahdollista rakentaa laite, joka toimii vuorotellen hydrolysaattorina ja polttokennona. Teoriassa hyötysuhde PEM-elektrolysaattoripolttokennolle (PEM Unitized regenerative fuel cell) sähkö-vety-sähkö-kierroksessa on 45–80 %. Hyötysuhde on hieman parempi ja yhdistetty laite olisi myös pienempi. [16]

Metaanintuotannon ongelmana on se, että hiilidioksidin erottaminen ilmakehästä vaatii paljon energiaa. Tämä johtuu siitä, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on hyvin alhainen. Käytännön teknologiaa tähän ei ole vielä olemassa. Eräs ratkaisu on hiilidioksidin kierrättäminen säiliöissä metaanin tuotanto- ja polttoprosessissa. Tällöin varastointitehokkuus olisi siedettävät 55–59 %. [2]

Stempien ym. ovat tutkineet metaanin tuottamista uusiutuvalla sähköllä kiinteäoksidielektrolysaattorilla, metanoimalla ja Sabatier-reaktiolla. He arvioivat sähkö-metaani-muunnoksen hyötysuhteeksi korkeimmillaan 60 % (alempi lämpöarvo). Kaikki syötetty hiilidioksidi on mahdollista muuttaa metaaniksi. [6]

Kuinka suuri metaanivarasto tarvittaisiin, että siinä olisi Helsingille energiaa puoleksi vuodeksi? 100 000 m³ varastossa nestemetaania on 585 GWh energiaa (LHV) [2]. Yksi tällainen varasto olisi sylinterimäinen säiliö, jonka halkaisija ja korkeus olisivat noin 50  metriä. Tämän kokoisia tankkeja on käytössä esimerkiksi Japanissa siten, että säiliö on sijoitettu suurimmaksi osaksi maan alle [7]. Helsingissä käytettiin sähköä 4559 GWh vuonna 2013 [17]. Jos neljännes tästä energiamäärästä pitäisi olla metaanivarastona talvea varten, ja metaanista saadaan muutettua sähköenergiaksi 75 %, tarvitaan kolme 100 000 m³ nestemetaanisäiliötä.

Myös Suomessa on rakennettu suuria maanalaisia kaasuvarastoja kallioon. Borealis Polymers Oy rakentaa Porvoon Kilpilahteen kaasutilavuudeltaan 165 000 m³ luolaa, johon varastoidaan nesteytettyä propaania ja butaania. Alueella on myös useita samantyyppisiä Neste Oyj:n säiliöitä. [18, sivu 3] Tehokaasu Oy:llä on Tornion Röyttässä 100 000 m³ kalliovarasto. Kalliossa oleva vesi toimii niin sanottuna vesiverhona, joka estää kaasun vuotamisen maan pinnalle. [19] On ilmeistä, että vesiverhojärjestelmää ei voi suoraan käyttää nestemetaanilla, koska ympäröivä vesi saisi −163 °C lämpötilassa olevan metaanin höyrystymään, mikä aiheuttaisi varastoon suuren paineen: höyrystyessään metaanin tilavuus kasvaa 1550-kertaiseksi [20]. Luolan sisällä olevan lämpöeristetyn säiliön saisi kuitenkin tuettua kallioon kaikista suunnista. Houkutteleva lisäkysymys onkin, voisiko propaania ja butaania syntetisoida metaanista energian varastointimielessä.

Polttokennot ovat tällä hetkellä vielä kalliita. Käytännössä uusin teknologia kaupalliseen tarkoitukseen maksaa nyt 7000–42 000 €/kW [21]. Tämän pohjalta pelkkä 1600 MW polttokennojärjestelmä maksaisi 11–67 miljardia euroa. Vertailun vuoksi 1600 MW Olkiluoto 3 -ydinvoimalan rakennuskustannukset ovat tällä hetkellä 8,5 miljardia euroa.

Tulevaisuudennäkymät

Buonomano ym. arvioivat, että SOFCin kaltaisissa korkean lämpötilan polttokennoissa on vielä runsaasti kehittämistä kaupallisen läpimurron saavuttamiseksi. He suosittelevat tutkimuksen painottamista materiaaleihin ja taloudellisesti kannattavaan valmistamiseen. Teknologia vaikuttaa kuitenkin lupaavalta, ja viimeisen kymmenen vuoden aikana sitä on kehitetty merkittävästi. Polttokennojärjestelmien hinta on vähentynyt kymmenesosaan vuosina 2000–2013. [21]

Jos polttokennoteknologia kehittyy, on periaatteessa mahdollista ratkaista Helsingin kokoisen kaupungin sähkö- ja lämpöenergian tarve talvellakin yhdistämällä uusiutuvan energian tuotanto ja suurta metaanivarastoa käyttävät polttokennovoimalaitokset. Se, onko tämän kaltainen huipputeknologia joskus tulevaisuudessa muidenkin kuin rikkaiden teollisuusmaiden käytettävissä, on aivan oma kysymyksensä.

Lisäys 4.1.2017 koskien hiilidioksidin talteenottoa ilmakehästä: Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on hyvin alhainen, ja käytännön teknologiaa tähän ei ole vielä olemassa.

Lähteet

[1] Risto Mikkonen. Polttokennot ja vetyteknologia. Muut polttokennotyypit (AFC, PAFC, MCFC, SOFC). http://www.tut.fi/smg/tp/kurssit/DEE-54020/luennot_2015/Luento9.pdf

[2] Easa I. Al-musleh, Dharik S. Mallapragada ja Rakesh Agrawal. Continuous power supply from a baseload renewable power plant. 2014. Applied Energy vol. 122, s. 83–93. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.02.015

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_storage

[5] Risto Varteva. Vety energiaa 2060? Tiede 4/2000. http://www.tiede.fi/artikkeli/jutut/artikkelit/vety_energiaa_2060_

[6] Jan Pawel Stempien, Ni Meng, Qiang Sun ja Siew Wha Chan. Production of sustainable methane from renewable energy and captured carbon dioxide with the use of Solid Oxide Electrolyzer: A thermodynamic assessment . 2015. Elsevier. Energy 82, s. 714–721. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2015.01.081

[7] Tokyo Gas. In-Ground LNG Storage Tanks. http://www.tokyo-gas.co.jp/lngtech/ug-tank/

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_tank

[9] Nissan Motor Company. 70MPa High-Pressure Hydrogen Storage Cylinder. http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/hphsc.html

[10] Honda Motor Company. Hydrogen tank. http://world.honda.com/FuelCell/FCX/tank/

[11] Luca Bertuccioli, Alvin Chan, David Hart, Franz Lehner, Ben Madden ja Eleanor Standen. Development of Water Electrolysis in the European Union. 2014. E4tech Sàrl ja Element Energy. http://www.fch-ju.eu/sites/default/files/study%20electrolyser_0-Logos_0_0.pdf

[12] https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_of_combustion

[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Fossil-fuel_power_station

[14] Convion Ltd. News release February 24th, 2015. http://convion.fi/download/Convion_leaflet.pdf

[15] Mitsubishi Hitachi Power Systems. Development Status of SOFC. https://www.mhps.com/en/technology/business/power/sofc/development_situation.html

[16] Massimo Guarnieri, Piergiorgio Alotto ja Federico Moro . Modeling the performance of hydrogeneoxygen unitized regenerative proton exchange membrane fuel cells for energy storage . 2015. Elsevier. Journal of Power Sources vol. 297, s. 23–32 . http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.07.067

[17] Energiateollisuus. Kunnat sähkönkäytön suuruuden mukaan. 2013. http://energia.fi/tilastot-ja- julkaisut/sahkotilastot/sahkonkulutus/sahkon-kaytto-kunnittain

[18] Borealis Polymers Oy. Naapurit 2015. http://www.kilpilahti.fi/wp-content/uploads/2014/10/naapurit_2015.pdf

[19] Yhteysviranomaisen lausunto Tehokaasu Oy:n Röyttän niemen nestekaasun kalliovarastohankkeen ympäristövaikutusten arviointiselostuksesta. Lapin ympäristökeskus 2003. http://www.ymparisto.fi/download/noname/%7B18D9DC14-4C46-4E66-B5D3-C5F994356666%7D/42701

[20] https://en.wikipedia.org/wiki/Methane

[21] Annamaria Buonomano, Francesco Calise, Massimo Dentice d’Accadia, Adolfo Palombo ja Maria Vicidomini. Hybrid solid oxide fuel cells-gas turbine systems for combined heat and power: A review. 2015. Applied Energy vol. 156, s. 32–85. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.06.027.

Artikkeli on julkaistu alkuperäisessä muodossaan Helsingin seudun ja yliopiston Maan ystävien Poimulehdessä #2 (2015).

Artturi Tilanterä

Maan ystävien hallituksen vuosi starttasi viikonlopun mittaisella tapaamisella, jossa uudet hallituslaiset perehdytettiin tehtäviinsä ja pidettiin vuoden ensimmäinen hallituksen kokous. Vuosi käynnistyi innokkaissa tunnelmissa, mistä todisti se, että kaikki kaksitoista hallituslaista olivat sunnuntain kokouksessa paikalla ja vieläpä hyvissä ajoin! Tällä reippaudella ja energialla on tarkoitus jatkaa koko vuosi yhdistyksen asioiden hoitamista.

Uusi käytäntö, jonka mukaan toiminta- ja paikallisryhmät voivat hakea toimintaansa pientä rahallista tukea yhdistyksen vuosibudjetista, otettiin heti käyttöön. Helsingin paikallisryhmälle myönnettiin 25 euroa painoseuloihin erilaisten kangasmateriaalien somistamiseen Maan ystävien logolla. Nämä toimintarahat eivät korvaa paikallisryhmien saamaa osuutta vuostuisista jäsenmaksutuloista, vaan ne ovat tarkoitettu kaikenlaisille toimintaryhmille, uusien ideoiden, tempausten ja toiminnan totettamiseen. Ohjeet toiminta rahojen hakemiseksi julkaistaan pian ja niistä voi kysellä keneltä tahansa hallituksen jäseneltä lisää.

Kansainvälisiä tapaamisia keväälle on myös tiedossa ja hallitus kävi keskustelua siitä, miten matkalle lähtijät valitaan ja miten heidän odotetaan kertovan kokemastaan ja oppimastaan palattuaan. Tarkoitus on, että Maan ystävien aktiiveista kuka tahansa kiinnostunut ja toimintaan sitoutunut voi osallistua kansainvälisiin kokoontumisiin. Erilaisista kansainvälisistä kokoontumisita tullankin tiedottamaan mahdollisimman avoimesti. Matkalaisilta vaaditaan myös lyhyt matkakertomus ja blogi Maan ystävien verkkosivuille, jotta opit ja kokemukset saadaan jaettua laajemmalle joukolle.

Tänä keväänä on tiedossa Euroopan Maan ystävien (Friends of the Earth Europe) yleiskokous Irlannissa 9.-12 toukokuuta. Kokoukseen etsitään edustajaa hallituksesta sekä kansainvälisen jaoston jäsenistä. Järjestön ”nuorisosiipi”, Young Frieds of the Earth puolestaan kokoontuu maaliskuussa Maltalla. Kiireisen ilmoittautumisaikataulun vuoksi hallitus päätti lähettää matkaan hallituksen jäsenen Julia Räisäsen.

Lisäksi vuoden ensimmäisessä kokouksessa käsiteltiin budjettia sekä uutta joastojakoa tälle vuodelle. Jaostojen tehtävä on suunnitella ja toteuttaa erilaisia käytännön tehtäviä liittyen muun muassa viestintään, varainhankintaan sekä kansainvälisiin suhteisiin. Kunkin jaoston kokoonpanossa on kaksi hallituslaista, mutta ennenkaikkea jaostot sopivat kelle tahansa Maan ystävien jäsenelle. Jaostojen virallishenkistä nimeä ei kannata säikähtää. Luvassa on konkreettista ja kiinnostava tekemistä, jossa saa vapaasti ideoida ja hyödyntää luovuuttaan. Lista kaikista jaostoista löytyy Maan ystävien verkkosivuilta.

Lisäksi juhlavuoden kunniaksi on perustettu juhlajaosto, sillä tänä vuonna juhlitaan Maan ystävien 20-vuotista taivalta! Jotta bileet saadaan pystyyn, tarvitaan tätäkin varten oma porukkansa. Jos tapahtumajärjestäminen on sinun juttusi, kannattaa ehdottomasti tarttua tähän ainutkertaiseen tilaisuuteen.

Tuore hallitus odottaa vuotta 2016 suurella innolla. Hallituksen tehtävä on kuitenkin vain luoda puitteet kaikelle sille, mitä Maan ystävien jäsenet haluavat, keksivät ja osaavatkaan tehdä! Vuoden 2016 toiminnan luotte lopulta te, Maan ystävien jäsenet ja aktiivit.

 

Katja Hintikainen