Vety energiavarastona aurinkosähkössä ja tuulivoimassa

Abstract

Ilmastonmuutoksen voimistumisen myötä on tarve vähentää hiilidioksidipäästöjä. Tämän toteuttamiseksi on lisättävä uusiutuvia ja päästöttömiä tapoja tuottaa energiaa. Aurinko- ja tuulivoimalla voidaan tuottaa puhdasta sähköä, jota kuitenkin syntyy jaksottaisesti riippuen aurinkoisuudesta ja tuulisuudesta. Jotta saadaan ylläpidettyä kulutuksen ja tuotannon tasapaino, on pystyttävä varastoimaan ylimääräinen energia. Tämä energia voidaan varastoida vetyyn. Tämän kirjallisuusselvityksen tarkoituksena on selvittää aurinkosähköllä ja tuulivoimalla tuotetun vedyn mahdollisuuksia toimia energiavarastona. Työssä käsitellään aurinkosähkön ja tuulivoiman tuotantoa, sähkön muuttamista vedyksi, vedyn varastointia ja vedyn muuttamista takaisin sähköksi.

Työ jakautuu kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa tarkastellaan aurinko- ja tuulisähkön tuotannon keskeisiä periaatteita. Havaitaan, että aurinkosähkön tuotanto perustuu Auringon säteilyenergian muuttamiseen puolijohdekomponenttien avulla sähköksi. Tuulisähköä syntyy, kun ilmavirtaus pyörittää tuulivoimalan lapoja ja siten akselia sekä turbiinia.

Toinen osa keskittyy vetyyn. Vetyä voidaan valmistaa veden elektrolyysillä, jossa sähkövirran avulla vesi hajoaa hapeksi ja vedyksi hapetus-pelkistysreaktioissa. Syntynyt vetykaasu kerätään ja varastoidaan paineistamalla, nesteyttämällä tai adsorptoimalla eli imeyttämällä toisen aineen pintaan. Vetyyn varastoitu energia saadaan vapautettua polttokennojen avulla. Polttokennot toimivat käänteisellä elektrolyysireaktiolla, jolloin syntyy vettä, lämpöä ja sähkövirtaa. Vetykaasuun varastoitunutta energiaa saadaan muutettua sähköksi myös käyttämällä kaasuturbiineja.

Kolmannessa osassa perehdytään aiempien osien soveltamiseen. Aurinko- ja tuulisähköllä voidaan tuottaa vetyä elektrolyysin avulla. Vety voidaan varastoida ja vapauttaa polttokennoilla tai kaasuturbiineilla. Havaitaan, että vety toimii hyvin pitkän aikavälin energiavarastona, koska sillä ei ole akuille tyypillistä lyhyttä itsepurkautumisaikaa vaan vety säilyttää energiasisältönsä pitkälläkin ajanjaksolla. Kirjallisuusselvityksen perusteella vetyyn varastoidessa iso osa energiasta häviää konversioissa ja kustannukset ovat vielä korkeita. Kuitenkin teknologian kehittyessä ja massatuotannon avulla kustannuksia saadaan pienennettyä ja hyötysuhteita kasvatettua, jolloin vetyvarastoista tulee yhä kannattavampia.