Metallit energiankantajina ja polttoaineina

Abstract

Energiaa on aina pitänyt kuljettaa. Ovatpa kyseessä sitten fossiiliset polttoaineet tai uusiutuvat energianlähteet, energiaresursseja ei ole maapallolla kaikkialla yhtä paljon saatavilla. Tavanomaisesti ongelma on ratkaistu kuljettamalla energiaa fossiilisten polttoaineiden muodossa kaasuputkissa tai öljytankkereissa. Tulevaisuudessa halutaan siirtyä hiilivapaisiin energiajärjestelmiin, jolloin energiantuotanto painottuu yhä enemmän uusiutuvien energianlähteiden, kuten tuuli- ja aurinkoenergian suuntaan. Tuotettuja energiaresursseja on voitava varastoida ja kuljettaa fossiilisten polttoaineiden tapaan. Tämän työn tavoitteena on selvittää, miten metallit voisivat olla ratkaisu tähän haasteeseen. Työssä metallien käyttöä polttoaineina tutkitaan osana metallipolttoainesykliä. Termillä viitataan suljettuun energiasykliin, jossa metallin kemiallinen energia vapautetaan joko polttamalla tai metalli-vesireaktion avulla. Reaktiossa syntyy valitun hapettajan mukaan, joko pelkästään kiinteitä metallioksideja tai metallioksideja ja vetyä. Lisäksi reaktiot vapauttavat merkittäviä määriä lämpöä, jota voidaan käyttää lämpövoimakoneissa sähkön ja lämmön tuottamisessa. Reaktiotuotteina syntyneet metallioksidit kierrätetään pelkistämällä ne käyttäen uusiutuvilla energianlähteillä tuotettua energiaa. Täten syntyy hiilivapaa energiasykli, jonka avulla voidaan varastoida energiaa, esimerkiksi silloin kun uusiutuvien energianlähteiden tuotanto ylittää kysynnän. Metallipolttoaineita verrataan työssä vetyyn, sillä se on yleinen suosikki fossiilisten polttoaineiden korvaajana tulevaisuuden energiajärjestelmissä. Metallipolttoaineiden hyödyntämisellä voidaan välttää vetyyn liittyviä haasteita, esimerkiksi varastointiin ja turvallisuuteen liittyen. Metallien käsittely on huomattavasti helpompaa ja ne säilyvät kosteudelta eristettynä lähestulkoon ikuisesti. Parhaiten lukuisista vaihtoehdoista metallipolttoaineeksi soveltuvat alumiini ja rauta. Tähän syitä ovat niiden suhteellisen korkeat energiatiheydet, reaktiivisuus hapen tai veden kanssa, niiden turvallisuus ihmisten ja ympäristön kannalta ja aineiden runsaus maapallolla. Rautaa voidaan polttaa ilman kanssa ja tätä teknologiaa on jo käytetty panimolla Alankomaissa eräässä kaupallisessa sovelluksessa. Simulaatiot osoittavat raudan sähköntuotannon hyötysuhteen olevan 45.4 %. Raudan palamisominaisuudet ovat samankaltaiset pölypolttohiilen kanssa, joten sitä voidaan mahdollisesti hyödyntää jo olemassa olevissa voimaloissa vain muutamilla muutoksilla. Rautaoksidien pelkistys tapahtuu joko vedyn tai elektrolyysin avulla, jolloin hyötysuhteet ovat 53 % ja 89 %. Luvuilla syklien kokonaishyötysuhteiksi saadaan 24,06 % tai 40,4 %. Alumiini soveltuu parhaiten reaktioon veden kanssa. Demonstraatiolaitteita on rakennettu, mutta ne eivät ole huomioineet vapautuvan vedyn hyödyntämistä. Simulaatioissa vetyä ja syntyvää lämpöä hyödyntävän voimalaitoksen sähköntuotannon hyötysuhde oli noin 40 %. Alumiinioksidien pelkistys tapahtuu Hall-Héroult prosessilla, josta vapautuu joitakin hiilipäästöjä. Hyötysuhde on 75 %. Pelkistys on mahdollista tehdä päästöttömästi mutta teknologia on vielä tutkimusvaiheessa. Kokonaishyötysuhteeksi alumiinin syklille saadaan 30 %. Hyötysuhteita voidaan verrata paineistetun vedyn energiasyklin hyötysuhteeseen, joka on välillä 23–30 %. Lisäksi pelkistämiskustannuksia verrattiin öljystä jalostetun diesel megawattitunnin tuottamiskustannuksiin ja laskettiin, että ne ovat verrattavissa toisiinsa energiavarastoina, kun sähkön hinta on 3–3,6 snt/kwh.