Vedyn tuotanto energiasovelluksiin: Kolmen tuotantoteknologian vertailu

Abstract

Vetyä on pitkään pidetty kiinnostavana tulevaisuuden energiaratkaisuna. Vetytalous perustuu ajatukseen vedystä energiankantajana ja varastona vaihtelevalle sähköntuotannolle. Varastointi tapahtuu tuottamalla vetyä esimerkiksi vedestä tai hiilivedyistä, sillä se ei esiinny luonnossa alkuainemuodossa. Tässä työssä perehdytään kolmen vedyntuotantoteknologian ominaisuuksiin. Tarkoituksena on tunnistaa eri menetelmien vahvuudet ja heikkoudet sekä pohtia niiden asemaa pyrittäessä kohti hiilineutraalia tulevaisuutta. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena.

Vertailuun valitut menetelmät ovat veden elektrolyysi, metaanin höyryreformointi ja metaanin hajottaminen. Elektrolyysissä vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi sähkövirran vaikutuksesta, mikä mahdollistaa uusiutuvan energian hyödyntämisen. Vaikka elektrolyysin osuus globaalista vedyn kokonaistuotannosta on vielä häviävän pieni, elektrolyysikapasiteetin kasvun ennustetaan jatkuvan kiihtyvänä. Metaanin höyryreformointi on tällä hetkellä hallitseva vedyntuotantomenetelmä, joka käyttää raaka-aineena maakaasua. Prosessi synnyttää kuitenkin merkittävät hiilidioksidipäästöt, mikä luo painetta siirtyä muihin vähähiilisempiin tuotantomenetelmiin. Eräs vaihtoehto on metaanin hajottaminen: se synnyttää hiilidioksidin sijaan kiinteää hiiltä, joka voidaan kerätä talteen ja mahdollisesti myydä tuotteena. Metaanin hajottamista pidetään lupaavana siirtymävaiheen teknologiana.

Tuotantomenetelmiä tarkasteltiin ja vertailtiin teknisestä, taloudellisesta ja ympäristön näkökulmasta. Teknisessä tarkastelussa keskityttiin prosessien aine- ja energiavirtoihin, energia- ja eksergiahyötysuhteisiin sekä muihin teknisiin ominaisuuksiin, kuten prosessilämpötiloihin ja mahdollisuuksiin integroida uusiutuva energia vedyn tuotantoon vetytalouskonseptin mukaisesti. Taloudellinen kokonaiskuva muodostettiin tutkimalla eri menetelmillä tuotetun vedyn hintaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä, erityisesti laitoksen investointikustannuksia ja prosessin raaka-aineiden ja sivutuotteiden hintoja. Ympäristön kannalta keskityttiin vertailemaan eri teknologioihin liittyviä hiilidioksidipäästöjä, joihin lukeutuvat laitoksella syntyvien päästöjen lisäksi esimerkiksi maakaasun ja sähkön tuotannon päästöt.

Työssä tehdyn vertailun perusteella on selvää, miksi höyryreformointi hallitsee teollista vedyntuotantoa. Energiatehokkaaksi kehitetty prosessi tuottaa vetyä edullisesti suurissa laitoksissa. Metaanin hajottamisen on teoreettisesti osoitettu kykenevän saavuttamaan kilpailukykyinen vedyn hintataso, mutta käytännön kokemusta on niukasti, sillä teknologia vaatii lisää kehitystä erityisesti korkean prosessilämpötilan aiheuttamien haasteiden takia. Elektrolyysilaitteistot ovat vielä kalliita, mutta elektrolyysin potentiaali on merkittävä varsinkin alueilla, joilla on saatavilla runsaasti edullista uusiutuvaa sähköä.