Vetyyn on asetettu suuria odotuksia – katsaus tulevaisuuden teknologioihin

Kuljetus- ja logistiikka-alalla on suuria toiveita vedyn (H2) käytöstä polttoaineena, ja nämä toiveet ovat täysin perusteltuja. Vety on universumin yleisin kemiallinen alkuaine ja ainoa, joka tarjoaa kolme vaihtoehtoista tapaa tukea ilmastonsuojelua – vaikka ylitettävänä onkin vielä monta estettä.

Ensimmäinen on se, että tätä haihtuvaa kaasua voidaan tuottaa aiheuttamatta samalla paikallisia päästöjä. Elektrolyysiksi kutsutussa prosessissa veteen (H2O) johdetaan sähkövirta, joka jakaa sen hapeksi ja vedyksi. Edellyttäen, että sähkö on peräisin uusiutuvista lähteistä, kuten aurinko-, tuuli- tai vesivoimasta, tätä prosessia voidaan pitää ilmastoystävällisenä.

Koska elektrolyysi kuluttaa lähes kolmanneksen enemmän energiaa kuin mitä varastoituu sen tuottamaan vetyyn, kestävän vetytalouden saavuttamisen perushaasteena tulee olemaan, miten tarjota riittävän kohtuuhintaista ympäristöystävällistä sähköä.

Usein unohdettu näkökohta on, että tällä hetkellä elektrolyysi vaatii edelleen puhtaudeltaan juomavettä vastaavaa makeaa vettä – ja sitä tarvitaan lähes kymmenen litraa vetykiloa kohden. Tämä tarkoittaa, että kuivien alueiden, joilla on runsaasti auringonpaistetta – minkä vuoksi ne ovat ehdolla vedyntuotannon keskeisiksi sijaintipaikoiksi – olisi myös investoitava meriveden suolanpoistoon.

Toisekseen vetyyn kohdistuu niin paljon toiveita, koska se on rakennusaine kaikille synteettisille polttoaineille, joita kutsutaan myös termeillä sähköpolttoaine, Power-to-Liquid (PtL) -polttoaine tai Power-to-Gas (PtG) -polttoaine. Periodisen järjestelmän ensimmäinen elementti voi sitoutua hiileen ja happeen muodostaen erilaisia hiilivetyketjuja, kuten metaani, metanoli, diesel ja kerosiini. Haasteena on, että nämä prosessit myös kuluttavat paljon energiaa.

Usein ei huomioida sitä, että nämä polttoaineet vaativat ympäristöystävällisen vedyn lisäksi myös hiilidioksidia, joka on ensin otettava ilmakehästä. Tuloksena oleva synteettinen polttoaine on ilmastoneutraali vain, jos prosessi tapahtuu ilman päästöjä. Sähköpolttoaineen mukaan vain 40–60 prosenttia prosessiketjun alussa käytetyn uusiutuvan energian energiasta siirtyy eteenpäin. Siksi tällaisia prosesseja pidetään usein epätaloudellisena. Synteettiset polttoaineet ovat kuitenkin kannattava vaihtoehto silloin, kun sähköä tai vetyä ei voida käyttää suoraan moottoreiden käyttövoimana tai energian kuljettamisessa esimerkiksi meri- ja ilmailusovelluksissa.

Vety polttokennon "moottorina"

Kolmas, ja tärkein seikka, on se, että vety on keskeinen osa ratkaisua, koska se voidaan muuntaa takaisin sähköksi tuottamatta kasvihuonekaasuja tai ilman epäpuhtauksia. Tämä prosessi tapahtuu polttokennon sisällä, ja sitä voidaan pitää vastakkaisena elektrolyysille. Osana hapetus-pelkistysreaktiota (redox) elektronit kulkevat vedystä ilmakehän happeen. Tämä tuottaa sähköä, jota voidaan käyttää moottoreiden käyttövoimana tai akkujen lataamiseen. Ainoat ”jätetuotteet” ovat puhdas höyry ja lämpö. Hyötyajoneuvoissa käytetään protoninvaihtokalvopolttokennoja (PEM), jotka ovat osoittautuneet erittäin tehokkaiksi. DACHSER-simulaatiot osoittivat, että vaihtokorinen protoninvaihtokalvopolttokennotoiminen (PEMFC) kuorma-auto kuluttaisi hieman alle kymmenen kiloa vetyä sataa kilometriä kohden.

Huolimatta alustavista myönteisistä tuloksista PEM-prototyypin ja pienten erien kuorma-autojen kanssa, on vielä selvitettävä useita yksityiskohtia, ennen kuin tämän tyyppisestä polttokennosta tulee käytännössä toimiva vaihtoehto. Sekä vetypolttoaineen että sisään imetyn ilmakehän hapen on esimerkiksi oltava erittäin puhdasta, jotta polttokennon herkät komponentit eivät saastu liian nopeasti ja vaaranna järjestelmän käyttöikää. Kalliin ilmansuodatusteknologian lisäksi tämä edellyttää, että autonvalmistajat käyttävät 5.0-vetyä, mikä tarkoittaa, että vedyn sertifioidun puhtauden on oltava vähintään 99,999 prosenttia – mikä on hyvin korkea vaatimus vedynsyöttöjärjestelmälle kokonaisuudessaan.

Toinen haaste on määrittää paras tapa varastoida vetyä kuorma-autossa. Pitäisikö sen olla säiliöissä, jotka on paineistettu 350 baariin, kuten nykypäivän busseissa on yleinen käytäntö? Vai tulisiko vetyä säilyttää nesteytettynä erittäin alhaisissa lämpötiloissa, kuten nesteytettyä maakaasua (LNG)? Valmistajilla on asiaan erilaisia lähestymistapoja, mutta on odotettavissa, että aina kun varastointikapasiteetin ja toimintasäteen maksimointi ovat ratkaisevia tekijöitä, kylmää nestemäistä vetyä sisältävä säiliö on todennäköisesti paras vaihtoehto.

Yhteenvetona voidaan todeta, että vedyllä on mahdollisuus vakiinnuttaa asemansa uusiutuvan energian suorakäytön rinnalla liikenteen ja logistiikan ratkaisevana teknologiana. Se, pystyykö se vastaamaan sille asetettuihin suuriin odotuksiin, selviää ennen tämän vuosikymmenen loppua. Yhä useammat hyötyajoneuvojen valmistajat ovat aikeissa muuntaa tämän tulevaisuuden teknologian yhdeksi ilmastonsuojelun ja logistiikan innovaatioksi.