Miten vetyä tuotetaan?

Teollisuuden lisätessä kestäviä energialähteitä maailmanlaajuisessa taistelussa ilmastonmuutosta vastaan, vety on nousemassa puhtaaksi ja monipuoliseksi vaihtoehdoksi fossiilisille polttoaineille. Tämän polttoaineen mahdollisuuksien ymmärtäminen edellyttää kuitenkin tehokkaiden, taloudellisten ja ympäristöystävällisten tuotantomenetelmien kehittämistä ja käyttöönottoa. 

Vedyn hinta tuotettua sähköyksikköä kohti ei ole kilpailukykyinen verrattuna perinteisiin fossiilisiin polttoaineisiin, joten se on edelleen yksi merkittävimmistä haitoista, joka estää sen laajamittaisen käyttöönoton. Tämän seurauksena verohyvitykset ja muut valtion kannustimet ovat suurelta osin vastuussa vetytalouden kehittymisestä, koska ne auttavat tasoittamaan tuotantoon ja käyttöön liittyviä kustannuksia. 

Vedylle on saatavilla laaja valikoima tuotantomenetelmiä, joiden tekninen, taloudellinen ja ympäristöllinen kannattavuus vaihtelee. Tältä sivulta saat yleiskatsauksen yleisistä tuotantomenetelmistä sekä muutamista kokeellisista menetelmistä, joita kehitetään edelleen. 

Vety tarjoaa vaikuttavan valikoiman teknisiä etuja energiamuotona, mukaan lukien:

• Korkea energiapitoisuus massayksikköä kohti verrattuna perinteisiin polttoaineisiin 
• Potentiaali hiilidioksidipäästöttömyyteen käyttöpisteessä, jossa se kulutetaan polttokennossa 
• Ei energian hajoamista pitkäaikaisessa varastoinnissa, mikä on merkittävä etu akkuihin verrattuna 
• Monipuolisuus erilaisissa sovelluksissa, mukaan lukien kuljetus ja energian varastointi

Sen leviämisessä laajalle teollisuudessa on kuitenkin edelleen esteitä, jotka liittyvät ensisijaisesti käytettävissä olevaan infrastruktuuriin ja kustannuksiin.

Lyijyttömään bensiiniin verrattuna vety on energiatiheä massaltaan, mutta ei tilavuudeltaan. Massaltaan sen energiatiheys on noin kolme kertaa bensiinin energiatiheys, mikä tekee siitä houkuttelevan sovelluksiin, joissa paino on kriittinen, kuten pitkän matkan kuljetuksessa.

Sen alhainen tilavuustiheyden vuoksi varastoinnissa on huomioitava lisänäkökohtia, joita ovat usein kaasumaisen vedyn paineistaminen tai nesteyttäminen kryogeenisten tekniikoiden avulla. Vaikka nämä menetelmät lisäävät tiheyttä, ne monimutkaistavat toimintoja ja kuluttavat energiaa vedyn muuttamisessa ja sen ylläpitämisessä kontrolloidussa tilassa, mikä edellyttää erikoistunutta infrastruktuuria. Lisäksi sen syttyvä luonne - ja vuotoalttius pienen molekyylikoon vuoksi - edellyttävät tiukkoja turvallisuusprotokollia koko arvoketjussa. 

Harmaa vety, teollisuudessa tällä hetkellä yleisin tyyppi, perustuu jompaankumpaan kahdesta termokemiallisesta prosessista: höyrymetaanireformointiin (SMR) ja autotermiseen reformointiin (ATR).

Sekä SMR että ATR alkavat hiilivetyraaka-aineesta, tyypillisesti maakaasusta, joka koostuu pääasiassa metaanista (CH₄). SMR:ssä tämä metaani esilämmitetään ja yhdistetään korkean lämpötilan höyryyn (H₂O) katalyytin läsnä ollessa reformointiyksikössä. ATR tuo sekä höyryä että kontrolloidun määrän happikaasua (O₂) reformointiyksikköön, mikä saa aikaan palamisen. Toisin kuin SMR, ATR ei edellytä ulkoista lämpöä metaanin reformointiprosessiin. 

Äärimmäisissä lämpötilaolosuhteissa kummassakin prosessissa katalyytti helpottaa metaani- ja vesimolekyylien dissosiaatiota reformointiyksikössä, rikkoen niiden kemialliset sidokset. Tämä lämpökrakkausprosessi johtaa tuotekaasuvirtaan, joka sisältää haluttua vetyä sekä hiilimonoksidia ja pieniä määriä hiilidioksidia. Hiilikaasut pidätetään tyypillisesti adsorbenttikerroksilla juuri reformerin jälkeen, kun taas vety virtaa kammion läpi, jossa se voidaan varastoida ja käyttää tarvittaessa myöhemmin. 

Sovelluksissa, joissa hiilidioksidia vapautuu ilmakehään, syntyvää vetyä kutsutaan "harmaaksi vedyksi". Jos CO₂ sen sijaan sidotaan, vedystä tulee "sinistä".

ATR on energiatehokkaampaa kuin SMR, koska se ei vaadi ulkoista lämmönlähdettä. Lisäksi ohjattu hapen annostelu reformointiyksikössä vähentää hiilimonoksidin tuotantoa oleellisesti, mikä tuottaa puhtaamman hiilidioksidivirran kuin SMR. Tämä tekee siitä ihanteellisen sinisen vedyn tuotantoon. ATR:ää on kuitenkin monimutkaisempi valvoa ja ohjata, erityisesti mitä tulee palamisprosessiin, johon liittyy merkittäviä turvallisuusongelmia. 

Sinisen vedyn ympäristökelpoisuus riippuu CCS-teknologioiden tehokkuudesta ja skaalautumisesta, ja ne ovat edelleen jatkuvan tutkimuksen ja kehityksen alueita.

Turkoosia vetyä tuotetaan metaanipyrolyysilla, jossa maakaasu kuumennetaan suoraan äärilämpötiloihin - yli 900 °C (1652 °F) -, jolloin se hajoaa vetykaasuksi ja kiinteäksi hiileksi. Hiilen sivutuote kiinteässä muodossa vangitaan helpommin kuin kaasufaasissa.

Kun pyrolyysissa tarvittava lämpö tuotetaan uusiutuvista lähteistä, kuten auringosta tai maalämmöstä, turkoosi vety muuttuu puhtaammaksi. Vaikka tämä tuotantomenetelmä näyttää lupaavalta, se on vielä alkuvaiheessa ja edellyttää laajempaa demonstraatiota sen elinkelpoisuuden osoittamiseksi ja talteenotetun hiilen pysyvän varastoinnin varmistamiseksi.

Vihreää vetyä pidetään kestävän vedyn kultastandardina. Se tuotetaan uusiutuvasta - kuten aurinko-, tuuli- tai vesienergiasta - vesielektrolyysin avulla.

Elektrolyysi on prosessi, jossa vesimolekyylit (H₂O) jaetaan vedyksi (H₂) ja hapeksi (O₂) sähköenergian avulla. Elektrolysaattori koostuu kahdesta elektrodista - anodista ja katodista - ja elektrolyytistä, joka on ionien virtausta elektrodien välillä helpottava johtava liuos. 

Kun tasavirtasähkö virtaa järjestelmän läpi, katodissa tapahtuu pelkistys, joka ottaa vastaan ​​elektroneja. Tämä houkuttelee negatiivisesti varautuneita anioneja elektrolyytistä täyttämään katodin vetämien elektronien jättämän tyhjiön. Anodilla tapahtuu hapettuminen vapauttaen elektroneja ja aiheuttaen positiivisesti varautuneiden kationien siirtymisen elektrolyytistä sitä kohti. 

Katodilla positiivisesti varautuneet vetyatomit (H+) saavat elektroneja ja muodostavat vetykaasua, kun taas anodilla vesimolekyylit menettävät elektroneja vapauttaen happikaasua ja täydentäen vetyioneja, jotka liikkuvat kohti katodia. 

Lopputuloksena on veden erottuminen vety- ja happikaasumolekyyleiksi. Tämä vihreä vety varastoidaan, kun taas happi voidaan vapauttaa ilmakehään ilman haittaa. 

Kun ylimääräistä uusiutuvaa energiaa on saatavilla, vihreä vety tarjoaa kestävän tavan saada se talteen ja toimittaa verkkoon myöhemmin tarvittaessa. Toisin kuin akkuihin varastoitu teho, varastoitu vetyteho ei heikkene ajan myötä, mikä tekee siitä hyödyllisen erityisesti kausittaiseen tai pitkäaikaiseen energian varastointiin.

Termodynamiikan lait kuitenkin määräävät, että vedyn tuottamiseen tarvittava energia elektrolyysin käyttämiseen on suurempi kuin tuotteesta saatavilla oleva energia. National Renewable Energy Laboratoryn tämänhetkiset arviot osoittavat, että elektrolyysi on noin 70-80 % tehokas, mikä tarkoittaa, että osa prosessin toteuttamiseen tarvittavasta uusiutuvasta energiasta on käytettävissä potentiaalisena energiana tuloksena olevassa vedyssä.

Lisäksi elektrolysaattori-infrastruktuuri on lapsenkengissään, ja se vaatii edelleen kehittämistä ja tehokkuuden parannuksia, ennen kuin sen käyttö voi yleistyä. 

Vedyn tuottamiseen on olemassa muutamia harvemmin käytettyjä menetelmiä, mukaan lukien ydinavusteinen, fotokatalyyttinen vedenjako sekä biologiset ja biokemialliset menetelmät.

Ydinavusteinen vedyn tuotanto
Ydinvoimalla toimiva elektrolyysi on mahdollinen reitti laajamittaiseen ja hiilettömään vedyn tuotantoon - jota kutsutaan "vaaleanpunaiseksi vedyksi" -, vaikka tämä menetelmä on vasta kehitteillä. Koska ydinvoimalaitokset toimivat jatkuvasti, ne tarjoavat vakaan energianlähteen vedyn tuotannolle ja vastaavat uusiutuvaan energiaan liittyviin ajoittaisuushaasteisiin. Ihmisten huolenaiheet ydinturvallisuudesta, jätteiden loppusijoituksesta ja leviämisen mahdollisuudesta ovat kuitenkin esteenä käyttöönotolle.

Veden fotokatalyyttinen jakautuminen
Valjastamalla suoraan auringon voimaa veden fotokatalyyttinen jakautuminen käyttää puolijohdemateriaaleja, jotka absorboivat auringonvaloa vesimolekyylien jakamiseksi vedyksi ja hapeksi ilman sähköä. Kun fotonit iskevät fotokatalyyttipuolijohteeseen, se kiihdyttää elektroneja, jotka antavat energiaa kemiallisen reaktion ajamiseen, jäljitellen kasvien fotosynteesiä.

Tämä menetelmä ei ole läheskään valmis yleiseen käyttöön, ja lisätutkimusta tarvitaan kustannustehokkaiden fotokatalyyttisten materiaalien kehittämiseksi. Varhaiset kokeet osoittavat kuitenkin, että sen tehokkuus on paljon korkeampi kuin sähkökäyttöisen elektrolyysin. 

Biologinen ja biokemiallinen vedyn tuotanto
Toinen tulevaisuuden käyttökelpoisen vedyn erityinen tuotantomahdollisuus on biofotolyysi, joka hyödyntää levien ja sinilevien fotosynteettisiä kykyjä luonnossa tuottaakseen vetyä vesistöistä. Lisäksi entsymaattiset reaktiot voivat kyetä katalysoimaan vedyn tuotantoa biomassasta tai vedestä. 

Nämä menetelmät ovat nykyään täysin kokeellisia, mutta vedyn tuotannon rajojen ja mahdollisuuksien tutkiminen on tärkeää vetytalouden kasvattamiselle tehokkaana ja kannattavana kulmakivenä teollisuuden tuottamien kasvihuonekaasujen vähentämisessä. 

Vedyn tehokas tuotanto ja käyttö edellyttää taloudellisten, teknisten ja ympäristötekijöiden punnitsemista päätöksenteon ohjaamiseksi. Erilaisten vedyn tuotantomenetelmien jalostaminen ja lisääminen parantaa vedyn elinkelpoisuutta monissa eri sovelluksissa. 

Vaikka harmaan vedyn tuotanto SMR:llä tai ATR:llä on tällä hetkellä yleisintä, valtion verotukselliset kannustimet lisäävät sinisen vedyn tuotantoa, jossa käytetään hiilidioksidin talteenottotekniikoita ympäristövaikutusten lieventämiseksi. Uusiutuvalla energialla toimivalla elektrolyysillä tuotettu vihreä vety on kestävämpi ratkaisu, mutta sen skaalautuvuus ja kustannustehokkuus edellyttävät teknologista kehitystä. 

Uudet menetelmät, kuten metaanipyrolyysi ja fotokatalyyttinen veden pilkkominen, tarjoavat lupaavia vaihtoehtoja, mutta niitä ollaan vasta muodostamassa ja ne edellyttävät lisätutkimusta ja -kehitystä. Monipuolinen lähestymistapa, joka sisältää kattavan valikoiman tuotantomenetelmiä vankkoihin periaatteisiin ja jatkuvaan innovaatioon yhdistettynä, on olennainen lähestymistapa jotta vetyä voidaan hyödyntää kestävän energian kulmakivenä.