Kestävän vihreän vedyn tuottaminen

Vedyn erilaisten tuotantomenetelmien joukossa vihreä vety on kestävä standardi. Vihreän vedyn tuotanto perustuu kokonaan uusiutuviin energialähteisiin, kuten aurinko-, tuuli- ja vesivoimaan, joten se on hiilineutraali polttoaine tuotannosta aina palamiseensa saakka. Tämä erottaa sen muista vetytyypeistä, mukaan lukien harmaasta vedystä, jota saadaan fossiilisista polttoaineista.

Elektrolyysi muodostaa perustan vihreän vedyn tuotannolle, jossa sähkön avulla vesimolekyylit jaetaan niiden vety- ja happikomponenteiksi. Kapasiteetti, tehokkuus ja kustannusrajoitteet asettavat kuitenkin haasteita tuotannon nopealle käynnistämiselle.

Elektrolyysi on sähkökemiallisten reaktioiden ja ionien kuljetusprosessi, joka tapahtuu elektrolysaattorissa. Elektrolysaattoreissa on kaksi elektrodia - anodi ja katodi - jotka on erotettu elektrolyytillä. Tämä elektrolyytti, nestemäinen liuos (emäksiselle) tai solid-state-kalvo (PEM:lle), helpottaa ionien kulkua ja rajoittaa elektronien virtausta, ja se on valittava huolellisesti eri tekijöihin perustuen, kuten ioninjohtavuus, kemiallinen stabiilisuus ja yhteensopivuus elektrodimateriaalien kanssa.

Kun tasavirta johdetaan nestemäiseen veteen elektrolysaattorin sisällä, sähköinen potentiaaliero muodostuu anodin ja katodin välille. Anodilla, jossa on positiivinen potentiaali, vesimolekyylit (H₂O) käyvät läpi hapetusreaktion, mikä aiheuttaa elektronien häviämisen. Tämä johtaa happikaasun (O₂), positiivisesti varautuneiden vetyionien (protonit, H+) muodostumiseen ja elektronien vapautumiseen ulkoiseen piiriin, joka on esitetty protoninvaihtokalvon (PEM) elektrolysaattoreissa seuraavasti:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

H+-protonit kulkeutuvat elektrolyytin läpi kohti negatiivisesti varautunutta katodia potentiaaligradientin ohjaamana. Katodi edistää pelkistysreaktiota, jossa protonit ottavat helposti vastaan ​​elektroneja ulkoisesta piiristä neutraloidakseen varauksensa ja muodostaakseen kaksiatomista vetykaasua (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

Kokonaiselektrolyyttinen reaktio, anodisen hapettumisen ja katodisen pelkistyksen summa, esitetään seuraavasti:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

Tämän prosessin tehokkuudella on merkittäviä vaikutuksia vihreän vedyn tuotannon taloudelliseen kannattavuuteen. Useat tekijät vaikuttavat tähän tehokkuuteen, mukaan lukien:

• Järjestelmässä ylläpidetty käyttölämpötila, paine ja veden puhtaus, jotka on mitattava tarkasti
• Ylijännite tarvitaan ohjaamaan reaktioita halutulla nopeudella 
• Ohmiset häviöt, jotka johtuvat elektrolyytin sisällä olevien ionien siirtovastuksista 
• Massakuljetusrajoitukset, jotka säätelevät reagenssien saatavuutta elektrodien pinnoilla 

Näiden muuttujien optimointi vaatii huolellista materiaalin valintaa, elektrodiarkkitehtuurin suunnittelua sekä kaikkien asiaankuuluvien parametrien mittausta ja ohjausta. Tällä hetkellä saatavilla olevien elektrolyysitekniikoiden joukosta PEM- ja alkalielektrolysaattorit ovat teknologisesti kypsimmät ja yleisimmin käytetyt.

PEM-elektrolysaattorit, joille on tunnusomaista kiinteän polymeerikalvon käyttö elektrolyyttinä, tarjoavat useita etuja verrattuna teknologioihin, joissa käytetään nestemäistä elektrolyyttiä, kuten suurempi energiatehokkuus, nopeammat vasteajat tehonsyötön vaihteluihin ja kompakti rakenne. Näiden ominaisuuksien ansiosta PEM-elektrolysaattorit soveltuvat hyvin integroitaviksi ajoittaisten uusiutuvien energialähteiden, kuten aurinko- ja tuulivoiman, kanssa, sillä niiden teho voi vaihdella merkittävästi. Ne ovat myös tyypillisesti laboratorioiden ja muiden vastaavien toimintojen valinta, joissa painotetaan korkean puhtauden loppukäyttöä.

Nestemäistä elektrolyyttiä sisältävät emäksiset elektrolysaattorit eivät ole yhtä tehokkaita, mutta ne maksavat vähemmän, niiden käyttöikä on pidempi ja veden puhtaus on pienempi kuin PEM-versioissa. Nämä tekijät tekevät niistä houkuttelevia suuremmissa vihreän vedyn tuotantolaitoksissa, joissa kustannukset ja mittakaava ovat etusijalla. 

Muita kehitteillä olevia teknologioita ovat korkean lämpötilan tai kiinteiden oksidien elektrolyysi ja anioninvaihtokalvo. Jokaisella on sovelluksesta riippuva kilpailudynamiikkansa vedyn tuotantoteknologian kilpailussa.

Huolimatta vetovoimastaan ​​koko arvoketjuun ulottuvana kestävänä polttoaineena vihreän vedyn tuotanto asettaa useita haasteita.

Ensinnäkin tuotanto elektrolyysillä - erityisesti PEM-elektrolysaattoreilla - on kalliimpaa kuin harmaan ja sinisen vedyn tuotanto höyrymetaanireformoinnilla tai autotermisellä reformoinnilla. Lisäksi vety on vähemmän energiatiheää kuin maakaasu ja muut fossiiliset polttoaineet, ja vedyllä toimivien prosessien kustannukset ylittävät fossiilisten polttoaineiden kustannukset energiayksikköä kohden.

Elektrolysaattorin hyötysuhde on korkea - noin 70 % - uusimpien teknologioiden, kuten kiinteiden oksidien elektrolyysikennojen (SOEC) ennustetaan tarjoavan vieläkin suuremman hyötysuhteen. Kuitenkin, kuten kaikissa järjestelmissä, laitoksen kokonaistehokkuus ei riipu vain käytetystä tekniikasta, vaan myös laitoksen tasapainosta vedyn jäähdyttämisessä, kuivaamisessa, käsittelyssä ja puristamisessa. Lisäksi elektrolyysin kannattavaan mittakaavaan tarvittava uusiutuvan energian tarjonta puuttuu, mikä edellyttää lisäinvestointeja infrastruktuuriin.

Vedyn kuljetus ja varastointi on logistisesti monimutkaista, koska siihen tarvitaan erikoistunut infrastruktuuri, kuten putkistot ja varastosäiliöt, jotka on suunniteltu tämän helposti syttyvän yhdisteen käsittelyyn. Nykyinen infrastruktuuri on suunniteltu ensisijaisesti maakaasulle, ja valitettavasti sen muuttaminen ei käy saumattomasti vedyn ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi. Vetyatomit ovat elementeistä kaikkein pienimmät, joten kaksiatominen vetykaasu edellyttää kehittyneitä putkistoa, venttiiliä ja tiivisteitä vuotojen estämiseksi. Se voi myös heikentää monia metalleja, kun atomit juuttuvat sisärakenteeseen, mikä alentaa kuormituskynnystä ja kiihdyttää halkeilua sopimattomissa materiaaleissa.

Näiden ongelmien ratkaiseminen edellyttää strategista suunnittelua, taloudellista tukea sekä kansallisvaltioilta että yksityisiltä sidosryhmiltä ja myös jatkuvia teknologisia innovaatioita. Taloudellisesta vastatuulesta huolimatta elektrolyysilaitteiden käyttöönotto alkaa kiihtyä. Vuoden 2022 loppuun mennessä vedyn tuotantoon tarkoitettujen elektrolyysilaitteiden maailmanlaajuinen kapasiteetti oli lähes 11 GW ja kapasiteetin odotetaan nousevan 170–365 GW:n suuruusluokkaan vuoteen 2030 mennessä.

Lisäksi elektrolysaattorien optimointitoimien ennustetaan laskevan kustannuksia mittakaavan, oppimisen ja tehokkuuden ansiosta tulevina vuosikymmeninä. Tähän sisältyy uusiutuvien energialähteiden suuremman energian talteenoton kohdistaminen sekä toiminnan aikana tapahtuvien sisäisten energiahäviöiden talteenotto. Rinnakkaiset tekniikat, kuten vetypolttokennot - jotka ovat käytännössä käänteisiä elektrolysaattoreita - nousevat tämän siirtymän aikana saadun edistyksen ja taitotiedon ansiosta aallonharjalle.

Tuotannon lisäksi erityisen vetyinfrastruktuurin tarve on myös kriittinen. Vedyn kasvava elinkelpoisuus vaihtoehtoisena energialähteenä on riippuvainen mekanismeista, joita tarvitaan energian jakamiseen ja muuntamiseen hyödyllisiin muotoihin.

Globaalin vedyn tarpeen odotetaan kasvavan seuraavien 20–30 vuoden aikana, mikä johtuu sen monipuolisuudesta energian kantajana ja sen potentiaalista ​​vähentää hiilidioksidipäästöjä vaikeasti vähennettävillä aloilla. Erityisesti kuljetus- ja sähköntuotantoteollisuus ovat valmiita ottamaan vihreän vetyenergian käyttöönsä puhtaana vaihtoehtona fossiilisille polttoaineille.

Kuljetusalalla vihreät vetykäyttöiset polttokennot tarjoavat lupaavan ratkaisun hiilineutraaliin kaupalliseen kuljetukseen, kuten kuorma-autoihin, linja-autoihin ja jopa lentokoneisiin. Tämä pätee erityisesti pitkän matkan kuljetuksiin, joissa akkukäyttöiset sähköautot kohtaavat toimintamatka-, tehontuotanto- ja painorajoituksia.

Teollisuudessa vety voi korvata fossiilisia polttoaineita energiaintensiivisissä prosesseissa, kuten teräksen, sementin ja ammoniakin tuotannossa, mikä pienentää hiilijalanjälkeä. Lisäksi energiasektorin odotetaan hyödyntävän yhä enemmän vihreää vetyä uusiutuvan infrastruktuurin laajentamisesta peräisin olevan energian varastoimiseen, mikä auttaa ratkaisemaan aurinko- ja tuulivoiman katkonaisuuteen liittyviä haasteita ilman akkujen energiatiheyteen ja heikkenemiseen liittyviä ongelmia.

Vetyä jopa sekoitetaan maakaasun jakelujärjestelmään ilmakehän hiilipäästöjen vähentämiseksi. Kaasulämmitteiset uunit, lämmitysjärjestelmät, kuivausrummut ja muut laitteet voivat polttaa maakaasua jopa 20 % vetysekoituksella, jota usein rajoittavat vain kaasuinfrastruktuurin määrittelemät kynnysarvot. Uudemmat kaasuturbiini- ja kaasumoottorimallit voivat nyt sekoittaa jopa 50 % vetyä maakaasuun polttoaineen lähteenä voimalaitoksissa ja joissakin pienemmissä turbiineissa jopa 100 % vetyä ilman maakaasun sekoitusta.

Espanjalainen monikansallinen sähköyhtiö Iberdrola on osoittanyt uskovansa ​​vetytalouteen kehittämällä yli 60 vihreää vetyprojektia maailmanlaajuisesti.. Nämä projektit kattavat useita toimialoja - mukaan lukien lannoitteiden tuotanto, vihreän ammoniakin synteesi ja raskaat kuljetukset - esitellen vihreän vedyn monipuolisuutta puhtaana energiaratkaisuna.

Iberdrola rakentaa Euroopan suurinta vihreää vetytehdasta, jota käytetään ensisijaisesti ammoniakin tuottamiseen lannoitteeksi, mikä pienentää tämän hiili-intensiivisen teollisuuden ekologista vaikutusta. Tämä historiallinen projekti korostaa vihreän vedyn potentiaalia vähentää hiilidioksidia haastavimmillakin aloilla.

Hallituksen aloitteilla on myös ratkaiseva rooli vihreän vedyn käyttöönoton nopeuttamisessa. Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) HyBlend-aloite edistää vihreää vetyä tutkimalla, miten vetyä voidaan turvallisesti sekoittaa maakaasuun ja kuljettaa olemassa olevien putkien kautta. Se keskittyy putkistojen yhteensopivuuteen, materiaaliturvallisuuteen ja kustannusten alentamiseen, mikä tekee vihreän vedyn jakelusta edullisemman ja skaalautuvamman.

Vihreä vety on puhtaan energian vallankumouksen kulmakivi ja sen rooli tulee olemaan yhä tärkeämpi teknologian kehittyessä. Sen potentiaalin hyödyntäminen edellyttää kuitenkin nykyisten tuotannon, varastoinnin, kuljetuksen ja infrastruktuurin haasteisiin vastaamista. Tämä edellyttää lisäinvestointeja tutkimukseen ja kehitykseen, julkisten ja yksityisten toimijoiden välistä strategista yhteistyötä ja valtion politiikan tukemista.

Uusiutuvan energian ja vetyinfrastruktuurin kehittyessä, elektrolyysin tehokkuuden kasvaessa ja politiikan edetessä vihreän vedyn tuotantokustannusten pitäisi laskea, mikä ratkaisee toisen ensisijaisen esteen laajalle levinneelle elinkelpoisuudelle. Se edellyttää, että yritykset ajattelevat enemmän tulevaisuutta ja myös korkeamman tason aloitteita, jotka tasoittavat vetytalouden tietä kunnianhimoisilla hankkeilla ja innovatiivisilla ratkaisuilla, jotka puolestaan vähentävät maailmanlaajuisia hiilidioksidipäästöjä kestävämmän tulevaisuuden puolesta.