VETYTALOUS – HIILINEUTRAALI VAIHTOEHTO ENERGIANMUUNTOON HELSINGISSÄ

Alunperin tarkoitus oli osallistua tällä ehdotuksella Helsingin kaupungin järjestämään Energy Challenge -kilpailuun, jossa etsittiin kaupungin tulevaisuuden lämmöntuotantoon ratkaisuehdotuksia. Elämän ja kuoleman Herra puuttui kuitenkin tähän asiaan ja menetin pitkäaikaisen työparini, jonka kanssa olisimme tehneet tämän alla esitetyn ehdotuksen järjestettyyn kilpailuun. Yksityiskohtien hiominen on ikävää touhua yksin ja varsinkin suruaikana. Muutamaa viikkoa ennen deadlinea sain tähän työhön mukaan insinööri Mikko Wikstedtin. Aikatauluni syksyn osalta olivat jo pitkälle lyöty lukkoon ja ehdotuksen viimestelyyn ei jäänyt aikaa. Palautuspäivä oli käsillä ja yksinkertaisesti aikani ei rittänyt. Olin kiireessä katsonut palautusajankohdaksi klo 24, mutta se olikin klo 16 mennessä. Näin tällä kertaa, mutta ehdotukseni jääköön elämään näille verkkosivuille. Omistan tämän kirjoituksen työparilleni, joka ei nähnyt työn viimeistä versiota. Energiataloudelliset laskelmat ja kokonaiskustannusarviot tähän liittyen jääköön arkistooni. Markku Saarikankaan muistolle.

Malminkartanossa 21.10.2020

Marko Ekqvist, energiatalouden ja ympäristötekniikan DI

Hiiletön tulevaisuus

Päästäkseen hiilettömään energiamuuntoon on yhteisöjen toimittava ja otettava käyttöön sellaista teknologiaa, joka mahdollistaa teknistaloudellisten reunaehtojen vallitessa kokonaan uuden teknologian käyttöönoton. Elämme tällä hetkellä hiilitalous aikaa, jossa lähes kaikki suuren mittakaavan energiaratkaisut perustuvat fossiilisiin polttoaineisiin.

Tässä esittämämme idea pohjautuu vetyteknologian laajamittaiseen ja suurmittakaavaiseen hyödyntämiseen ja käytännössä sen avulla voidaan korvata hiilen käyttö (myös muut fossiiliset polttoaineet) nykyisen energiamuunnon primäärienergialähteenä. Ehdotus ei suoraan sulje pois muitakaan vaihtoehtoja, mutta pitkällä tähtäimellä tämä lienee ainoa teknisesti käyttökelpoisin tapa tuottaa energiaa tulevaisuudessa.

Energiateollisuudessa teknologioiden siirtymäajat ovat pitkiä ja siihen on monia syitä. Infrastruktuuri itsessään ja tehdyt investoinnit ovat mittavia ja käyttöiältään useita vuosikymmeniä. Tarkasteluajat ovat pääsääntöisesti energiasektorilla 15-25 vuoden mittaisia ja mikäli halutaan isoja muutoksia olemassa olevaan teknologiaan energianmuunnossa, niin asioita tuleekin valmistella useita vuosia aiemmin, ennen kuin voidaan järkevällä tavalla siirtyä uuteen teknologiaan.

Teknisesti kypsää teknologiaa

Teknisesti vetyteknolgia on jo varsin hyvin tunnettua ja maailmalta löytyy jo toiminnassa olevia tuotantolaitoksia ja jakeluverkostoja. Vetyteknologiaa voidaan hyödyntää niin hajautetun energiantuotannon, kuin keskitettynäkin, jolloin voidaan hyödyntää jo olemassa olevaa energiajärjestelmän infrastruktuuria.

Vety soveltuu yhdessä metaanin kanssa poltettavaksi CHP voimalaitoksissa (yhdistetty lämmön ja sähkön tuotantolaitos). CHP-minivoimalaitoksia voidaan hajasijoittaa lähelle kulutuskohteita. Lämmön lisäksi näissä pienvoimalaitoksissa voidaan tuottaa sähköä.

Uusiutuvien energialähteiden, maalämpö mukaanlukien, energiajärjestelmä skaalautuu hajautetun teknologiansa ansiosta tarpeen mukaisesti ja näin ollen suurten yksiköiden rakentamisesta voidaan luopua. Energiansiirtohäviöiden minimoimisen kannalta tämä on oleellinen ero aikaisempaan keskitettyyn muuntotapaan verrattuna.

Vetyteknologian käyttöönotto tarkoittaa käytännössä myös sitä, että koko energiajärjestelmä ja tapa, jolla olemme tottuneet tuottamaan sähköä ja lämpöä muuttuu. Suoran polttamisen lisäksi vetyteknologia tarjoaa mahdollisuuden käyttää polttoainetta myös polttokennoissa ja näin teknologian soveltamisala laajenee huomattavasti. Eräs merkittävin sektori lienee kuljetussektori, joka ei pärjää hiilineutraaliuskilvassa pelkästään turvautumalla akkuihin perustuvaan energian varastointiin.

Teknologia istuu suoraan vetyteknologian mahdollistamaan hajautettuun energianmuuntoon ja skaalautuu tarvittaessa sen mukaan, mikä on aina kunkin käyttökohteen suhteen tarkoituksenmukaisinta.

Mini-CHP laitokset

Mini-CHP laitosten modulaarisuus mahdollistaa skaalautuvuuden ja niissä voidaan käyttää polttoaineena eri lähteistä peräisin olevia metaanikaasuja. Biokaasua, metaania ja vetyä. Aina sen mukaan, mikä on kulloisenkin alueen muun infrastruktuurin kannalta järkevin tapa tuottaa näitä poltettavia/polttokennoissa käytettäviä kaasuja. Vetyä poltettaessa päästöjä ei synny. Myöhempään tarkasteluun kannattaa kuitenkin ottaa mukaan myös laitosyksiköiden ja vetytalouteen ylipäänsä liittyvät epäsuorat päästöt, joita syntyy joka tapauksessa, olipa kysymys sitten mistä tahansa energianmuuntoon liittyvästä prosessista tai laitoksesta.
Vedyn tuottamiseen voidaan valjastaa olemassa oleva uusiutuvien energialähteiden infrastruktuuri (tuulivoima, vesivoima ja aurinkovoima).

Muitakin ratkaisuja tarvitaan

Vetyteknologia ei yksinään ainakaan alkuvaiheessa (tarkastelujakso 2025 – 2035) ratkaise tai ole poissulkeva teknologia muihin tekniikoihin nähden. Yhdistettynä tuleekin samaan aikaan ottaa käyttöön tai edistää rakennusten energiatehokkuutta, älykkäitä ja oppivia säätöjärjestelmiä sekä tarpeenmukaisia ratkaisuja asuntojen lämmityksessä.

Lämpöpumpputeknologian käyttöönotto yhdessä maalämpöratkaisujen kanssa mahdollistaa uuden tavan varmistaa lämmöntuotannon riittävyys siirryttäessä uuteen hiilineutraaliin tapaan tuottaa tarvittava energia.

Helsingin hiilineutraaliustavoitteen aikataulu on kunnianhimoinen ja siksi onkin myös syytä tutkia myös modulaaristen pienydinvoimaloiden kaupallinen saatavuus tarkastelukauden 2025 – 2030 aikana, jolloin näitä yhdistelmäteknologioita voidaan käyttää siirtymäkausien aikana, jolloin varsinaista vetyteknologiajärjestelmää rakennetaan tai halutaan varmistaa, että lämmöntuotanto toimii häiriöttömästi.

Hiilineutraali energianmuunto mahdollistuu vetyteknologian avulla. Vetytalouteen siirtyminen on jo teknisesti mahdollista ja sen yksi vahvuus on, että siinä voidaan hyödyntää olemassa olevaa infrastruktuuria ja näin ollen niiden suhteen ei tarvita suuria investointeja. Alkuvaiheessa vetyä voidaan tuottaa maakaasusta höyryttämällä ja lisäksi olemassa olevaa tuuli ja aurinkosähkövoimalaitoskapasiteetti voidaan valjastaa tuottamaan vetyä varastoon.

Vedyn tuotanto

Vetyä voidaan tuottaa elektrolyysillä päästöttömillä energialähteillä, kuten tuulivoimalla, aurinkovoimalla, ydinvoimalla, vesivoimalla, aaltovoimalla tai vuorovesivoimalla. Vedyn tuottaminen keskitetyissä primaarienergialaitoksissa mahdollistaa tuotannon tehokkuuden ja suuren volyymin. Vedyn tuotanto onnistuu myös pienimittakaavaisesti.

Helsingin kaupunki tavoittelee hiilineutraaliutta vuoteen 2035 mennessä. Liikennesektorin osalta tämä tarkoittaa, että liikenteen hiilidioksidipäästöjen tulisi vähentyä 69 % vuoden 2005 tasosta. Vety ja polttokennoteknologia tarjoaa tähänkin ratkaisun.

Siirtymävaiheessa sähköautot tulevat olemaan ratkaisevassa asemassa ainakin henkilöautoilun yksityiskäytössä. Kuorma- ja pakettiautoille sekä muun ammattiliikenteen osalta vety on ainoa ratkaisu, joka tarjoaa päästöttömän, energiakapasiteetiltaan järkevän tavan liikkumiselle siirryttäessä nollapäästöihin myös liikennesektorin osalta.

Lähteet:
Hydrogen fuels rockets, but what about power for daily life? We’re getting closer March 11, 2019

Replacing hydrocarbons with hydrogen?
Posted on October 22, 2019 by MEGAN O’DONNELL