Tekniikan Maailma 1/01, Antti Kurkela

Kohti vedyn aikaa

"Kivikausi ei loppunut kivien loppumisen takia. Öljyn aika loppuu, mutta ei öljyn loppumisen takia", Saudi-Arabian entinen öljyministeri Sheikki Ahmed Zaki Yamani totesi viime syyskuussa. Vaikka öljyvarat eivät ennusteiden mukaisesti loppuisikaan, vedystä on tulossa sekä ympäristön että talouden kannalta järkevin ja lopullinen ratkaisu energiajärjestelmäksemme.

Tutuin energian siirtoaine on sähkö. Vetyä voidaan käyttää samaan tarkoitukseen. Kumpaakaan näistä ei esiinny missään vapaana, vaan niitä on jotenkin tuotettava. Sähköllä sinänsä voi tehdä vaikka mitä, kuten muuttaa se pyöriväksi liikkeeksi, mutta pitkien siirtomatkojen aikana tulee energiahäviöitä. Sähkö on myös korkeasta jalostusasteesta johtuen muita energiamuotoja kalliimpaa. Tämän vuoksi vety on tulossa sähkön rinnalle energiaa siirtämään.

Ilmalaiva Hindenburgin onnettomuus vuodelta 1937 on ollut suurimpia vetytalouden esteitä. Media kävi saksalaisten ilmalaivojen kimppuun kuumentuneessa kansainvälisessä tilanteessa: elettiin jo tapahtumia, jotka johtivat toisen maailmansodan syttymiseen. Filmillä näkyvät liekit kuitenkin syntyivät ilmalaivan kelluketankkien palavasta kankaasta ja moottorien polttoaineesta.

Syttymissyy lienee ilmalaivan ja maapotentiaalin välinen jännite, joka syntyi laivan leijuessa ankkuriköysien varassa. Vetyvuotoa ei ilmalaivalla havaittu. Se olisi todennäköisesti kyllä huomattu, sillä vety oli hajustettu valkosipulilla.

Onnettomuudesta selvisi hengissä 62 henkilöä ja 35 menehtyi. Tämä olisi hyvä selviytymisprosentti kerosiiniajan ilmaa raskaammilta lentokoneilta ja vastaavilta aluksilta maahansyöksyssä. Ilmalaivaa onkin jälleen viime vuosina alettu pitää hyvänä vaihtoehtona esimerkiksi tavarankuljettamiseen. Samoin vety bensiinin korvaavana polttoaineena on herättänyt melkoisesti mielenkiintoa autoteollisuuden piirissä.

Monia valmistustapoja

Vedyn valmistuskeinoja on useita. Elektrolyysissä vettä hajotetaan sähkövirran avulla alkutekijöihinsä vety- ja happikaasuksi. Koska alhainen jännite riittää, olisi tämä hyvä aurinkokennoilla tehdyn sähkön varastointi- ja siirtotapa. Toisaalta kennot tietenkin sijaitsisivat aurinkoisessa etelässä, joten siirtomatkasta teollisuusmaihin tulisi erittäin pitkä.

Aurinkokennotekniikan kehittyessä kennojen hinnat ovat laskeneet. Pitkällä tähtäimellä niiden käyttö vedyn tuottamiseen ei sinänsä vaikuta aivan mahdottomalta ajatukselta. Lisäksi kennot kestävät vuosikymmeniä, joten hinta muodostuu lähes kokonaan kennosysteemin valmistamisesta ja pystyttämisestä. Polttoainekustannuksiakaan ei aurinkokennojen käytöstä synny. Sijoituspaikan on oltava mahdollisimman hyvässä auringonpaisteessa, sillä mainituista eduista huolimatta riittävän kokoisen kennoston rakentaminen on joka tapauksessa kallista.

Tuulienergia on nykyisin jo melko kilpailukykyistä. Tuulivoimalla valmistetun vedyn siirtäminen tulisi aurinkokennolla tehtyä vetyä halvemmaksi. Samalla voitaisiin myös jossain määrin varastoida tuulienergiaa. Polttoainekustannukset ovat tietenkin tässäkin tapauksessa nolla, mikä voi olla hyvä asia polttoaineen hinnan ollessa epävakaa.

Vetyä voidaan valmistaa myös kaasusta tai muista hiilivedyistä, jopa kivihiilestä. Maakaasu koostuu enimmäkseen metaanista, joka on yksinkertaisin hiilivety. Monissa tapauksissa vetyä valmistetaankin aluksi maakaasusta. Tosin tällöin hiilen lämpöarvo menetetään, ja vedystä tulee vääjäämättä maakaasua kalliimpaa. Vety voidaan erottaa maakaasusta myös käyttökohteessa suhteellisen yksinkertaisella reformerilla. Vaikka tällöin ei voi puhua varsinaisesti vedyn käyttämisestä energian siirtovälineenä, olisi suunta oikea.

Nestemäistä polttoainetta on helppo käsitellä ja tankata autoihin. Tämän vuoksi ensimmäiset vetykäyttöiset autot saanevat tarvitsemansa vedyn metanolista, joka on kevein nestemäinen vetyä sisältävä yhdiste. Metanolia – joka on siis keveintä alkoholia – voidaan tehdä kivihiilestä, maakaasusta tai biomassasta. Hiilivaroja riittää pitkälle tulevaisuuteen, mutta niiden polttaminen perinteisillä tavoilla ei ole vedynaikan kannalta siedettävä ratkaisu. Mikäli kivihiilestä tehdäänkin metanolia, kivihiilen käytön hyötysuhde paranee ja osa epäpuhtauksista poistuu. Kaasuvarojakin on vielä reilusti jäljellä, mutta niiden kuljettaminen on nesteitä ongelmallisempaa.

Periaatteessa metanolin käsittely on hallinnassa ja sitä voidaan tankata autoilijoille tuttuun tapaan. Metanoli on tosin myrkyllistä ja syövyttää monia aineita, joten jakelulaitteistoa pitäisi uudistaa. Säilytys on kuitenkin huomattavasti helpompaa kuin vedyn säilöminen sellaisenaan. Varsinaisen vetytalouden sijaan toinen vaihtoehto on metanolitalous.

Vetyä on ajateltu valmistettavan myös bensiinistä. Bensiini sisältää kuitenkin melkoisen sekoituksen hiilivetyjä, ja pelkän vedyn irrottaminen siitä on hankalaa. Hyötysuhde jää huonoksi. Bensiinin ehdottomia etuja ovat käyttövalmis jakelujärjestelmä ja kaikesta huolimatta edullinen hinta. Toisaalta bensiinin käyttö ei vähennä riippuvuutta öljystä.

Kuljetus- ja säilytysongelmia

Vetyä on yhtä hankala varastoida kuin muitakin kaasuja. Oikeastaan vähän hankalampi, sillä pienen molekyylikokonsa takia se vuotaa herkästi. Ilmaan päässyt vety pyrkii kevyenä kaasuna haihtumaan vauhdilla ylöspäin, joten se muodostaa huonosti syttyvää seosta avoimeen tilaan. Haihtuminen on nopeaa, esimerkiksi Hindenburgin tapauksessa suurin osa ilmalaivan kellukkeen vedystä ei ehtinyt palaa, ennen kuin seos oli jo muuttunut liian ohueksi syttyäkseen.

Vety palaa nopeasti näkymättömällä, erittäin kuumalla liekillä ja palovaikutus kohdistuu ylöspäin. Palamisen vaikutus kudoksiin on korkeasta lämpötilasta huolimatta usein pienempi kuin esimerkiksi hiilivetyjen. Ainetta käsiteltäessä on noudatettava äärimmäistä varovaisuutta, mutta mihinkään hysteriaan ei ole tarvetta.

Nykyisillä kuitutankeilla voidaan vetyä paineistaa suhteellisen järkevästi ja taloudellisesti. Avaruusaluksissa on käytetty myös nesteytettyä vetyä. Nesteyttäminen vaatii maan päällä kuitenkin energiaa. Miinus 253-asteisen polttoaineen käsittely on lisäksi kallista ja vetyä haihtuu koko ajan tyhjöeristetyistä tankeista huolimatta. Suomessa valmistettiin muutama vuosi sitten nesteytetylle maakaasulle soveltuvia tankkereita, joilla rahdataan energiaa Arabian niemimaalta Japaniin. Nesteytetty vety liikkuisi suunnilleen samanlaisella aluksella.

Pienen molekyylikokonsa ansiosta vety saadaan sitoutumaan moniin metalleihin. Se aiheuttaa näihin metalleihin vetyhaurautta, minkä vuoksi ne ovat olleet aikaisemmin jokseenkin hyödyttömiä. Vety erotetaan seoksesta eli hydridistä lämmittämällä. Järjestelmä on usein vain turhan painava ja kallis, eikä se ole tällä hetkellä kovin lupaava ainakaan autokäytössä. Vetyä voidaan imeyttää vastaavasti myös hiileen.

Varastointimenetelmien viimeaikainen kehitys on tuonut puhtaan vedyn lähemmäs autoja, eikä sen käyttö niiden energianlähteenä vaikuta tällä hetkellä täysin mahdottomalta. Kaikilla mainituilla menetelmillä vetyä saadaan säilöttyä hieman alle kymmenen painoprosenttia säiliön painosta, mikä riittäisi jo 500 kilometrin ajeluun. Vedyn varastointitekniikat ovat kehittyneet siinä määrin, että pelkän vedyn käyttö auton polttoaineena näyttää järkevältä.

Vetyä voidaan lisätä myös maakaasun sekaan kymmenisen prosenttia ilman, että kaasua käyttäviä laitteita, kuten lämmittimiä ja helloja, tarvitsee muuttaa. Ennen kuin kaikki toimii vedyllä, maakaasun terästäminen on yksi hyvä vaihtoehto. Tällä tavalla voitaisiin käynnistää suurisuuntaiset elektrolyysilaitokset ilman, että vetyputkia tai varsinaista käyttöä vedylle vielä olisi. Sähkönlähteeksi sopisi esimerkiksi norjalainen vesi- tai tuulivoima. Kaasuputketkin ovat sopivasti valmiina.

Polttoa kennossa

Pelkkä vedyn polttaminen olisi sen korkean hinnan vuoksi haaskausta. BMW on esitellyt vetykäyttöisiä polttomoottoriautoja, mutta polttoaineen kalleuden vuoksi idea ei tunnu kovinkaan tuotantokelpoiselta. Lisäksi polttomoottorille tyypillisesti palotapahtumassa syntyy typen oksideja, joita on hankala poistaa.

Vedystä kannattaa tehdä sähköä polttokennolla, jossa vety yhtyy happeen ja reaktion seurauksena syntyy vettä. Palaminen on tietenkin määritelmältään aineen kemiallista yhtymistä happeen ja esimerkiksi auton ruostuminen voidaan määritellä niin, mutta minkäänlaista palamista liekkien muodossa ei polttokennossa tapahdu. Muilla kielillä laitteen nimi on polttoainekenno, joka kuvaa tapahtumaa paremmin.

Autokäyttöön tehtyjen kennojen reaktio toimii aina vedyllä ja ilmassa olevalla hapella. Reaktiossa voi olla mukana vedyn sidoshiiltä tai vaikkapa ilmakehän typpeä ja muita kaasuja, mutta varsinaiseen kennoreaktioon ne eivät osallistu.

Tosin tähänkin on poikkeus: kehitteillä on kiinteäoksidikenno, johon voidaan syöttää suoraan hiilivetyä ja muista kennotyypeistä poiketen myös hiilen osuudella voidaan tuottaa sähköä. Yhdistämällä polttokenno kombivoimalaan saadaan jopa 70 prosentin sähköhyötysuhde. Liikennevälineissä tätä kennotyyppiä sovelletaan mahdollisesti laivoissa, junissa ja kuorma-autoissa. Ensimmäiset sovellukset tulevat olemaan sotilaallisia.

Polttokennot keksittiin 1800-luvulla. Ne kehitettiin luotettavasti toimiviksi avaruusohjelmien tarpeisiin. Avaruusaluksien nestemäinen vety ja happi toimivat rakettipolttoaineena ja niillä tuotettiin polttokennoissa aluksen tarvitsema sähkö. Sähkön lisäksi kennoista saatiin juomavettä astronauteille.

Polttokennotekniikalla saadaan noin 40–50 prosenttia energiasta sähkönä. Kennotyypistä riippuen loppuosa on hyödynnettävissä lämmöksi ja kenno voidaan liittää sähköntuotannossa kombiprosessin osaksi. Koska polttokennosta ei synny käytännössä saasteita, kennot voidaan sijoitella hajalleen. Tällöin kenno voi olla esimerkiksi taloyhtiössä, jolloin se tuottaa käyttölämmön hukkalämmöstä ja sähkön paitsi yhtiön tarpeisiin, mahdollisesti myös myyntiin. Sähköllä voidaan sitten käyttää vaikka pientalojen lämpöpumppuja.
Autoissa kennon ja sähkömoottorin yhdistelmän hyötysuhde on kaupunkiliikenteessä huomattavasti perinteistä polttomoottoriautoa parempi.

Polttokennoauto on avainasemassa

Polttomoottori on tähän asti ollut ainut lähes ainut autojen voimanlähde. Tunnetut öljyvarat, jotka riittävät ennusteiden mukaan edelleen viideksikymmeneksi vuodeksi, alkavat kuitenkin olla hankalissa paikoissa ja niiden hyödyntäminen tulee kalliiksi. Öljyntuottajamaiden järjestön OPEC:n ulkopuoliset "mustan kullan" varat hupenevat, joten OPEC:n vaikutusvalta koko öljytaloudessa kasvaa entisestään.

Polttokennoauto kokoaa kaikki uudenlaiseen, entistä parempaan autoon tarvittavat palikat yhteen. Virtalähteestään huolimatta kyseessä on puhdas sähköauto. Vaikka aluksi käytettäisiin fossiilista alkuperää olevaa polttoainetta vedyn tuottamiseen, paranee hyötysuhde kuitenkin ratkaisevasti ja vetyä käyttävät kennot saadaan tuotantoon.

Hybridiautoksi kutsutaan yleensä polttomoottorin ja sähkömoottorin yhdistelmävoimanlähdettä. Hybridi, joka on siis eri asia kuin vetyä sisältävä yhdiste eli hydridi, tarkoittaa yleisesti sekasikiötä tai sekamuotoa, joten teoriassa muunlaisiakin yhdistelmiä voi olla. Sähkömoottorin koko voi vaihdella, mutta joka tapauksessa se on enemmän tai vähemmän sähköauto.

Mikäli polttoaineen kulutukselle suunnitellut erittäin tiukat rajat toteutuvat, hybridin käyttö on välttämätöntä suurissa ja keskikokoisissa autoissa kaupunkikulutuksen kurissa pitämiseksi. Samasta syystä polttokenno-akkuhybridi ei ole mikään huono ajatus: polttokennoa ei nimittäin voi käyttää jarrutuksen liike-energian hyödyntämiseen toisin kuin sähkömoottoria.

Polttokennon tie auton alle on ollut pitkä. Avaruuslennot eivät olleet kovinkaan kriittisiä kustannusten suhteen, mutta autot täytyy tehdä halvalla. Katalyyttinä tarvittavan platinan määrä on saatu vähenemään murto-osaan. Vielä kymmenen vuotta sitten platinaa ei olisi riittänyt autojen polttokennoistamiseen. Nyt raaka-aineita riittää, ja kennojen kilohinta on saatu pudotettua puolesta miljoonasta US-dollarista suunnilleen viidenkymmenen taalan tasolle.

Autojen polttokennoissa on platinaa, jotta voitaisiin käyttää hinnaltaan kohtuullista hiilivetypohjaista polttoainetta. Pelkän platinan hinta henkilöautoa kohden on tällä hetkellä noin 200 dollaria.

Polttokennojen koko ja paino on saatu aisoihin. Henkilöautoon riittävä kenno vie tilaa parin virvoitusjuomakorin verran ja saman verran tarvitsee metanolireformeri. Pisimmällä kehitystyössä lienee kanadalainen Ballard, jonka kanssa teolliseen yhteistyöhön ovat lyöttäytyneet DaimlerChrysler ja Ford. Myös GM:n puitteissa Opel on kehittänyt polttokennoa omiin malleihinsa.

Mercedes-Benz on esitellyt lukuisia polttokennoautojaan myös julkisesti ja tuotantoa suunnitellaan tämän vuosikymmenen puolivälissä. Tehtaan ilmoitus merkinnee sitä, että tekniset ja taloudelliset ongelmat on ratkaistu ja nyt rakennetaan lopullista tuotetta. Kohteena on todennäköisesti A-malli, jossa on jo suunnitteluvaiheessa varattu välipohjaan tilaa vaihtoehtoisille voimalaitteille. Joidenkin havaintojen mukaan kölipainon lisäys tekisi autolle hyvää.

Tavoite muutaman vuoden päässä

Energiatalouden muutoskausi tulee kestämään kauan ja joka tapauksessa vaihtoehtoisia polttoaineita on kohta useampia. Öljyn ylivallasta lienemme oppineet sen, ettei yhteen energialähteeseen kannata sokeasti luottaa. Sen murentuessa tulossa on todella mielenkiintoisia autotekniikan uutuuksia.

Ensimmäisenä polttokennovaihtoehtona markkinoille tullee Mersun linja-auto, joka voisi olla todellinen vaihtoehto myös Suomessa esimerkiksi metron sijaan. Polttokennolinja-autoja toimitetaan kahden vuoden päästä 1,25 miljoonan euron hintaan. Mukana seuraa varsin täydellinen huoltopaketti.

Polttokennotekniikalla varustetulle henkilöautolle on jo annettu arviohinta. DaimlerChrysler on kertonut tuovansa sellaisen markkinoille 2004, ja hinnan sanotaan olevan dieselauton luokkaa. Pienen kulutuksen takia polttoainekulut pysyvät niin ikään kurissa. Jaa, että mistäkö sitä polttoainetta saa? Ainakin Shelliltä, joka on ilmoittanut, että polttoainetta on saatavilla, kun autojakin on.

[sivun alkuun] [sisällys] [etusivu]