Tulevaisuuden vety, osa 1: Vedyn tarve on paljon odotettua suurempaa

Energiankulutus jatkaa kasvuaan, ja siksi myös fossiilisten energianlähteiden käyttöä on vaikea saada supistumaan. Vetyteknologia voisi ratkaista energiaongelman, mutta nyt tarvitaan investointeja todella isoihin vedyntuotantoon keskittyviin energiapuistoihin ja voimalaitoksiin. Rauli Partasen vetyä käsittelevän juttusarjan ensimmäinen osa.
Ensimmäinen Alankomaissa testauksessa oleva vetyjuna oli esillä ja avoinna yleisölle maaliskuussa 2020. Juna on äänetön ja tuottaa päästöinä vettä. Junien on tarkoitus aloittaa liikennöinti vuonna 2024. Kuva: Sander van der Werf / Shutterstock

Tämä on ensimmäinen osa juttusarjassa, jossa käsitellään vedyn tarvetta, tuotantokustannuksia ja niiden madaltamista.

Useimmat valtavirran energiaskenaariot johtavat pahenevaan ilmastokatastrofiin. Vaikka uusiutuvia rakennettaisiin ja yhteiskuntia sähköistettäisiin massiivisella vauhdilla, kokonaisenergian kulutus kasvaa.

Vaikka fossiilisten suhteellinen osuus energiapaletissa saataisiin tippumaan nykyisestä, noin 85 prosentin tasosta 60-70 prosenttiin, olisi fossiilisten absoluuttinen käyttö edelleen nykyisellä tasolla.

Ilmastonmuutoksen kannalta tämä tarkoittaa 3-4 asteen lämpenemistä tällä vuosisadalla, jolla on erittäin rajuja seurauksia niin ihmisille, yhteiskunnille kuin luonnolle. Vähemmänkin energiaa kuluttavia skenaarioita on, mutta kuten aiemmin Verdessä kirjoitin, on hyvä ottaa huomioon myös skenaarioita, joissa kaikki ei mene kuten haluamme ajatella.

Maailman primäärienergialähteet IEA:n ”Stated Policies” -skenaarion mukaan. (IEA WEOA 2018). Lähde: LucidCatalyst 2020


Iso osa fossiilista polttoaineista poltetaan sähköntuotannon ulkopuolella, niin sanotuilla vaikeasti puhdistettavilla sektoreilla. Näihin kuuluvat monet teollisuuden prosessit, maakaasuverkot, kansainvälinen meri- ja lentoliikenne, pitkän matkan tiekuljetukset, teräs- ja metalliteollisuus, kemianteollisuus ja sen raaka-aineet ja niin edelleen.

Miten tämä karkeasti kahden kolmanneksen fossiilisten polttoaineiden osuus energiapaletissamme sitten voidaan puhdistaa? Yksi lupaavimpia vaihtoehtoja on vähäpäästöisesti tuotettu vety sekä siitä jalostetut polttoaineet. Jos se ei onnistu puhtaalla vedyllä, on epätodennäköistä, että se onnistuu millään muullakaan keinolla.

Ensimmäiseksi on syytä pitää mielessä, että urakka on aivan valtava. Tuleva tarve puhtaalle vedylle on paljon isompi kuin esimerkiksi nykyinen sähkönkulutuksemme.

Kunnianhimon puutos

Vetytaloudesta ja puhtaasta vedystä on viime aikoina puhuttu paljon, mutta aihetta on lähestytty takaperoisesti. Vedyntuotantoa on esitetty ratkaisuksi tuuli- ja aurinkosähkön vaihtelevaan tuotantoon ja ajoittaiseen ylituotantoon.

Ylituotannon käyttö johonkin järkevään, kuten vedyn tuotantoon elektrolyysillä, auttaisi suurempien tuuli- ja aurinko-osuuksien integroimista sähköverkkoon. Vety on siis nähty ratkaisuksi vaihtelevatuottoisten uusiutuvien ongelmiin.

Tähän tarkoitukseen elektrolyyserit toki sopivat varsin hyvin, mutta tämä ei riitä. Todellinen tarpeemme on nimittäin massiivinen puhtaan ja edullisen vedyntuotannon kasvattaminen.

Jos vetyä tehdään sään mukaan vaihtelevan sähköntuotannon satunnaisesta ylituotannosta sähköjärjestelmässä, joka kokonaisuutenakin on tarvittavaa vedyn tuotantomittakaavaa pienempi, on ratkaisu vain murunen tarvittavasta. Tämä lähtökohta on parhaimmillaankin kunnianhimoton, ja pahimmillaan jopa vastuuton.

Pienemmän energiajärjestelmän (sähköjärjestelmä) satunnaisella ylituotannolla ei voida korvata isompaa energiajärjestelmää (neste- ja kaasumuotoiset polttoaineet). Tuulen ja auringon tuotannon kapasiteettikerroin (eli keskimääräinen aika, jonka ne toimivat täydellä teholla vuoden aikana) on muutenkin melko matala, jos tavoitteena on jatkuvalla syötöllä tehokkaasti pyörivät vedyntuotantolaitokset.

Jos tästä tuotannosta käytetään vain aivan huipputunnit, jotka muuten päätyisivät ylituotannoksi, jää elektrolyysereille todella vähän ajotunteja vuodessa. Lisäksi, mikä ilmaiselle ylijäämäsähkölle ilmaantuu käyttäjä, se ei enää ole ilmaista ylijäämää, vaan sille muodostuu hinta.

Jos tätä hintaa ei ilmaantuisi, kuka investoisi uuteen tuotantoon, jos kerran merkittävä osa tuotannosta päätyy ylijäämäksi ilman arvoa? Tässäkään asiassa ilmaista lounasta ei ole.

Lähtökohdaksi todellinen haasteen suuruus

Jättäkäämme siis ylijäämäsähkön näkökulma ja katsotaan toisesta suunnasta: paljonko puhdasta vetyä ja synteettisiä polttoaineita tarvitsemme, jotta fossiiliset ja niiden aiheuttamat päästöt voidaan syrjäyttää?

Tästä lähtökohdasta koko ongelma, ja vetykeskustelu, näyttää aivan toisenlaiselta. Mittakaavaltaan pienehkön ylijäämätuotannon ongelman ratkomisen sijaan meillä onkin valtava, lukuisia yhteiskunnan sektoreita koskeva päästöongelma.

Maailman mittakaavassa puhutaan sadoista eksajouleista joka vuosi poltettavia halpoja fossiilisia polttoaineita. Ratkaisujen pitää skaalautua paljon isommiksi, mitä useimmat ovat ehdotelleet tai edes osaavat kuvitella. Tarvitsemme massiivisia, gigawattien tai jopa kymmenien gigawattien kokoisia vedyn ja muiden sähköpolttoaineiden tuotantoon yksinomaan keskittyviä energiaprojekteja.

Puhtaan vedyn tuotantokustannuksen pitää myös pudota nopeasti. Jo lähivuosina kustannus olisi syytä saada alle 1,5 dollariin kilolta, ja 2030 luvun kuluessa alle yhteen dollariin kilolta, jotta fossiilisten polttoaineiden korvaaminen isossa mittakaavassa ja ilmaston kannalta riittävän nopeassa aikataulussa voi onnistua.

Tämä on paljon pyydetty, mutta juuri siksi siitä pitää keskustella oikeassa mittakaavassa.

Aivan oma tuotantojärjestelmä

Puhtaan vedyn ja sähköpolttoaineiden tarve on siis paljon suurempi kuin esimerkiksi nykyinen sähköjärjestelmämme. Niinpä sen ajatteleminen sähköjärjestelmän ”alijärjestelmäksi” ei ole järkevää. Se on vähän kuin suunnittelisi uuteen taloon muuttoa, ja muuttotavaroille olisi varattu hansikaslokero, vaikka tarve olisi isolle pakettiautolle.

Vetytaloutta ja vedyntuotantolaitoksia täytyykin ruveta suunnittelemaan omina energiajärjestelminään.

Toki esimerkiksi sähköverkkoon voi olla yhteys mikäli se on molempien järjestelmien kannalta hyödyllistä, mutta pelkästään yleisen sähköverkon käyttäminen tarvittavien energiamäärien siirtämiseen ei välttämättä ole järkevää. Sähköverkossa ja sen siirtokapasiteetissa on pullonkauloja, ja se on alun perin suunniteltu ja rakentunut hieman erityyppistä käyttöä varten.

Tarvitsemme isoja vedyntuotantoon keskittyneitä energiapuistoja tai voimalaitoksia, maalle tai merelle, jotka tuottavat useiden gigawattien teholla vetyä ja muita sähköpolttoaineita. Näitä tuotteita voidaan helposti kuljettaa jopa ympäri maailmaa, aivan kuin nytkin tehdään öljynjalosteiden kanssa. Vastaava mittakaava on esimerkiksi öljykenttien tuotannossa, tai vaikka Tanskan sähköjärjestelmässä.

Projektin näkökulmastakin tämänkaltainen ehdotus on aika poikkeuksellinen. Mittakaava on ensinnäkin melko iso tavanomaisiin, usein jo melko suuriin, energiahankkeisiin verrattuna.

Isossa mittakaavassa toimiminen ja sarjatuotanto ovat kuitenkin perusehtoja sille, että tuotannon hintaa saadaan painettua riittävän alas. Se puolestaan avaa uusia käyttökohteita ja korvaa fossiilisia polttoaineita tehokkaammin. Koska tuotteet liikkuvat sekä tankkereissa että putkia pitkin varsin helposti, ovat markkinat maailmanlaajuiset.

Isollekin määrälle tuotantoa löytyy kyllä kysyntää, kunhan hinta on kohtuullinen. Näitä riittävän ison mittakaavan energiapuistoja ja mm. puhtaan vedyn kustannustasoa tarkastellaan tarkemmin myöhemmissä osissa.

 

Tiedot raportista Missing Link to a Livable Climate – How Hydrogen-enabled Synthetic Fuels Can Help Deliver the Paris Goals. LucidCatalyst 2020. Jutun kirjoittaja on ollut mukana  raportin taustajoukossa.

Tuoreimmat arviot ilmaston lämpenemisen seurauksista: Mark Lynas: Our Final Warning: Six Degrees of Climate Emergency.

Rauli Partanen

Kirjoittaja on energia-asiantuntija ja tiedekirjailija

31.1.2021 17:51

5 Kommentit

  1. Kiitos mielenkiintoisesta artikkelista ja jo nyt kiitos tulevista jaksoista.
    Yhdestä asiasta olen kuitenkin eri mieltä, joka näkyy kirjoituksessani “Tuulivoima ja vetyteknologia tarvitsevat toisiaan“.
    Haluat vetytuotannon tueksi suuren määrän tasaista sähköntuotantoa erillisena järjestelmänä ja niin, ettei sähköä tarvitse siirtää kantaverkossa. Tarkoitat ilmeisesti, että tätä varten rakennettaisiin tuhansia megawatteja ydinvoimatehoa, koska muuta tällaista päästötöntä energiaa ei ainakaan minun tiedossani ole ole.
    Ei kannata lyödä kiinni toteutustapaa vaan etsiä taloudellisesti edullisin ratkaisu.
    Sinun ratkaisussani ongelmana on sähkön korkea hinta ja se, ettei elektrolyysissä syntyvää merkittävää hukkalämpöä voida käyttä kaupunkien lämmittämiseen, vaan se menee harakoille.
    Tuulivoiman nykyinen energiahinta on noin 30 €/MWh kun taas halvin ajateltavissa oleva hinta suurille ydinvoimaloilla on 50 €/MWh, eikä sekään taida riittää. Britanniassa ydinvomalalle turvattiin takuuhintana yli 100 €/MWh.
    Kerrot, että vetyä on helppo kuljettaa. Silloin sitä ei ehkä kannata tehdä Suomessa lainkaan, koska jo Espanjassa aurinkosähkö on halvempaa kuin mikään sähkö Suomessa.
    Otat tavoitteeksi, että vedyn hinta saataisiin lasketuksi yhteen dollariin kilolta. Kun sen tuottamiseen menee noin 42 kWh (oletettu hyötysuhde 80 %,) sähkön hinnalla 50 €/MWh pelkän sähkön osuus tuotantokustannuksista tulisi olemaan 2,1 €/kg.
    Siksi voi olla, että on halvempaa ylimitoittaa eletrolyysin kapasiteetti ja varautua varastoimaan vetyä säävaihtelujen vuoksi ja tehdä vety halvemmalla tuulisähköllä.
    Vielä tätäkin halvemmaksi tulisi käyttää pörssisähköä ei optimoida vedyntuotanto kaiken muun sähkön kulutuksen kanssa. Hyvä arvaus olisi, että 20 €/MWh pörssisähköä saisi noin 3000 tuntia vuodessa eli noin kolmanneksen ajan. Suunnilleen sille tasolle siis muodostuisi pörssisähkön lattiahinta, jos vedyn tuotanto käynnistyisi aina, kun sähkön hinta muuten laskisi alemmas.

    Suomessa on tällä hetkellä vireillä tuulivoimahankkeita 18 000 MWh:n nimellitehon verran, jolloin se vastaa energiamäärältään 6000 MW ydinsähköä. Mistään pienistä marginaalisista virroista ei siis olisi kyse.

    Elektrolyysin hyötysuhde on noin 80%, jolloin 6000 MW:sta eletrolyysitehoa muodostuisi noin 1200 MW hukkalämpöä. Ilmasto kiittäisi, jos siitä tehtäisiin kaukolämpöä. Tämä myös alentaisi vedyn tuotantokustannuksia, sillä kaupunkien energialaitokset olisivat valmiit maksamaan tuosta hukkalämmöstä ihan hyvin.

    • Osmo, kannattaa huomioida opex ja capex. Jos katsotaan vetyprojektin kokonaiskustannuksia, elektrolyyserin käyttötunneilla on valtava vaikutus. Jos oletetaan Suomessa vallitsevat keskimääräiset käyttötunnit ydinvoimalle ja tuulivoimalle, tuulisähkön tuotantokustannus €30/MWh vastaa tuotetun elektrolyysivedyn kustannuksissa jotakuinkin ydinsähkön €50/MWh:a.

    • Kun katsoo pörssisähkön hintaa viimeisen vuoden ajalta kuukausittain ryhmiteltynä, erot halvimman ja kalleimman osalta on yli tuplasti: https://www.ksoy.fi/sahkon-myynti/hintahistoria-graafi

      Tuulisähkön lisääminen tullee vastaavasti lisäämään vaihteluiden voimakkuutta, myös päivän sisällä (yöllä halpaa, päivällä kalliimpaa). En tiedä paljonkaan vedyn tuottamisen investointien ja kiinteiden kulujen suuruudesta, että paljonko Vesan mainitsemat Opex ja Capex ovat, mutta oletan että sähkön hinta on erittäin merkittävä toiminnan kannattavuuden kannalta.

      Ainakin äkikseltään ajateltuna vakaa ja ennustettava hinta tuntuisi paljon turvallisemmalta pohjalta lähteä suunnittelemaan investointeja ja pitkäaikaista liiketoimintaa, varsinkin kun fossiilisia pyritään korvaamaan monessa muussakin paikassa sähköenergialla (esim. teräksen tuotannossa vetypelkistystekniikan käyttöönotto). Ns. toimistotunteina sähkölle löytyy varmasti ottajia ja kilpailua muutenkin, joten niissä voi olla ennemminkin painetta hinnan nousulle tulevaisuudessa. Ja se vastaavasti tosiaan vielä enemmän suhteellista vaihtelua hinnassa esim. päivän sisällä.

      Toki voisi miettiä että vetyä tuotettaisiin pääasiassa öisin ja kesäisin kun pörssisähkö on halpaa, ja laitetaan laitokset seisokkiin talvikuukausina, mutta miten pitkäksi investoinnin takaisinmaksuajat ja kiinteät kustannukset nousevat tällä strategialla.

      En siis sano että sähkö on pakko tehdä ydinvoimalla, mutta mietin vain miten sähkön tuotantomarkkinat näyttävät kehittyvän olettaen että niissä pyritään puhtaaseen ja uusiutuvaan energiaan, ja toisaalta mitenhyvin se vastaa teollisuuden tarpeita. Äkikseltään ajateltuna ydinvoiman vakaasta ja kiinteähintaisesta tuotosta voi investointien kannalta olla järkevää maksaa sähköpörssin keskiarvohintaa huomattavastikin korkeampaa hintaa.

      Mutta no, saa nähdä. Mielenkiinnolla odotan Rauli Partasen tulevia osioita.

  2. Kiitos myös hyvästä artikkelista myös omasta puolestani!

    Kirjoittaja on oikeassa siinä, että sähköntuotannon “huipputuntien” tms. “ylijäämäsähkön” varaan vedyntuotantoa ei voi laskea ja että vaadittava mittakaava on käsittämättömän suuri.

    Ehdotetusta toteutustavasta haluan kuitenkin nostaa joitain huomioita.

    Tuulivoimaprojektien (onshore) suuruuden ekonomia alkaa olla saavutettu n. 100 MW nimellistehon suuruisissa projekteissa. Elektrolyysillä tämä raja tulee n. 20 MW:n kohdalla. Eli mittavia kustannussäästöjä ei tuon kokoluokan jälkeen enää ole saatavissa.

    Elektrolyysilaitosten hinta (CAPEX, rahoituksineen) muodostaa nykyisin arviolta n. 30% vedyn tuotantokustannuksista, mutta laskee tulevina vuosina nopeasti ja voimakkaasti teknologian, tuotantotekniikan ja investoinnin luotettavuuden (ja so. halvemmalla saaman lainan) ansiosta. Tämä tulee keventämään paineita saada laitokselle korkea käyttöaste, vaikka toki siitä aina hyötyä olisi.

    Sektori-integraatio – eli yhtäältä se, että vedyntuottaja voi tehdä bisnestä myös tuottamallaan uusiutuvalla lämmöllä sekä myydä vetyä niin teollisuuden raaka-aineeksi kuin autojen polttoaineeksi, ja toisaalta se, että sähkömarkkina saa vedyntuotannosta yhden merkittävän, joustavan ja maksukykyisen ostajan (sekä mahdollisesti varastoijan) – edellyttää, että järjestelmät ovat kontrolloidusti ja sujuvasti toisiinsa yhteydessä. Eriytetyillä järjestelmillä menetetään kaikki nämä hyödyt, joilla on positiivinen vaikutus niin energia- ja ilmastomielessä kuin sähkön siirtoinfran vakauden kannalta ja lopulta taloudellisestikin.

    Vedyn kuljettaminen (ja varastoiminen) ei ole helppoa eikä halpaa – vetylogistiikan haastavuus on yksi koko vetyalan kehittymistä eniten hidastanut tekijä. Tässä kirjoittajan kannattaa tarkistaa lähteensä.

    Mielenkiinnolla odotan jatko-osia 🙂

    -Antti

    • Antti sanoi asian juuri niin kuin ajattelen.

Lähetä kommentti