Tulevaisuuden vety, osa 2: Vety on kallis, mutta kiinnostava tulevaisuuden vaihtoehto

Öljynjalostus on suuri vedyn käyttäjä, joka valmistaa vetyä fossiilisista polttoaineista. Kuva: Pixabay

Rauli Partanen

tästä linkistä

Tuore selvitys, ”Missing Link to a Livable Climate – How Hydrogen-enabled Synthetic Fuels Can Help Deliver the Paris Goals” jaotteli puhtaan, elektrolyysillä tuotetun vedyntuotannon kustannukset neljään pääkategoriaan.Selvityksessä tarkasteltiin vedyntuotannon kustannuksia siihen nimenomaan tarkoitettujen isojen ja skaalautuvien hankkeiden kautta, syistä joista kirjoitin juttusarjan edellisessä osassa: Energiajärjestelmää, jonka tarvitsee kasvaa nykyistä sähköjärjestelmää isommaksi, ei kannata suunnitella toimimaan nykyjärjestelmän pienenä, ylijäämätuotantoa hyödyntävänä osasena.Tämä mittakaava sekä tähtäimenä oleva fossiilisten polttoaineiden korvaaminen on myös se syy, miksi selvityksessä ei tarkasteltu vedyn erottelemista maakaasusta, edes niin että vapautuva hiili otettaisiin talteen ja varastoitaisiin.Vedyntuotannon neljä merkittävintä kustannustekijää selvityksessä olivat:

Energiantuotannon kapasiteettikerroin (käyttötunnit vuodessa prosentteina koko vuodesta)

Energiantuotannon investointikustannus (CapEx $/kW)

Elektrolyysereiden energiatehokkuus (montako prosenttia syötetystä energiasta saadaan muunnettua vedyksi)

Elektrolyysereiden investointikustannus (CapEx $/kW)

Jokainen näistä vaikuttaa lopputuotteen, puhtaan vedyn, hintaan hieman eri tavoin. Tämä juttu avaa tätä vaikutusta tarkemmin. Energiantuotannon käyttötunnitKäytössä olevan energiantuotannon kapasiteettikerroin - käyttötunnit vuodessa prosentteina koko vuoden tunneista - on suurin vedyn hintaan vaikuttava yksittäinen tekijä.Kun käyrällä siirrytään korkean kapasiteettikertoimen (90%, kuten ydinvoima) energialähteestä puolet pienemmän kapasiteettikertoimen energialähteeseen (45%, kuten hyvällä paikalla oleva tuulivoima), nousee vedyn tuotantokustannus noin kaksinkertaiseksi, koska saman vetymäärän tuottamiseen tarvitaan karkeasti kaksi kertaa enemmän tuulivoimakapasiteettia ja elektrolyysereitä.Kun tuulivoiman kapasiteettikerroin puolitetaan erittäin aurinkoisen maan aurinkosähkön kapasiteettikertoimeen, noin 20 prosenttiin, kustannus kaksinkertaistuu taas. Suomessa tuotetun aurinkosähkön kapasiteettikerroin on keskimäärin noin 10 %, joten suomalaisen aurinkosähkön kustannus on vielä kaksinkertainen aurinkoisempiin seutuihin verrattuna. [caption id="attachment_7146" align="aligncenter" width="704"]

Kuva 1: Vedyntuotannon kustannuksen suhde energialähteen kapasiteettikertoimeen. Kuva: LucidCatalyst[/caption] Energian investointikustannuksetPuhtaan energian tuotantokustannus on myös tärkeä tekijä. Tässä yhteydessä se on pelkistetty investointikustannukseen $/kW eikä käyttökustannuksia ole otettu huomioon.Kuviossa on neljä käyrää, joista kukin kuvaa energialähteen investointikustannusta ensimmäisestä kuvasta tutulla kapasiteettikerroin-käyrällä. Korkealla kapasiteettikertoimella matalimman ja korkeimman ($1,500 ja $5,500 / kW) investointikustannuksen välillä vedyn tuotantokustannus noin kaksinkertaistuu, 2,3 dollarin kilohinnasta lähes viiteen dollariin.Matalammilla kapasiteettikertoimilla energiantuotannon investointikustannuksen vaikutus voimistuu. 40 % kapasiteettikertoimella halvimman ja kalleimman energialähteen kustannusero on myös lähes kaksinkertainen, kun hinta nousee lähes neljä dollaria per kg, 4,5 dollarista yli kahdeksaan dollariin. [caption id="attachment_7147" align="aligncenter" width="703"]

Kuva 2: Vedyntuotannon kustannuksen suhde energialähteen investointikustannukseen. Kuva: LucidCatalyst[/caption] Elektrolyyserin energiatehokkuusSelvityksessä oli mukana kaksi elektrolyyseri-teknologiaa, matalan (LTE) ja korkean (HTE) lämmön elektrolyysi.Korkean lämmön elektrolyysi vaatii 600–800 asteen höyryn käyttämistä, mutta toimii paljon paremmalla sähköstä vedyksi -hyötysuhteella. Matalan lämmön elektrolyyserit ovat jo kaupallisessa käytössä, ja niiden odotetaan yleistyvän vauhdilla, jolloin myös kustannukset alenevat.Korkean lämmön höyryelektrolyysi ei ole vielä kaupallisessa käytössä, mutta sen arvioidaan kaupallistuvan tämän vuosikymmenen alkupuolella. Suomessa korkean lämpötilan höyryelektrolyysereitä on kehittänyt esimerkiksi Valtion teknillinen tutkimuskeskus VTT. Selvityksessä teknologioiden hyötysuhteina käytettiin arvoja 64 % (LTE) ja 95 % (HTE). [caption id="attachment_7150" align="aligncenter" width="703"]

Kuva 3: Vedyntuotannon kustannuksen suhde elektrolyyserin energiatehokkuuteen. Kuva: LucidCatalyst[/caption] Elektrolyyserin energiatehokkuuden vaikutus hintaan on maltillisempi etenkin korkeammalla kapasiteettikertoimella, sillä kilohinnan eroksi jää teknologioiden välillä alle dollari. Mitä vähemmän vuosittaisia käyttötunteja kertyy, sitä suuremmaksi  hintaero kasvaa, tuulella pariin dollariin ja auringolla noin neljään dollariin hyvissäkin olosuhteissa.Tuuli- ja aurinkosähköä käytettäessä jostain pitäisi saada myös vähäpäästöinen kuuman höyryn lähde, kuten ydinreaktori, jos vetyä haluaisi tuottaa korkean lämmön elektrolyysin korkeammalla hyötysuhteella.Ydinreaktorilla voi tuottaa sekä höyryn että sähkön, tarpeen mukaan. Tuulivoimaloiden ja ydinreaktorin käyttö yhdessä on myös mielenkiintoinen mahdollisuus, sillä reaktori voi säätää tuottamansa höyryn ja sähkön suhdetta ja optimoida tuotantoa tuulisuuden tai sähkön markkinahinnan mukaan, mikäli tuotantolaitos on kytketty myös sähköverkkoon.Investoinnit elektrolyyseriinElektrolyyserit eivät ole ilmaisia. Tästä syystä niitä on tärkeää käyttää mahdollisimman monta tuntia vuodessa täydellä teholla. Elektrolyyserin investointikustannus vaikuttaa tämän suhteelliseen tärkeyteen.Alla oleva kuva vertaa kahta eri elektrolyyserin kustannustasoa, erittäin matala 250 $/kW ja kohtuullinen 750 $/kW. Kuten aiemmissakin kuvissa, suuret käyttötuntimäärät tuovat pienemmän hintaeron.Hintaero kasvaa, kun käyttötunnit vähenevät. Absoluuttinen ero $/kg on kuitenkin verraten pieni, pahimmillaan noin dollarin kilolta erinomaisissa aurinko-olosuhteissa. [caption id="attachment_7148" align="aligncenter" width="707"]

Kuva 4: Vedyntuotannon kustannuksen suhde elektrolyyserin investointikustannukseen. Kuva: LucidCatalyst[/caption] Fossiilisten polttoaineiden syrjäyttäminenMikä sitten on tavoiteltava, riittävän matala kustannustaso vedylle? Se riippuu siitä, mitä sillä halutaan tehdä, ja jonkin verran myös paikasta ja maakaasun hinnasta, koska iso osa teollisuuden käyttämästä vedystä tehdään nykyisin maakaasusta. Alla olevan kuvan 5 hinnoissa ei oleteta merkittäviä päästömaksuja tai tukia, vaan verrataan hintoja lähinnä tuotantokustannuksiin perustuen.Vedyn korvaaminen kannattaa aloittaa vedyn nykyisistä teollisista käyttökohteista, joissa se valmistetaan fossiilisista polttoaineista, kuten typpilannoitteiden valmistuksesta ja öljynjalostuksesta. Tähän riittää, kun päästään jonnekin 2 dollaria/kilo kustannustasolle tai sen alle.Mikäli vetyä aletaan käyttää sellaisenaan polttoaineena esimerkiksi pitkän matkan kumipyörärahdissa, on kyseessä uusi markkina. Sen kannattavuus ja kasvaminen on luonnollisesti riippuvainen uuden polttoaineen hinnasta – mitä matalampi, sen parempi.Kun kustannusta saadaan vielä laskettua, nousee potentiaalisiksi käyttökohteiksi ammoniakin valmistaminen polttoainekäyttöön. Ammoniakki valmistetaan vedystä ja ilmakehästä helposti erotettavasta typestä, joten se on lähes hiilineutraalia, kunhan vety on tehty puhtaasti. Ammoniakki voi korvata melko pienin teknisin muutoksin polttoöljyä valtamerilaivojen polttoaineena ja maakaasua kaasuturbiineissa. Poltetaanpa sitä Japanissa kokeellisesti jopa kivihiilivoimaloissa sivupolttoaineena.Kun päästään dollarin kilohintaan tai sen alle, voidaan puhtaasta vedystä alkaa valmistamaan kilpailukykyisiä polttoaineita liikenteeseen, esimerkiksi hiilineutraalia lentokerosiinia. Näiden hiilivetyjen kohdalla keskeiseksi nousee myös polttoaineeseen tarvittavan hiilidioksidin tuotantokustannus, kuten kuvassa 5 näkyy.Suomen kannalta kiinnostavia ovat biotuote/sellutehtaiden biopohjainen hiilidioksidi, jonka kaappaaminen piipun pään suuremmasta pitoisuudesta on edullisempaa kuin ilmakehästä erotteleminen. Kun hiilidioksidin kaappaamisen hinta putoaa 100 dollarista/tonni 50 dollariin, se on kilpailukykyistä noin 35 dollaria per tynnyri halvemman raakaöljyn kanssa.Halvan öljyn kanssa kilpaileminen on erittäin vaikeaa, mutta kannattaa huomioida, että kuvan vertailussa öljyn hintaan ei ole hinnoiteltu sen ulkoishaittoja, kuten kasvihuonekaasupäästöjä. [caption id="attachment_7149" align="aligncenter" width="705"]

Kuva 5: Kuinka edullista vedystä pitää saada, jotta se alkaa korvata raakaöljypohjaisia polttoaineita? Hintahaarukka on välillä 0,5 ja 1,5 dollaria per kilo, ja siihen vaikuttaa paljon myös synteettiseen polttoaineeseen sekoitettavan hiilidioksidin tuotantokustannus. Kuva: LucidCatalyst[/caption] Edelleen liian kallistaAinakin vielä lähivuosikymmeninä tuulella ja auringolla tuotetun vedyn kustannustaso on varsin korkea ajatellen fossiilisten polttoaineiden korvaamista synteettisillä vastineilla. Vuosisadan puoleen väliin mennessä kustannukset voivat laskea vaaditulle tasolle, mutta ilmastonmuutoksen hillinnän, ja etenkin Pariisin sopimuksen kannalta tällöin on aivan liian myöhäistä aloittaa mittava fossiilisten korvaaminen polttoainekäytössä.Parhaat ydinvoimaprojektit pääsevät tällä hetkellä noin kahden dollarin kilohinnan tasolle, mikä on lupaavaa, sillä ydinvoimarakentamisen kustannuksissa on vielä paljon potentiaalia optimointiin.

Missing Link to a Livable Climate