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

Vety on edelleen kallis ratkaisu, mutta Pariisin sopimuksen noudattamiseksi on hyvä katsoa kaikkia energiantuotannon muotoja. Ydinvoiman käyttö vedyn tuotannossa on tällä hetkellä halvin vaihtoehto. Rauli Partasen vetyä käsittelevän juttusarjan toinen osa.

10.2.2021 | Tiede & Teknologia

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

Tämä on toinen osa neliosaisessa sarjassa. Sarjassa käsitellään vedyn tarvetta, sen tuotantokustannuksia ja niiden madaltamista. Ensimmäinen osa löytyy 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 käyttötunnit

Käytössä 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.

Kuva 1: Vedyntuotannon kustannuksen suhde energialähteen kapasiteettikertoimeen. Kuva: LucidCatalyst

 

Energian investointikustannukset

Puhtaan 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.

Kuva 2: Vedyntuotannon kustannuksen suhde energialähteen investointikustannukseen. Kuva: LucidCatalyst

 

Elektrolyyserin energiatehokkuus

Selvityksessä 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).

Kuva 3: Vedyntuotannon kustannuksen suhde elektrolyyserin energiatehokkuuteen. Kuva: LucidCatalyst

 

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 elektrolyyseriin

Elektrolyyserit 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.

Kuva 4: Vedyntuotannon kustannuksen suhde elektrolyyserin investointikustannukseen. Kuva: LucidCatalyst

 

Fossiilisten polttoaineiden syrjäyttäminen

Mikä 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.

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

 

Edelleen liian kallista

Ainakin 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.

 

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.

Rauli Partanen
Kirjoittaja on energia-asiantuntija ja tiedekirjailija

10.2.2021 20:19

1 Kommentti

  1. Laskelmat olivat erittäin mielenkiintoisia, mutta voisiko laskentaperusteita avata vähän enemmän? Nimittäin summittaisilla arvioilla saan itse ihan eri lukuja.

    Jos elektrolyyseri maksaa tosiaan 250€/kw (investointikustannus), kuten jutussa sanotaan, niin megan laitos maksaisi siis 250 tuhatta. Jos sitä käyttää n 22% käyttöasteella tulee vuodessa tunteja 2000. Jos investoinnin haluaa takaisin 10 vuodessa, tulee tuntihinnaksi 250t€/20000 = 12,5€/h. Toisesta lähteestä luin että investointi olisi ennemminkin euron per watti eli nelinkertainen, mutta lasketaan nyt artikkelin luvulla.

    Hyötysuhteella 64%, joka jutussa mainittiin, ottaisi kilon valmistaminen 52kWh. Silloin se megan laitos tuottaisi 19 kiloa tunnissa (=1000kW/52kWh). Edellisen kappaleen tuntihinnalla se olisi siis 12,5€/19kg = 66 senttiä kilo. Eikä 5 euroa kuten graafissa. Missähän kohtaa laskelma menee 8-kertaisesti pieleen? (Jos olettaisi hinnaksi euron per watti niin hinta olisi 2,6€/kg eli silti alle puolet graafista).

    Investointi oikeasti tuottaisi varmasti yli 10 vuotta, mutta toisaalta se vaatisi myös huoltoa ja kunnossapitoa, joten ehkä nämä kaksi tekijää menevät päittäin.

    Tuo 22% käyttöasteena tuli ihan lonkalta ajatuksella, että tuulimylly aina myisi sähkön verkkoon kun hinta on yli vuoden keskihinnan ja pyörittäisi elektrolyyseriä aina kun se olisi alle. Tällä logiikalla tuotannon vaatiman energian hinta pyörisi 0-30€/MWh välillä, josta arvioiden hintaa tulisi noin euron per kilo.

    Kokonaishinnaksi tulisi siis 1,66€/kg, mutta tästä luvusta puuttuisi sitten se ammoniakintuotanto ja varastointi yms muut tekijät. Eikös tämä siis olisi jo tavoitehaarukan sisällä?

Lähetä kommentti