Tulevaisuuden vety, osa 3: Puhtaan vedyn tuotantolaitokset – gigatehtaita ja energialauttoja

Tulevaisuudessa tarvitaan valtavia määriä vetyä ja sähköpolttoaineita ja aivan omia energiajärjestelmiä. Riittävän suuri ja riittävän edullinen tuotanto edellyttää joko jättimäistä energiapuistoa ja gigatehdasta tai energiantuotantolauttaa. Pienydinvoiman rakentamista pitää samalla ajatella aivan uudella tavalla. Rauli Partasen vetyä käsittelevän juttusarjan kolmas osa.

23.2.2021 | Tiede & Teknologia

Havainnekuva rakenteilla olevasta vedyntuotantoon keskittyvästä gigatehtaasta. Kuva: Simon Clements / LucidCatalyst

Tämä on kolmas osa neliosaisessa juttusarjassa, jossa käsitellään vedyn tarvetta ja tuotantokustannuksia. Ensimmäinen osa löytyy tästä linkistä. Toinen osa löytyy täältä.


 

Kuten juttusarjan aiemmista osista kävi ilmi, riittävää määrää puhdasta vetyä ei voida tuottaa sähköverkon satunnaisella ylijäämäenergialla. Nykyinen sähköverkko ja -markkina on soveltuvat huonosti massiiviseen vedyn ja sähköpolttoaineiden tuotantoon. Näiden tuottaminen suuressa mittakaavassa ja mahdollisimman matalaan hintaan kaipaa nimenomaan niiden tuotantoa varten rakennettuja energiajärjestelmiä.

Tässä artikkelissa esitellään kaksi tällaista konseptia, gigatehdas ja energialautta

Gigatehdas – tehtaita rakentava tehdas

Gigatehtaan keskeinen ajatus on perustaa niin suuri energiapuisto, että sen yhteyteen kannattaa rakentaa tehdas, joka rakentaa tuotantolaitokset sarjatuotantona paikan päällä. Tuotantolaitokset sisältävät elektrolyyserit, energialähteet ja muun tarvittavan kaluston. Tässä tapauksessa energialähteenä toimisivat uuden sukupolven pienet ydinreaktorit.

Sen sijaan että paikalle rakennettaisiin voimalaitos, paikalle rakennetaan tehdas, joka valmistaa voimalaitoksia.

Teslan ja SpaceX:n perustajaa ja toimitusjohtajaa Elon Muskia lainaten, se olisi tehtaita rakentava tehdas.

Gigatehdas ja sen tuotteet suunniteltaisiin suuren mittakaavan kustannustehokkaan tuotantolinjavalmistuksen ehdoilla. Ydinreaktoreita ajatellaan enemmän yksinkertaisina lämmönlähteinä kuin voimalaitoksina.

Ne tuottavat korkealaatuista lämpöä/höyryä, joka ohjataan lämmönvaihtimiin ja sieltä joko turbiinigeneraattoreihin, jotka tuottavat elektrolyyserin käyttämää sähköä, tai suoraan höyrynä termokemialliseen reaktioon perustuvaan vedyntuotantolaitokseen. 

Termokemiallinen prosessi tekee vedestä vetyä ilman sähköä, joten sillä on parempi hyötysuhde kuin perinteisellä elektrolyysillä, joskin tuotantoteknologia ei ole vielä kaupallisesti saatavilla. Kun yhdessä energiapuistossa reaktoreita ja vedyntuotantolaitoksia voi olla useita kymmeniä, paikan päälle kannattaa rakentaa niiden valmistukseen oma tehdas. 

Valmistusta myös vientiin

Kun riittävä määrä reaktoreita ja tuotantolaitoksia on rakennettu omaan käyttöön, tehdas voi siirtyä valmistamaan vientiin. Kuljetukset voitaisiin hoidaa joko meritse tai rautateitä pitkin.

Avainajatuksena on se, että oma energiapuisto-projekti takaa riittävän kysynnän, jotta tehdas kannattaa rakentaa ja jotta kustannukset saadaan sarjatuotannon ja mittakaavan myötä mahdollisimman alas.

Isoa tehdasinvestointia ei kannata tehdä, jos tilauskirjassa ei ole riittävästi tilauksia joko tuotantolaitoksille tai niiden tuotteille – vedylle ja synteettisille polttoaineille.

Gigatehdas voi myös olla vertikaalisesti pitkälle integroitu, eli se voi tehdä komponentit ja kokoonpanon mahdollisimman paljon alusta loppuun itse. Tällöin prosesseista saadaan hiottua mahdollisimman tehokkaat, omaa osaamista kehitettyä syvemmäksi ja monipuolisemmaksi ja toimitusriskit kolmansilta osapuolilta pysyvät pieninä.

Toki investointikin on tällöin isompi, ja tutkimus- ja kehityspanoksia tarvitaan enemmän, jotta kustannuksia saadaan painettua alemmas.

Vertikaalinen integrointi tarkoittaisi sitä, että gigatehdas valmistaa itse niin reaktorit ja niiden komponentit, lämmönvaihtimet, elektrolyyserit kuin ammoniakki- tai metanointilaitoksetkin, riippuen tarpeista. Näitäkin voidaan jatkossa viedä muualle, ja suuri mittakaava sekä valmistuksen kustannustehokkuus parantavat kilpailukykyä myös vientiä ajatellen. 

Case-esimerkkinä voidaan laskea, että valmiissa energiapuistossa voi olla 60 reaktoria, kunkin teho 600 MWt (lämpötehoa), jolloin kokonaislämpöteho on 36 gigawattia. Jos tästä tehosta 45 % saadaan muunnettua vedyksi, saadaan noin 260 GWh (gigawattituntia) vetyä päivässä, tai 128,000 GWh vetyä vuodessa. Tämä on mille tahansa yksittäiselle laitokselle kunnioitettava määrä.

Suomen sähkönkulutus on noin 85,000 GWh vuodessa, joten gigatehdas-konsepti sopii paremmin isompiin maihin.

Esimerkiksi Britanniaan mahtuisi useita tällaisia gigatehtaita tuottamaan sikäläiseen maakaasuverkkoon hiilineutraaleja korvikepolttoaineita. Vedystä voidaan valmistaa edelleen ammoniakkia tai synteettisiä hiilivetyjä sen mukaan, mille on tarvetta. 

Energiantuotantolautat

Toinen esiteltävä konsepti on Suomeen paremmin soveltuva telakkavalmisteinen, pienydinreaktorilla toimiva energiantuotantolautta. Se voidaan tarpeen mukaan sijoittaa joko avomerelle tai rannan tuntumaan.

Keskeisenä innovaationa tässä on se, että normaalisti kallis, hidas ja tehoton maastoon paikan päälle rakennettu ydinvoimala viedään erittäin korkean tuottavuuden telakkaympäristöön kokoonpantavaksi.

Lisäksi maalle sijoittamisen sijaan lautta voidaan sijoittaa joustavasti merelle tai rannikolle, mikä vähentää sekä maanrakennustöiden tarvetta että sijoituspaikan löytämiseen liittyviä ongelmia ja kustannuksia.

Lautat voivat olla joko kelluvia tai merenpohjaan liitettäviä, öljynporauslautan tai tankkerin mallisia aluksia. Ne rakennetaan ja kootaan moduuleista telakalla, aivan kuten valtamerialukset ja öljynporauslautat nykyään.

Telakoilla on valmiina prosessit, valvonta, toimitusverkostot, osaaminen sekä laitteistot isojen kokonaisuuksien rakentamiseen, joten ydinreaktoreiden valmistaminen laivan tai lautan yhteyteen voidaan tehdä kustannustehokkaasti.

Telakoilla moduulirakentamisen tietotaito

Telakat ovat tuottavuudeltaan parhaita paikkoja tehdä ja koota isoja kokonaisuuksia ja tämä pudottaa valmistuskustannuksia rajusti verrattuna paikalleen rakentamiseen. Niillä on käytössään usein uusimmat innovaatiot kuten 3D-mallinnukset, simulaatiotyökalut, laadunvarmistus ja paikan päällä työskentelemässä erittäin osaavaa, usein lähialueella asuvaa työvoimaa.

Tämä on aivan eri asia verrattuna paikalleen rakennettavaan isoon ydinvoimalaan, johon tulee työvoimaa ja toimitusketjuja tilapäisesti kenties kymmenistä eri maista ja vielä useammilta alihankkijoilta.

Telakoilla rakennetaan suuria aluksia moduuleista tänäkin päivänä.

Vastaavasti energialautta voi koostua eri moduuleista kuten reaktori-, lämmönvaihdin-, turbiinigeneraattori-, elektrolyyseri- ja vaikkapa Haber-Bosch – moduuli, joka tekee vedystä helpommin kuljetettavaa ja säilytettävää ammoniakkia. Lisäksi aluksessa olisi moduuli lopputuotteiden tilapäiseen säilömiseen. 

Havainnekuva ammoniakkia kuljettava tankkerista, joka valmistautuu ottamaan ammoniakkilastin energiantuotantolautalta. Kuva: Simon Clements / LucidCatalyst

 

Moduulit olisi myös suunniteltu sovittuja standardeja käyttäen, jolloin niitä voitaisiin liittää toisiinsa tarpeen mukaan. Siinä missä yksi lautta tuottaisi sähköä ja kaukolämpöä tai puhdistettua merivettä läheiseen kaupunkiin, toinen voisi tuottaa vetyä läheiselle öljyn- tai biopolttoaineiden jalostamolle.

Kolmannessa voisi olla ammoniakin tuotantolaitos läheiselle typpilannoitetehtaalle tai käytettäväksi muiden laivojen polttoaineena, korvaamaan niissä nykyisin käytettävää saastuttavaa fossiilista polttoöljyä. 

Kaikissa näissä olisi sama standardoitu reaktori lämmönlähteenä, jolloin sen voisi tyyppihyväksyttää kerralla sarjatuotantoon. Ajan myötä reaktoria voisi kehittää, tai sen voisi vaihtaa teknologian kehittyessä kokonaan uudentyyppiseen, kustannustehokkaampaan teknologiaan.

Kun standardit ja vaatimukset olisivat avoimia, periaatteessa kuka tahansa reaktorikehittäjä voisi kehittää reaktoristaan lauttaan sopivan version.

Yksittäiskappaleita halvempaa

Mikään tästä ei ole varsinaisesti uutta, paitsi ehkä ydinalalla. Moni teollisuus toimii juuri näin jo tänäkin päivänä, jatkuvasti optimoiden ja kustannustehokkuutta parantaen.

Ydinvoimalan siirtäminen ”on site”-rakentamisesta telakkaympäristössä valmistettavaksi voi pudottaa sen kustannuksia alle puoleen maalla tapahtuvaan sarjassa valmistamiseen verrattuna, joka puolestaan on paljon edullisempaa kuin ”ensimmäinen laatuaan”-yksittäiskappaleet, joita Suomessa on viime aikoina tehty.

Kustannuksia on mahdollista pudottaa vielä tästäkin uusilla reaktoriteknologioilla, optimoidulla suunnittelulla ja sarjatuotannon eduilla. 

Kustannukset voivat pudota alle puoleen, kun siirrytään paikalleen rakennettavasti sarjatuotannosta telakkavalmistukseen. Kuva: LucidCatalyst

 

Case-tapauksena, yksi iso ammoniakkia valmistava energialautta voi tuottaa noin 3 500 tonnia ammoniakkia päivässä, mikä vaatii noin 635 tonnia vetyä päivässä. Tällaiseen pystyvän elektrolyyserin tehontarve olisi vähän alle 1 GW, joka on noin 95 prosenttia koko lautan energiatarpeesta.

Muita prosesseja olisivat typen erotus ilmakehästä, Haber-Bosch -synteesilaitos ammoniakin valmistukseen sekä muut lautan ja miehistön tarpeet. Noin 1,2 GW reaktoritehoa (sähkö) riittäisi mainiosti tämänkokoiselle lautalle.

Teho voitaisiin tuottaa esimerkiksi kahdella 600 MW tehoisella tai neljällä 300 MW tehoisella reaktoriyksiköllä. Noin 3 500 tonnin päivätuotanto vastaisi noin 13 000 öljybarrelin päivätuotantoa energiasisällöltään.

Jos Suomen liikennepolttoaineet, noin 50 TWh vuosittain, korvattaisiin laskennallisesti vastaavien energialauttojen hiilineutraaleilla tuotteilla, lauttoja tarvittaisiin kuusi tai seitsemän. Hiilivetyjä tuotettaessa tarvitaan toki myös (bioperäisen) hiilidioksidin lähde.

Mitään tässä jutussa mainittuja kustannusleikkauksia tai projekteja ei oikein voi tapahtua nykyisenkaltaisella  ydinvoiman rakentamisella.

Ne vaativat radikaalin muutoksen siihen, miten ajattelemme ydinvoiman rakentamista, luvittamista ja käyttöä, ja muutaman tärkeän oppitunnin siitä, miten telakat ja esimerkiksi öljy- ja kaasuteollisuus toimivat.

Yksi jännittävimpiä puolia koko konseptissa tosin on se, että oikeastaan telakkavalmisteiset energialautat tarvitsee luvittaa ja saada tuotantoon vain yhdessä maassa.

Koska niiden tuotteiden – nestemäisten polttoaineiden – markkinat ovat globaalit, voi yhden maan telakoiden sarjassa valmistamat energialautat saada aikaan globaalisti merkittäviä vähennyksiä päästöihin ja muita seurauksia. Näistä vaikutuksista ja seurauksista kirjoitan enemmän juttusarjan viimeisessä osassa.

 


Kuvat ja numerot ovat raportista: Missing Link to a Livable Climate – How Hydrogen-enabled Synthetic Fuels Can Help Deliver the Paris Goals. LucidCatalyst 2020. Jutun kirjoittaja oli mukana myös raportin taustajoukossa. https://www.lucidcatalyst.com/hydrogen-report. Juttu on mukailtu käännös 4thgeneration.energy -blogissa englanniksi aiemmin julkaistusta versiosta.

Rauli Partanen

Kirjoittaja on energia-asiantuntija ja tiedekirjailija

23.2.2021 12:00

1 Kommentti

  1. Aivan erinomainen artikkeli. Suomen vakaa yhteiskunta, korkea teknologinen osaaminen ja olemassa oleva laivanrakennusinfra tarjoavat erinomaiset lähtökohdat lähteä vetyloikkaan pioneerien joukossa. Tämä ala tuo myös vientituloja ja työapaikkoja. Toivottavasti päättäjämme ovat hereillä.

Lähetä kommentti