Vedyn tuotanto: Miten vetyä valmistetaan ja mitä se on?

Vedystä on tulossa yhä tärkeämpi ja lupaavampi puhtaan energian kantaja – erityisesti matkalla kohti ilmastoystävällisempää tulevaisuutta. Oletko kuitenkaan koskaan miettinyt, mitä vety itse asiassa on ja miten sitä tuotetaan? Tässä artikkelissa tarkastelemme vedyn tuottamiseen liittyviä perusteita ja tekniikoita sekä sitä, mikä tekee vedystä erityisen elementin.

Yksinkertaisesti sanottuna vety on väritön, hajuton ja mauton kaasu. Se on maailmankaikkeuden yksinkertaisin ja runsain kemiallinen elementti. Vety koostuu pienistä hiukkasista, protoneista ja elektroneista.

Se on erittäin hyvin reagoivaa, ja se voi yhdessä muiden elementtien kanssa muodostaa yhdisteitä, kuten vettä. Se toimii tehokkaana polttoaineena, ja sitä voidaan käyttää sähkön tuottamiseen, ajoneuvojen käyttöön ja lämmön tuottamiseen. Puhtaan energian kantajana vedyllä on potentiaalia vähentää ympäristövaikutuksia ja edistää kestävää energiansyöttöä

Vedyn tuotantoon on olemassa useita tekniikoita, joita voidaan käyttää vaatimusten ja käytettävissä olevien resurssien mukaan. Seuraavassa on joitakin yleisiä menetelmiä:
 

• Maakaasun höyryreformointi: Tämä on tällä hetkellä eniten käytetty tekniikka vedyn tuotannossa. Tässä prosessissa maakaasu, joka koostuu pääasiassa metaanista, lämmitetään vesihöyryllä katalysaattorin kanssa. Voidaan ajatella, että höyryreformointi "hajottaa" maakaasua.
  
  Tässä prosessissa maakaasun metaani reagoi vesihöyryn kanssa ja tuottaa vetyä (H2) ja hiilimonoksidia (CO). Saatu vety puhdistetaan, ja sitä voidaan käyttää polttoaineena ajoneuvoissa, tuottamaan sähköä polttoainekennoissa tai erilaisissa teollisuussovelluksissa. Prosessi on edullinen, mutta sillä on myös haittapuolia. Sivutuotteena vapautuu hiilidioksidia, joka vaikuttaa ympäristöön.

• Veden elektrolyysi: Elektrolyysissä vesi jakautuu vedyksi ja hapeksi sähkövirran avulla. Elektrolyysereiksi kutsutut laitteet suorittavat elektrolyysiprosessin.

•  Aurinkovedyn tuotanto: Tässä menetelmässä elektrolyysiprosessissa hyödynnetään aurinkoenergiaa sähköenergian sijaan. Tämän voi tehdä joko suorassa auringonvalossa tai keskittämällä auringonsäteilyä aurinkopeilien tai -kerääjien avulla. Tätä uutta tekniikkaa voitaisiin käyttää maissa, joissa aurinko on riittävän voimakas, jolloin vedyn tuottaminen olisi erityisen kustannustehokasta.

• Lämpökemiallinen vedyn tuotanto (biologinen vedyn tuotanto): Jotkin mikro-organismit, kuten tietyt bakteerit ja levät, voivat tuottaa vetyä käymisprosessin tai fotosynteesin kautta. Tätä menetelmää kehitetään edelleen, mutta sillä on potentiaalia olla kestävä ja ympäristöystävällinen vedynlähde. Tämäntyyppisen tuotannon haittapuolena ovat kuitenkin rajalliset resurssit.

Kannattaa muistaa, että kaikki vedyn tuotantoprosessit eivät ole yhtä kestäviä tai ympäristöystävällisiä. Vedyn tuotannon kestävyys riippuu käytetystä energianlähteestä ja tuotantoprosessin hiilidioksidipäästöistä. Jotta vedystä saadaan suurin hyöty puhtaana energianlähteenä, on erittäin tärkeää käyttää vedyn tuotannossa uusiutuvia energianlähteitä.

Uusiutuvien energioiden, kuten aurinkoenergian, tuulienergian ja vesivoiman, käyttö voi vähentää merkittävästi hiilidioksidipäästöjä vedyn tuotannossa tehden siitä kestävämpää. Ympäristöystävällistä vetyä tuotetaan. Tämä on tärkeä askel kohti vähähiilistä tulevaisuutta ja ilmastonmuutoksen hillitsemistä.

Elektrolyysi on lupaavin prosessi. Elektrolyysiprosessi mahdollistaa vedyn ympäristöystävällisen tuotannon, erityisesti silloin, kun sen käyttämä sähkö on peräisin uusiutuvista energianlähteistä. Nämä tekniikat ovat tärkeässä roolissa, jotta puhtaasta vedystä saadaan kestävä energiakantaja eri sovelluksiin. Tutustuimme tarkemmin eri tekniikoihin ja tarkastelimme niiden etuja ja haittoja.

PEM-elektrolyysi, jota kutsutaan myös protoninvaihtokalvoelektrolyysiksi, jakaa veden vedyksi ja hapeksi polymeerikalvon ja sähkövirran avulla.

Edut:

• Nopea käynnistys ja sopeutuminen vaihteleviin kuormiin
• Tehokas osittaiskuormituksessa
• Alhainen käyttölämpötila (50–80 °C) vähentää kalliiden materiaalien käyttöä
• Kompakti koko ja helppo integrointi olemassa oleviin järjestelmiin
• Korkea tekninen kypsyystaso (TRL 7-8)

Haitat:

• Herkkä veden epäpuhtauksille, joten veden esikäsittely on tarpeen
• PEM-polttokennon rajoitettu käyttöikä (noin 10 000 käyttötuntia)
• Suuremmat kustannukset alkalielektrolyysiin verrattuna

Alkalielektrolyysissä vesi jaetaan vedyksi ja hapeksi alkalielektrolyytillä, joka on yleensä kaliumhydroksidin vesiliuos.

Edut:

• Pienemmät kustannukset PEM-elektrolyysiin verrattuna
• Kestää vedessä olevia epäpuhtauksia
• Elektrolyyttikennon pitkä käyttöikä (noin 40 000 – 80 000 käyttötuntia)
• Korkein tekninen kypsyystaso (TRL 8-9)

Haitat:

• Hitaampi reaktionopeus PEM-elektrolyysiin verrattuna
• Korkeammat käyttölämpötilat (70–100 °C) johtavat suurempaan energiankulutukseen
• Eri käyttöparametrien ansiosta integrointi olemassa oleviin järjestelmiin on vaikeampaa

SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) tarkoittaa kiinteäoksidielektrolyysikennoa eli korkean lämpötilan elektrolyyttikennoa, joka muuntaa veden vedyksi ja hapeksi korkeissa lämpötiloissa ja käyttää elektrolyyttinä kiinteitä oksideja.

Edut:

• Suuri tehokkuus ja lämmön talteenotto korkeiden käyttölämpötilojen (800 – 1 000 °C) ansiosta
• Joustava eri polttoaineiden (esim. höyry, CO2) käyttö

Haitat:

• Korkeat käyttölämpötilat edellyttävät kalliita materiaaleja ja erityistä lämpöeristystä
• Hidas käynnistys ja sopeutuminen vaihteleviin kuormiin
• Suurempi koko ja monimutkainen järjestelmän integrointi
• Vähän käyttökokemusta suuressa mittakaavassa

AEM eli anioninvaihtokalvo viittaa elektrolyyseritekniikkaan, jossa käytetään erikoiskalvoa, joka mahdollistaa negatiivisesti varautuneiden ionien läpäisevyyden ja jakaa veden vedyksi ja hapeksi sähkövirralla.

Edut:

• Pienemmät kustannukset PEM-elektrolyysiin verrattuna
• Kestää vedessä olevia epäpuhtauksia
• Käyttö matalissa lämpötiloissa (noin 60–80 °C)

Haitat:

• Rajoittunut kehitys ja kaupallistaminen verrattuna PEM- ja alkalielektrolyysiin
• Kalvon pitkäaikaisen vakauden mahdolliset haasteet
• Ei suuren mittakaavan asennuksia. Matala tekninen kypsyystaso.