4. Vesi on tulevaisuuden hiili
Visio vedystä
Vetytalouden tuloa on visioitu jo ainakin vuodesta 1874 asti, kun Jules Verne kirjoitti kirjassaan Salaperäinen saari veden korvaavan hiilen energiantuotannon pohjana.
“Water will be the coal of the future.”
Vernen visiossa vety valmistetaan hajottamalla vettä vedyksi ja hapeksi sähkön avulla. [1]
Vedyn historia tieteessä ulottuu yli 200 vuotta Jules Vernen visiota kauemmaksi 1670-luvulle, jolloin modernin kemian isäksi kutsuttu Robert Boyle kuvasi reaktion, jossa metallisesta raudasta muodostuu palavaa kaasua kun rauta on kosketuksissa hapon kanssa. Sveitsiläinen alkemisti Paracelcus oli tehnyt saman havainnon tätäkin aikaisemmin, mutta hän ei selittänyt ilmiötä tieteellisesti.
Nykyään tiedämme, että lähes kaikki metallit reagoivat happamien aineiden kanssa vapauttaen vetyä. Tähän tekee poikkeuksen ainoastaan kalliit jalometallit, jotka tieteellisen määritelmänsä mukaan eivät vapauta vetyä spontaanisti. Mitä epäjalompi metalli on kyseessä, sitä helpommin ja nopeammin ne reagoivat happojen kanssa muodostaen vetyä. Monet epäjalot metallit reagoivat nopeasti jopa veden kanssa vapauttaen vetyä usein räjähtäen.
Epäjaloimpia metalleja, kuten natriumia, oli hyvin vähän tarjolla vielä 1700-luvulla, koska metallien valmistus elektrolyyttisesti ei ollut vielä kehittynyt. Ensimmäisissä vetysovelluksissa hyödynnettiinkin perinteistä hiilellä pelkistettyä rautaa konsentroidun vetykaasun lähteenä. Rautaa ja happoja oli tuohon aikaan yleisesti saatavilla ja reaktio happojen kanssa oli riittävän hidas ollakseen turvallisesti kontrolloitavissa.
Vedyn ensimmäisiä merkittäviä käyttökohteita 1700-luvulla oli kuumailmapallot, tai tarkemmin ottaen niiden kilpaileva teknologia ‘kaasupallot’ tai charlièret, jotka leijuvat ilmaa kevyempien kaasujen tai kaasuseoksien avulla. Nykyisin yleisesti tunnetut heliumpallot yleistyivät vasta paljon myöhemmin 1900-luvulla.
Ensimmäiset käyttökohteet vedylle olivat demonstraatioluonteisia eikä niillä ollut suurta merkitystä yhteiskunnalle tai ihmisten hyvinvoinnille. Ehkä tätä ilmentää hyvin se, että Jacque Charlesin ensimmäinen vetypallo rei’itettiin puukoin ja heinähangoin epäonnisen laskeutumisen jälkeen tuohtuneiden talonpoikien toimesta. Mielenkiinto oli kuitenkin taattu. Ensimmäistä miehitettyä vetylentoa on kerrottu seuranneen lähes puoli miljoonaa ihmistä.
Hiljalleen vedylle löytyi myös muita käyttökohteita. Esimerkiksi ranskalainen Marc Gaudin syntetisoi ensimmäiset synteettiset jalokivet vedyn ja hapen tuottamalla kuumalla 2000 °C asteeseen yltävällä liekillä vuonna 1837.
Samaan aikaan kun vedylle kehittyi käyttökohteita, myös vedyn tuotanto kehittyi sekä elektrokemiallisten että termokemiallisten reittien osalta.
Ensimmäiset elektrolyyserit syntyivät kun paristot ja kondensaattori kehittyivät 1800-luvulla. Myös kivihiiltä opittiin muuttamaan termokemiallisesti vetyrikkaaksi kaasuksi yhdistämällä kivihiiltä kuuman vesihöyryn kanssa. Yhdysvaltalainen Thaddeus Lowe, kehitti tähän reaktioon perustuvan mobiilin vetygeneraattorin.
1800-luvun lopussa vetyä pystyttiin siis jo tuottamaan teollisesti merkittäviä määriä sekä termokemiallisesti suoraan hiilestä, että elektrolyyttisesti vedestä sähkön avulla. Tämä avasi mahdollisuuden kehittää mittakaavaltaan merkittävämpiä sovelluskohteita vedylle.
Tarve valaistukselle ajaa kehitystä eteenpäin
Keinovalaistus oli yksi pääajureista joka vei eteenpäin sekä sähköntuotantoa, että termokemiallisten prosessien kehittämistä 1800-luvulla. Vielä koko 1800-luvun ja 1900-luvun alkupuoliskolla oli yleistä käyttää vetyrikasta kaupunkikaasua valaistukseen ja lämmitykseen. Kaupunkikaasua tuotettiin usein kivihiilestä ja joillakin alueilla myös puusta.
Vetyrikas kaupunkikaasu varastoitiin isoihin sylenterin muotoisiin kaasukelloihin kaupunkien lähettyvillä. Esimerkiksi Suomeen rakentui 1910-luvun taitteessa useampi kaasukello, joista Suvilahden ja Turun kaasukellot ovat vielä pystyssä muistuttamassa menneestä ajasta. Runeberginkadulla sijainnut kaasukello purettiin vuonna 1967 maisemaa pilaamasta.
Sähköverkon laajeneminen ja sähkövalaistus syrjäytti lopulta katujen ja kotien valaistukseen käytetyt kaasu- ja karbidilamput. Kivihiiltä ei siis konvertoitu enää kaupunkikaasuksi vaan siitä tuotettiin sähköä. Myös kaasuliedet ja -kattilat korvautuivat pitkälti sähköliesillä, tai sitten niiden polttoaine korvatui maakaasulla, jonka tuotanto yleistyi 1950-luvun jälkeen Euroopassa.
Ihminen muuttuu osittain synteettiseksi vedyn avulla
Puhdasta vetyä ei tuotettu merkittäviä määriä vielä 1900-luvun alussa, koska sille ei ollut juurikaan tarvetta ilmalaivateollisuuden ulkopuolella.
Vetyrikkaan kaupunkikaasun käyttö oli yleistä monissa maailman kaupungeissa. Kaupunkikaasu oli kuitenkin epäpuhdas seos vetyä, häkää, metaania ja hiilidioksidia. Kaupunkikaasun tuotantoon luotu teknologia kuitenkin avitti teollisen mittakaavan vetysovellusten kehittymisessä.
Ensimmäinen teollisesti merkittävä sovelluskohde puhtaalle vedylle syntyi 1900-luvun alkupuolella kun Fritz Haber kehitti ammoniakkisynteesin yhdessä Carl Boschin kanssa. Tässä prosessissa ilmakehän typpi sidotaan puhtaan vedyn avulla nestemäiseksi ammoniakiksi (NH3), joka voidaan myöhemmin konvertoida ureaksi tai muiksi typpilannoitteiksi.
Tällä löydöllä oli valtava vaikutus ihmiskunnalle, ja keksintöä voidaan perustellusti pitää yhtenä merkittävimmistä ihmiskunnan historiassa.
Synteettinen ammoniakki mahdollisti typpilannoitteiden valmistamisen ilmakehän typestä yli tuhat kertaa nopeammin kuin luonnon omilla typensidonta mekanismeilla. Synteettisten typpilannoitteiden saatavuuden parantuminen sekä hyödyntäminen pelloilla johti viljasatojen merkittävään kasvuun. Peltohehtaarilta saatettiin saada moninkertaisesti lisää viljaa.
On arvioitu, että Haber-Bosch reaktio on mahdollistanut 3 miljardin ihmisen siirtämisen pois nälänhädästä ja aliravitsemuksesta. On myös arvioitu, että jopa yli puolet meidän ihmisten sisältämästä typestä on alun perin konvertoitu ilmakehän Haber-Bosch reaktoreissa. Nämä typpiatomit on sitoutunut esimerkiksi lihastemme proteiinimolekyyleihin. Samalla ihminen on kaksinkertaistanut maapallon typpikierron, mikä on johtanut useiden alueiden rehevöitymiseen.
Vety on hiiltäkin mustempaa
Nykypäivänä vedystä puhutaan usein puhtaana ja ehtymättömänä luonnonvarana, joka mahdollistaa hiilestä pois siirtymisen, kuten myös Jules Verne visioi jo 150 vuotta sitten. Mutta ehkä yhtä tärkeää Vernen kirjoittamassa visionäärisessä kappaleessa on se, että vety tulee korvaamaan hiilen vasta sitten kun hiilivarannot ovat loppuneet.
“ I believe, that when the deposits of coal are exhausted, we shall heat and warm ourselves with water.“
Tämä on tärkeä huomio, koska vielä tänäkin päivänä lähes kaikki vety tuotetaan fossiilisista polttoaineista.
Tänä päivänä yleisin tapa tuottaa vetyä teollisesti on maakaasun höyryreformointi. Tässä prosessissa maakaasun sisältämä metaani (CH4) yhdistetään kuuman vesihöyryn kanssa noin 900 °C asteen lämpötilassa, jolloin sekä metaanista että vedestä (H2O) vapautuu vetykaasua (H2). Sivutuotteena syntyy merkittävä määrä hiilidioksidia (CO2) johon metaanin sisältämä hiiliatomi päätyy.
Vetyä valmistetaan myös kivihiilestä kaasutusreittiä pitkin. Kivihiilen rooli vedyn tuotannossa on merkittävä, ja noin kolmasosa maailman vedystä tuotetaan kivihiilestä. Vetyköyhästä kivihiilestä tuotettu vety aiheuttaa lähes kaksinkertaiset hiilidioksidipäästöt maakaasupohjaiseen vetyyn verrattuna.
Näillä fossiilisiin polttoaineisiin nojaavilla vetyteknologioilla tuotettu vetykilo vapauttaa keskimäärin noin 10 kiloa hiilidioksidia. Nykyisin tämä hiilidioksidi päästetään savupiipun kautta taivaalle, mikä kiihdyttää ilmaston lämpenemistä.
Tämän takia vedyntuotanto aiheuttaa globaalisti noin 700 miljoonan tonnin hiilidioksidipäästöt vuosittain. Keskimäärin siis noin 100 kg per maapallon asukas.
Hiilen musta vety muuttuu lopputuotteiksi
Nykyisin käytämme vetyä ammoniakin tuotannon lisäksi pääosin öljynjalostuksessa, sekä metanolin ja vetypelkistetyn teräksen (DRI) tuotannossa. Näistä ehkä omat kappaleensa joskus myöhemmin.
On hyvä myös huomata, että suuri osa teollisuusprosessien sivuvirtana syntyvästä vedystä poltetaan lämmöksi järkevien käyttökohteiden puuttuessa.
Vaikka vetyautot ovat ehkä kaikkein puhutuin sovelluskohde julkisessa keskustelussa vedyn osalta, niin silti liikenteen ja vetyautojen osuus vedynkäytössä on nykyisin hyvin marginaalista. Ja ehkä hyvä näin.. ainakin niin kauan kuin vedyntuotanto on likaista.
Vernen visio toteutuu 200 vuotta myöhemmin?
Jules Vernen visio sähkön hyödyntämisestä vedyn tuotannossa ei ole siis vielä käynyt toteen siinä mittakaavassa, että hiilen käyttö olisi loppumassa - jopa päin vastoin. Fossiilisten polttoaineiden käyttö kasvaa luultavasti tänäkin vuonna uuteen ennätykseensä.
Sähköön perustuva kemikaalien tai metallien tuotanto ei ole kuitenkaan tieteiskirjallisuutta tai teknoutopiaa. Jo nyt merkittävä osa metalleista tuotetaan sähkön avulla kuten esimerkiksi alumiini ja kierrätysteräs. Myös monet kemikaalit kuten esimerkiksi kloori tai sen johdannaiset tuotetaan sähkön avulla. Teknologisesti olisi mahdollista tuottaa kaikki petrokemikaalit ja metallit sähköön tai vetyyn pohjautuen.
Huomionarvoista on myös mainita, että vesivoimavaltaisessa Norjassa tuotettiin teollisesti typpipohjaista nitraattia sekä ammoniakkia pohjautuen ensiksi valokaariteknologiaan ja myöhemmin elektrolyysiin 1900-luvun eri vuosikymmenillä. [4] Sähköinen typpilannoitteiden tuotanto oli ajoittain kannattavaa fossiilista tuotantoa vastaan , mutta tällä hetkellä nämä reitit ovat kannattamattomia halvan fossiilisen energian takia. Kehittynyt sähkönsiirto suurjännitelinjoineen näyttää osoittautuneen kannattavammaksi tavaksi hyödyntää norjalaisten halpaa ja joustavaa vesivoimaa. Norjalaiset tuottavat ammoniakkinsa nykyisin mereltä pumpattavasta maakaasusta.
Huomioiden vedyn merkittävän roolin yhteiskunnalle 1900-luvun alussa voimme todeta, että ihmiskunta oli lähempänä vetytalouden syntymistä 100 vuotta sitten kuin nyt vuonna 2020. Toisaalta tarve teollisuuden dekarbonisoinnille ja ilmaston lämpenemisen pysäyttämiselle on antanut kuitenkin uudestaan syyn tavoitella tätä Vernen visiota vetyyn pohjautuvasta taloudesta.
Myös voimakkaasti halventunut tuuli- ja aurinkovoima on antanut liiketaloudellisen mahdollisuuden hyödyntää sähköä ja elektrolyysiä vedyntuotannossa halpoja fossiilisia polttoaineita vastaan ajoittain.
Vety mahdollistaa myös energian pidempiaikaisen varastoinnin, ja saatamme tulevaisuudessa nähdä isojen sylinterien sekä tuulivoimaloiden kohoavan uudestaan turvalliselle etäisyydelle kaupunkien horisontteihin. Seuraavina vuosikymmeninä Vernen visio siis saattaa käydä hyvinkin toteen.
Lopuksi
Vedyllä on mahdollisesti tärkeä rooli ilmaston lämpenemisen torjumisessa. Mutta nykyinen vedyn tuotanto on kuitenkin kestämätöntä ja vapauttaa elinkaarensa aikana moninkertaisesti enemmän hiilidioksidia kuin mitä vetyä hyödyntämällä säästetään.
On selvää ettei vety ratkaise ilmaston lämpenemistä mikäli vetyä tuotetaan vapauttaen näin isoja määriä hiilidioksidia taivaalle. Toisaalta huojentavaa on se, että tapoja tuottaa vetyä ilman hiilidioksidipäästöjä on useampia.
Osaamme myös hyödyntää vetyä ja sähköä eri tuotteiden valmistukseen teollisessa mittakaavassa. On lähinnä halusta (ja taloudellisuudesta) kiinni hyödynnämmekö näitä reittejä vai emme.
