Eva Ravn Nielsen
31. elokuuta 2021
Vety ja e-polttoaineet tekevät läpimurtoa
Siirtymä vihreään vetyyn ja e-polttoaineisiin on jo käynnissä, ja siitä tulee valtavirtaa vuodesta 2030 eteenpäin. P2X-asiantuntijamme Eva Ravn Nielsen esittelee varastoinnin ja tuotannon vaihtoehtoja ja käyttökohteita.
Suunnitelmat pikaisesta siirtymisestä fossiilisista uusiutuviin polttoaineisiin kaikessa laivaliikenteessä Itämeren alueella julkaistiin 14. kesäkuuta 2021. Uudet polttoaineet voivat olla vihreää ammoniakkia, metanolia tai vetyä, joita saadaan veden elektrolyysistä tuulivoiman tuottamalla energialla. Erillisen projektin, Bornholm Bunker Hubin, tavoitteena on perustaa polttoaineen varastoinnin ja alusten tankkaamisen infrastruktuuri, jossa aluksia uudistetaan uusien polttoaineiden käyttöön ja varmistetaan polttoaineiden saatavuus joko paikallisella tuotannolla tai ulkoisista lähteistä.
Projekti on melko tavanomainen vihreän vedyn hanke siinä mielessä, että se vaatii uusia varastointitiloja ja ratkaisuja vedyn tai ammonikin käsittelyyn laajassa mittakaavassa (keskitetysti) satamassa ja pienemmässä mittakaavassa (paikallisesti osana laitteistoa) polttoainetankkeina aluksissa.
Hiilineutraaliutta ja uusia teknologioita tarvitaan monilla aloilla, jos ilmaston lämpeneminen halutaan pysäyttää. Uusiutuva energia, kuten tuuli- ja aurinkovoima ja vesivoima korvaavat fossiilisia polttoaineita. Kotitalouksien lämmityksessä sähköä voidaan käyttää suoraan esimerkiksi lämpöpumpuissa, jotka muuntavat sähkön tehokkaasti lämmöksi. Vastaavasti suurin osa polttomoottorillisista henkilöautoista voidaan helposti vaihtaa sähköautoihin.
Kaikkia aloja ei kuitenkaan ole yhtä helppoa sähköistää. Kun tarvitaan suuria määriä energiaa, akut eivät pysty tallentamaan siirtämään sitä riittävästi. Raskas liikenne, vesistökuljetukset ja lentoliikenne vaativat kaikki nestemäistä tai kaasumuodossa olevaa polttoainetta, koska akkujen painon takia ne eivät sovellu näihin kohteisiin. Näihin sopiva ratkaisu on vihreä vety tai ammoniakki tai muut e-polttoaineet.
Uudet vihreät polttoaineet valmistetaan yleensä elektrolyysillä, jossa sähköä käytetään veden jakamiseksi eri elementteihin, vedyksi ja hapeksi. Mikäli sähkö tulee uusiutuvasta lähteestä, voidaan puhua vihreästä vedystä. Vetyä voidaan käyttää suoraan tai sitä voidaan käyttää kemiallisessa prosessissa muiden aineiden valmistuksessa. Näitä aineita ovat metaani (synteettinen maakaasu), metanoli (nestemäinen polttoaine, jota voidaan käyttää polttoaineena tai raaka-aineena muissa teollisuuden prosesseissa), ammoniakki ja lentopetroli. Näistä teknologioista käytetään nimeä Power-to-X tai P2X, jossa X tarkoittaa tuotettua ainetta. Polttoaineita kutsutaan usein sähköpolttoaineiksi tai e-polttoaineiksi, mikä viittaa uusiutuvan energian käyttöön niiden valmistuksessa ja eroihin verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin.
Maailmanlaajuisesti toimivana insinööri- ja suunnittelualan konsulttiyrityksenä Ramboll avustaa energiayhtiöitä ja infrastruktuurin omistajia siirtymään pilottiprojekteista varsinaisen P2X-teknologian käyttöön. Elektrolyysilaitteistojen testaaminen on tänä päivänä edennyt megawattien tasolle. Tavoitteena on saavuttaa 100 MW:n tai suurempi taso ennen vuotta 2030. Tuotantomäärien havainnollistamiseksi 1 MW:n elektrolyysi tuottaa tyypillisesti 20 kg vetyä tunnissa tai noin 220 normikuutiota.
Vedyn käyttö energialähteenä kansallisissa energiajärjestelmissä vaatii uutta infrastruktuuria ja suurta vedyn varastointikapasiteettia. Hyvä tilaisuus edulliselle, laajamittaiselle ja joustavalle vedyn varastoinnilla ovat luonnolliset suolaluolat tai kalliohalkeamat. Vedyn varastointimahdollisuudet suolakerrosten halkeamissa tai vastaavissa muodostelmissa Euroopassa on arvioitu merkittäväksi (>100 petawattituntia), ja se jakautuu useiden EU-maiden alueelle. Vedyn varastoiminen suolamuodostumissa voi olla nopea tapa kasvattaa varastokapasiteettia Euroopan nopeasti kasvavan vetytalouden tarpeisiin.
Biomassa käyttävä voimalaitos valmistautuu e-polttoaineiden tuotantoon uusiutuvalla energialla. Hiiltä sisältävä polttoaine vaatii eloperäisen lähteen hiilidioksidille. Laitokselle on siten tulossa hiilidioksidin talteenotto savukaasuista. Samalla laitokseen tulee elektrolyysi vihreän vedyn valmistamiseksi vedestä. Lopuksi hiilidioksidi ja vety yhdistetään vihreäksi e-polttoaineeksi, jota käytetään kuljetuksissa. Nämä toimenpiteet sisältävät insinöörisuunnittelun, riskien arvioinnin, tarvittavat luvat ja asiakirjojen hankkiminen lopullisen investointipäätöksen saamiseksi.
"Vety ei ole hopealautasella tarjoiltu ratkaisu kaikkiin tulevaisuuden haasteisiin ilmastonmuutoksen ja hiilineutraaliuden kannalta. Suora sähkön käyttö on jatkossakin tärkein hiilineutraaliuden ratkaisu. Mutta vihreä vety ja e-polttoaineet ovat tärkein ratkaisu vaikeasti sähköistettäville aloille vuodesta 2030 eteenpäin."
Vedyn tulee olla saatavilla koko mantereella alhaisimmalla mahdollisella hinnalla, mikäli sen halutaan olevan tärkeä tekijä EU:n hiilineutraaliuden tavoittelussa. Yksi tärkeimmistä haasteista on vedyn kuljetuskustannukset. Olemassa on kaksi vaihtoehtoa. Vedyn tuotannosta tulee hajautettua tai sen siirtoputkistoon tarvitaan merkittäviä investointeja.
Kaasunsiirtoverkoston operaattoreille on tehty konseptitutkimuksia ja strategioita tätä varten.
On olemassa tarve yhdistää paikalliset vedyn tuotantolaitokset tuotteen käyttäjiin vedylle tarkoitetulla siirtoverkostolla, joka yhdistää Skandinavian, Saksan ja Alankomaat muuhun Eurooppaan. Verkosto voi olla uusi vedylle rakennettu infrastruktuuri, tai se voi olla olemassa olevan kaasuputkiston uudelleenkäyttöä. Vedyn käyttäjille on tulossa vedyn tankkausasemia, erityisesti raskaille ajoneuvoille, kuten kuorma-autoille ja linja-autoille. Myös teollisuus tulee olemaan verkoston kautta toimitettavan vihreän vedyn loppukäyttäjä.
Tanska perustaa maailman ensimmäiset energiasaaret, mikä on samalla uuden laajamittaisen merituulivoiman tuotannon lähtölaukaus. Kaksi energiasaarta valmistuvat vuoteen 2030 mennessä, ja ne tuottavat 5 GW energiaa.
Suunnitelmassa on mukana keinotekoisen saaren perustaminen Pohjanmereen, joka toimii keskuksena 3 GW:n merituulivoimapuistoille, joissa on 10 GW:n pitkän aikavälin laajennuskapasiteetti. Itämerellä energiasaarena toimii Bornholm, jonka sähkötekninen varustus toimii keskuksena merituulivoimapuistoille, jotka tuottavat 2 GW energiaa. Molemmissa kohteissa harkitaan myös vedyn tai ammoniakin tuotantopotentiaalia. Jopa laivojen tankkaaminen Pohjanmeren tekosaarilla on harkinnassa, mikä siirtäisi sekä tuotannon että jakelun merelle.
Tällä hetkellä meneillään on konseptisuunnittelu ja erilaisten kokoonpanojen analysointi. Kustannusnäkökohdasta rannikolle vedettävien sähkökaapeleiden vähentäminen on merkittävä asia. Sen lisäksi P2X-laitokset voivat tasapainottaa uusiutuvan energian tuotannon vaihtelevuutta. Vetyä tuottavat elektrolyysit voivat toimia, kun tehontuotannossa on ylijäämää ja seisoa, kun kaikki tuotettu energia tarvitaan muuhun kulutukseen. Tämä voi parantaa vedyn tuotannon liiketoiminnallista kannattavuutta, koska sähkön hinta riippuu pitkälti tuotantokustannuksista, ja vaihteleva energian tarjonta ja kysyntä johtaa sähkön hinnan vaihteluihin.
Maakaasu koostuu pääasiassa metaanista eli CH4:stä. Maakaasuverkot on siis täytetty fossiilisella polttoaineella. Tulevaisuuden hiilineutraalius vaatii vihreää tai synteettistä maakaasua. Vihreän maakaasun tuottamiseksi on useita eri menetelmiä. Yksi tapa on käyttää biokaasua ja parantaa sitä. Biokaasu sisältää tyypillisesti 60 % metaania ja 40 % hiilidioksidia. Metaania voidaan syöttää suoraan kaasuverkkoon (sen jälkeen kun hiilidioksidi on erotettu). Hiilidioksidi on tärkeä eloperäinen hiilidioksidin lähde, ja sitä voidaan muuntaa metaaniksi kemiallisessa reaktiossa vedestä elektrolyysillä tehdyn vedyn kanssa.
Biokaasun parantamisen mahdollisuus ja putkistojen muuntaminen mustasta energiasta vihreäksi on myös analysoitavana.
Ammoniakki tuottaa nykyisellään yli prosentin maailman kasvihuonekaasupäästöistä. Ammoniakkia käytetään ensisijaisesti maatalouden lannoitteissa. Nykyisellään sitä tuotetaan maakaasusta saatavalla vedyllä prosessissa, jota sanotaan höyrymetaanireformoinniksi. Hiilineutraaliuden mahdollisuudet tällä alalla ovat suuret. Tämä tapahtuu korvaamalla fossiilisesta polttoaineesta saatava vety uusiutuvaan energiaan ja elektrolyysiin perustuvalla vihreällä vedyllä.
Ammoniakin maataloudessa käytön lisäksi siitä kaavaillaan tärkeää polttoainetta laivaliikenteelle. Ammoniakin tuotannon odotetaan siksi kasvavan moninkertaiseksi.
Uusiutuvaan energiaan perustuvien vihreiden polttoaineiden tuotanto on lisääntymässä merkittävästi. EU:lla on oma merellä tuotettavaa uusiutuvaa energiaa koskeva strategiansa, joka tavoittelee merituulivoiman tuotannon lisäämistä nykyisestä 12 GW:sta yli 60 GW:iin vuoteen 2030 mennessä ja jopa 300 GW:in tasoon vuonna 2050. Suurin osa siitä käytetään nykyisten energiajärjestelmien ylläpitämiseen, mutta merkittävä osa on tarkoitettu P2X-prosesseihin.
Sen lisäksi EU:n vetystrategian tavoitteena on ottaa käyttöön 6 GW:n elektrolyysilaitokset vuoteen 2024 mennessä, ja nostaa niiden tehoa 80 GW :iin vuoteen 2030 mennessä. Tästä puolet on suunniteltu EU-maiden ja puolet naapurimaiden osuudeksi.
Vaikka investoinnit ja toteutukset etenevät nopeasti, on silti tarvetta selventää tulevaa alan sääntelyä. Sähkön hinnan tulvaisuuden tariffien tai hiilidioksidin verotuksen kilpailevissa teknologioissa tulee olla selvillä ennen suuria investointipäätöksiä gigawattitason laitoksiin.
Vety ei ole hopealautasella tarjoiltu ratkaisu kaikkiin tulevaisuuden haasteisiin ilmastonmuutoksen ja hiilineutraaliuden kannalta. Suora sähkön käyttö on jatkossakin tärkein hiilineutraaliuden ratkaisu. Mutta vihreä vety ja e-polttoaineet ovat tärkein ratkaisu vaikeasti sähköistettäville aloille vuodesta 2030 eteenpäin.
Ramboll on mukana COP26-ilmastokokousessa. Jaamme näkemyksiämme hallituksille ja yrityksille ilmastotoimista, joilla saavutetaan hiilineutraalius ja edistetään kestävää muutosta.
Lue lisää Rambollin osallistumisesta COP26-ilmastokokoukseen ja oheistapahtumiin Glasgow´ssa. Tule tapaamaan meitä COP26:ssa.
Haluatko tietää lisää?
Eva Ravn Nielsen
Global Advisor
+45 51 61 04 83