Anna Pekala, Erik Nikolai Udbye and Eva Ravn Nielsen
4. tammikuuta 2024
Vihreän vedyn hierarkia
Vihreää vetyä pidetään monesti jonkinlaisena ihmeratkaisuna, jonka avulla energia- ja liikennealan eri osa-alueista saadaan hiilineutraaleja. Skaalattavuuden, kustannustehokkuuden ja investointien kannattavuuden osoittamisen kannalta on kuitenkin tärkeää tietää tarkalleen, missä ja miten vetyteknologiaa kannattaa käyttää.
Tässä artikkelissa tutustutaan tarkemmin käytännöllisimpiin toteutettavissa oleviin vetysovelluksiin ja erityisesti vihreän tai matalahiilisen vedyn ja vetyjohdannaisten eli niin sanottujen sähköpolttoaineiden käyttöön. Suosituksemme on, että vetysovelluksiin panostettaisiin enemmän ensisijaisesti osa-alueilla, joilla on jo valmiiksi kysyntää, sekä raskaassa liikenteessä, lannoitteiden tuotannossa ja vaikeasti sähköistettävillä teollisuudenaloilla, joilla on myös vakiintunutta kysyntää ja joilla vaihtoehtoja vedyn ja vetypohjaisten sähköpolttoaineiden käytölle on vähän tai vaikea löytää.
Vihreän vedyn laajamittainen käyttöönotto edellyttää uusiutuvan energian tuotannon laajentamista, jotta voidaan varmistaa, että vedyn ja sähköpolttoaineiden tuotantoa varten on saatavilla kohtuuhintaista vihreää energiaa ilman, että sähköistyminen hidastuu. Vetysovellusten valinnassa olisi edelleen tärkeää painottaa toteutettavuutta sekä strategista merkitystä hiilineutraalisuuden kannalta, vaikka tilanne voikin muuttua siinä vaiheessa, kun vihreää sähköä on saatavilla runsaasti tai jos sen käyttöä on tarvetta leikata. Kuhunkin sovellukseen on osattava valita oikea ratkaisu, olipa kyse sitten energian käytön tehostamisesta, sähkön suorasta käytöstä, biopolttoaineiden hyödyntämisestä tai vihreän vedyn ja sähköpolttoaineiden käytöstä.
Vety on noussut matalahiilisen tulevaisuuden toteutumisen kannalta keskeiseksi osatekijäksi. Sen potentiaali tunnustetaan laajalti ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi energian varastointimuotona, polttoaineena ja monin muin tavoin. Kaikki vetysovellukset eivät kuitenkaan ole samalla viivalla, vaan joillakin niistä on enemmän potentiaalia tulla laajasti käyttöön.
Alan asiantuntijoiden kesken käydään jatkuvaa keskustelua siitä, kuinka suuri merkitys vedyllä on energiajärjestelmissämme ja mitkä sen käyttötapauksista ovat teknisesti toteutettavissa ja taloudellisesti järkeviä. Vaikka vedyn tulevaisuus näyttää lupaavalta, keskustelussa on edelleen monia vivahteita, sillä joidenkin sovellusten osalta näyttää siltä, ettei niiden laajamittaiselle käyttöönotolle ole kokonaisvaltaista perustetta. Resurssien (uusiutuva energia, biogeeninen hiilidioksidi jne.), infrastruktuurin, jakelun ja varastointimahdollisuuksien rajallisuuden vuoksi on ehdottoman tärkeää omaksua realistinen lähestymistapa määritettäessä, mitkä vetysovelluksista ovat sellaisia, jotka voivat aidosti edistää hiilineutraalisuuteen tähtäävien tavoitteiden saavuttamista ja joiden ympärille rakentuva liiketoiminta on samalla taloudellisesti kannattavaa.
Energiajärjestelmiä arvioidessaan Ramboll käyttää hiilineutraalisuuden osalta hierarkkista lähestymistapaa, jossa asetamme hiilineutraalisuuden saavuttamisen kannalta tehokkaimmat ja toteuttamiskelpoisimmat ratkaisut järjestelmällisesti paremmuusjärjestykseen. Järjestys määräytyy seuraavilla perusteilla:
- Energian kokonaiskysynnän vähentäminen siten, että panostetaan aiempaa vahvemmin vältettävissä tai rajoitettavissa olevien energiaintensiivisten toimintojen lopettamiseen
- Optimointi (energiatehokkuuden parantaminen ja nykyisten järjestelmien parantaminen)
- Sähköistäminen
- Vihreät polttoaineet (mukaan lukien vety, sähköpolttoaineet ja biopolttoaineet)
- Lisätoimenpiteet, kuten hiilidioksidin talteenotto ja varastointi tai muut poistotekniikat
Optimointi ja sähköistäminen ovat toteuttamiskelpoisia strategioita monilla eri sektoreilla ja teollisuudenaloilla, kuten asuintalojen lämmityksessä, kaupunkiliikenteessä ja sähköjärjestelmien tasapainottamisessa. Siitä, missä sähköistämistä pitäisi ja voidaan hyödyntää, ja missä vihreät polttoaineet ovat parempi vaihtoehto, on kuitenkin useita eri näkemyksiä. Tässä yhteydessä kysymys kuluu myös, minkä tyyppisten vihreiden polttoaineiden käyttöä tulisi harkita. Tämä koskee niin biopolttoaineita kuin sähköpolttoaineita. Näissä puitteissa on pystyttävä määrittämään optimaalisimmat vedyn käyttötapaukset.
Ramboll korostaa, että käytettävissä olevien resurssien käytön optimoimiseksi ja teknologisen kehityksen hyödyntämiseksi on tärkeää kohdistaa Power-to-X-aloitteita ensin aloille, joilla on jo valmiiksi kysyntää vedylle. Erityisesti aloitteita tulisi suunnata aloille, joilla on vaikeaa tai jopa mahdotonta saavuttaa täysi hiilineutraalisuus pelkän sähköistämisen avulla. Näihin sisältyvät seuraavat käyttötavat:
- Vetyä käytetään suoraan sen kemiallisten ominaisuuksien vuoksi (esim. pelkistysaineena ja raaka-aineena teräksen valmistuksessa, lannoitteissa, jalostuksessa ja kemikaaleissa)
- Vetyä tai sen johdannaisia käytetään niiden energiatiheyden tai siirrettävyyden vuoksi liikennesovelluksissa ja energian varastoinnissa
Seuraavassa esitetään arvio siitä, millä aloilla ja millaisissa käyttötapauksissa odotetaan tältä osin kasvua lyhyellä aikavälillä:
Kuten edellä on esitetty, merenkulkuala sekä lannoite-, teräs- ja kemianteollisuus ovat matalahiilisten vety- ja sähköpolttoainesovellusten edelläkävijöitä. Näillä sektoreilla toiminta joko perustuu kokonaan vetyyn tai, kuten merenkulussa ja ilmailussa, edellyttää energiatiheää nestemäistä energiankantajaa, kuten metanolia, ammoniakkia tai kerosiinia. Kysynnän näkökulmasta katsottuna 99 prosenttia nykyisestä 95 miljoonan tonnin maailmanlaajuisesta vedyn kysynnästä vuonna 2022 oli peräisin jalostus- ja teollisuussektoreilta.1 Valitettavasti tästä kysynnästä aiheutui myös merkittävästi määrä kasvihuonekaasupäästöjä (noin 2,5 prosenttia maailmanlaajuisista päästöistä), koska sektoreilla käytettiin pääasiassa ympäristöä saastuttavia tuotantomenetelmiä.
Näissä käyttötapauksissa vaihtoehtoja vihreälle vedylle ja sähköpolttoaineille voivat olla biomassasta ja jätteistä valmistetut biopolttoaineet – myös metanolin ja kerosiinin muodossa – jotka perustuvat eri raaka-aineisiin ja kemiallisiin prosesseihin kuin vesielektrolyysin avulla valmistetut sähköpolttoaineet.
Huonommin soveltuvia käyttötapauksia ovat esimerkiksi asuinrakennusten lämmitys ja kaupunkiliikenne. Näihin sovelluksiin soveltuu paljon paremmin suora sähköistäminen. Rakennusten lämmittämiseen käytettävät lämpöpumput tarvitsevat noin viisi–kuusi kertaa vähemmän uusiutuvaa sähköä kuin vetyä käyttävä lämmityskattila.2 Sähköistämisestä saattaa tulla yleisin mutta ei ainoa vaihtoehto tilojen lämmityksessä. Teollisuusprosesseista tai esimerkiksi datakeskuksista peräisin olevaa matalalämpöistä hukkalämpöä voidaan hyödyntää kaukolämpöjärjestelmissä.
Autojen osalta sähköajoneuvot ovat jo voitolla, koska ne tarjoavat vetyautoihin tai polttokennosähköajoneuvoihin verrattuna halvemman ja yksinkertaisemman ratkaisun. Sähköajoneuvojen valmistus ja käyttö on yleensä edullisempaa, koska akkujen hinta laskee ja saatavuus paranee jatkuvasti. Ne ovat myös teknisesti vähemmän monimutkaisia, koska niissä ei tarvita yhtä paljon erikoiskomponentteja kuin polttokennosähköajoneuvoissa. Lisäksi sähköajoneuvojen latausinfrastruktuuria rakennetaan jatkuvasti lisää ja sitä on käytettävissä paremmin, mikä kallistaa vaakaa entisestään sähköistämisen eduksi. Sähköenergian liikkeeksi muuntamisen hyötysuhde on myös sähköajoneuvoissa korkeampi kuin polttokennosähköajoneuvoissa käytetyssä monivaiheisessa prosessissa, jossa vety muunnetaan sähköksi. Kaikkien näiden tekijöiden johdosta sähköajoneuvoista on käytännössä tullut matkustajaliikenteessä ensisijainen ratkaisu, ja vedyn käytölle tällä alalla näyttää löytyvän yhä vähemmän perusteluja. Vastaavaa lähestymistapaa voidaan käyttää myös arvioitaessa muita vetyyn ja sähköistämiseen sovellettavissa olevia teknologioita. Tärkeimpiä arvioinnissa huomioitavia näkökohtia ovat tehokkuus, monimutkaisuus ja olemassa oleva infrastruktuuri.
Käyttötapauksiin, jotka ovat jossain edellä mainittujen välillä, liittyy enemmän epävarmuustekijöitä. Tällaisia ovat pitkän matkan kuorma-autoliikenteeseen, energian varastointiin ja teollisuusprosesseissa korkean lämpötilan tuottamiseen liittyvät sovellukset. Huomioon on otettavat tuotantokustannukset, maantieteelliset näkökohdat, energiatiheys ja infrastruktuuri.
Yritysten ja rahoituslaitosten muodostaman Energy Transitions Commissionin hiljattain tekemässä tutkimuksessa korostetaan, että vuoteen 2050 asti tarvitaan 1,1 biljoonan dollarin vuotuiset investoinnit verkkoinfrastruktuuriin, jotta maailmanlaajuinen nollapäästötavoite voidaan saavuttaa.3
Tämä on merkittävä taloudellinen sitoumus, joka vielä todennäköisesti kasvaisi huomattavasti, jos täydellinen sähköistäminen valittaisiin aina, kun se on teknisesti mahdollista. Vaikka tämä olisi teoriassa mahdollista, se ei välttämättä ole aina paras mahdollinen valinta kaikkiin sovelluksiin. Erilaisia sovelluksia olisi sen vuoksi arvioitava strategisesti, jotta voidaan varmistaa, että vety tarjoaa muiden teknologioiden kehityskulkuun verrattuna parhaan mahdollisen ratkaisun. Lisäksi voidaan odottaa, että vedyn ja elektrolyyserien valmistusteollisuudessa odotettavissa oleva kehitys ja tuotannon kasvu hyödyttävät myöhempiä sovelluksia.4 Vaikka kyseiset sovellukset eivät ehkä vielä ole toteuttamiskelpoisia, vuonna 2030 tai 2035 ne voivat jo olla – riippuen siitä, millaiseen vauhtiin vetyteollisuus pääsee.
Teollisuudessa käydään keskustelua vedyn ja sähköpolttoaineiden käytännöllisistä sovelluksista sekä laajasti vaihtelevista arvioista tulevien vetymarkkinoiden ennustetusta koosta. Vaikka vety on todettu monipuoliseksi hiilineutraalisuutta edistäväksi välineeksi, teollisuuden asiantuntijat kiistelevät edelleen siitä, kuinka laajasti se on käytännössä sovellettavissa.
Michael Liebreich, joka tunnetaan ”puhtaan vedyn tikkaiden” käsitteen popularisoinnista ja joka kutsuu vetyä energiaratkaisujen monikäyttöiseksi ”linkkuveitseksi”, kannattaa sähköistämistä kaikissa tilanteissa, joissa se on mahdollista, ja kyseenalaistaa joitakin spekulatiivisia vetysovelluksia voimakkaasti. Hän korostaa, että monikäyttöisyys ei aina tarkoita tehokkuutta tai kustannustehokkuutta, ja käyttää esimerkkinä linkkuveitsen käyttämistä erilaisiin tehtäviin, vaikka monissa tapauksissa erikoistuneemmat työkalut ovat käytännöllisempiä, turvallisempia tai halvempia. Liebreichin vetytikaskaaviossa arvioidaan vedyn käytön kannattavuutta ehdotetuissa sovelluksissa ja tuodaan esiin paitsi sähköistämisen myös biopolttoaineiden myötä syntyvä kilpailu.
Sitä vastoin yritykset, jotka investoivat voimakkaasti vetyteknologiaan, saattavat pyrkiä ylikorostamaan sen mahdollisia sovelluksia ja hyötyjä nopeuttaakseen sen käyttöönottoa markkinoilla. Erilaisten näkökulmien myötä syntyvä mielipiteiden kirjo vaikeuttaa neutraalin, näyttöön perustuvan arvion tekemistä vedyn roolista. Lisäksi vakiintuneet energia-alan toimijat saattavat pyrkiä viemään keskustelua omien etujensa mukaiseen suuntaan, esimerkiksi infrastruktuurirakenteisiin tai liiketoimintamalleihin. Tämä voi johtaa siihen, että ne asettavat oman agendansa laajempien yhteiskunnallisten ja ilmastotavoitteiden edelle, mikä vaikeuttaa arviointiprosessia entisestään.
Ramboll ottaa huomioon molemmat näkemykset ja korostaa, että vedyn roolia on arvioitava laajemmassa hiilineutraalisuuden energiakontekstissa. Meidän lähtökohtamme ei ole se, että vety ja sähköistäminen kilpailevat keskenään, vaan näkemyksemme mukaan sekä vety- että Power-to-X-teknologiat täydentävät sähköistämispyrkimyksiä. Ne ovat seuraava looginen askel hierarkiassa, jossa vety ja sähköistäminen nähdään molemmat hiilineutraalisuustavoitteiden saavuttamisen kannalta olennaisen tärkeinä. Sekä vedyllä että sähköistämisellä on oma roolinsa nykyiseen ja odotettavissa olevaan energiantarpeeseen vastaamisessa, ja varovaisen optimistinen lähestymistapa on hyvä tapa edetä.
”Vety ei ole ihmeratkaisu, jonka avulla pystymme selvittämään kaikki ilmaston lämpenemiseen ja hiilidioksidipäästöjen riittävään vähentämiseen liittyvät tulevaisuuden haasteet. Suora sähköistäminen on hiilineutraalisuuden saavuttamisen kannalta tärkein ratkaisu, mutta vaikeasti sähköistettävillä aloilla pääosassa ovat vuodesta 2030 alkaen vihreä vety ja sähköpolttoaineet.”
”Tavoitteenamme on auttaa kaikkia teitä tekemään Power-to-X-sovelluksista kestävä ratkaisu – eikä vain ympäristön vaan myös talouden ja yhteiskunnan kannalta.”
Haluatko tietää lisää?
Anna Pekala
Market Director
+45 51 61 26 75
Erik Nikolai Udbye
Consultant - SSC
+45 60 36 12 27
Eva Ravn Nielsen
Global Advisor
+45 51 61 04 83