Vetyä ydinenergialla

Ville Tulkki – 8.11.2020

Vety on kevein alkuaine, joka reaktio hapen kanssa muodostaa vettä ja vapauttaa energiaa. Vetyä käytetään myös monissa kemiallisissa prosesseissa, esimerkiksi lannoitteiden valmistuksessa tarvittava typpi tuotetaan reaktiossa, jossa vety yhdistyy ilman typen kanssa. Yhdistämällä vety hiileen voidaan tuottaa synteettisiä hiilivetyjä, esimerkiksi nestemäisiä polttonesteitä. Vety on käytössä puhdas energian kantaja, mutta haasteeksi tuleekin sen tuottaminen ilman hiilidioksidipäästöjä, sillä nykyään suurin osa maailman vedystä tuotetaan maakaasusta höyryreformoimalla. 

Vedystä maalaillaan nyt ratkaisua moneen tulevaisuuden vähäpäästöisen energiajärjestelmän haasteeseen, kuten tuuli- ja aurinkovoiman vaihtelevuuden kompensointiin, pitkän aikavälin energiavarastoksi, puhdistamaan lento- ja laivaliikennettä ja moneen muuhun. Vetyyn ollaan panostamassa lähiaikoina niin globaalisti kuin lähialueillammekin. Euroopan komissio arvioi Euroopassa uusiutuvaan vetyyn investoitavan 470 miljardin euron verran seuraavan kolmen vuosikymmenen aikana, ja aivan viime aikoina esimerkiksi Ranska ja Saksa ovat ilmoittaneet panostavansa 6 ja 7 miljardia euroa vedyntuotantoon lähivuosina. EU:n tavoitteena olisi 6 GW elektrolyyserikapasiteettia vuoteen 2025 mennessä ja 40 GW kapasiteettia vuoteen 2030 mennessä.  

Nykyiseen vedyntuotantoon kuluu noin prosentti-pari maailman primäärienergiasta, joten sen muuttaminen vähäpäästöiseksi toisi suunnilleen vastaavat päästövähenykset. Niin laiva- kuin lentoliikennekin tuottavat molemmat pari prosenttia maailman päästöistä (liikenne kokonaisuudessaan neljänneksen), kun taas esimerkiksi terästuotanto, jonka vedyllä voisi puhdistaa, taas kattaa 7-9% fossiilisista polttoaineista tulevista päästöistä. Siirtyminen vähäpäästöiseen vetytalouteen voisikin kattaa suuren osan näistä päästöistä, riippuen tietenkin vetytalouden laajuudesta. Vety on kuitenkin vain energian kantaja, ei sen lähde, ja vesimolekyyli voidaan halkaista monella tapaa. Blogin teeman mukaisesti tässä keskitytään vedyn tuottamiseen ydinenergialla.

Vedyn tuottaminen ydinenergialla

Vedyn tuottamista ydinenergian avulla on tutkittu vuosikymmeniä, ja esimerkiksi kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n sivuilla on sekä paljon raportteja kiinnostuneille sekä prosessin mallintamiseen tehtyjä työkaluja. Maailmalla ydinvedyn suuria maita ovat perinteisesti olleet kaasujäähdytteisten reaktoreiden kehittäjät, kuten Yhdysvallat, Japani, ja Saksa. Myös Ranskassa ja Iso-Britanniassa on nyt aloitteita ydinvedyn valmistamiseen.

Ydinenergiaa käytettäisiin veden hajottamiseen vaaditun energian tuottamiseen, joko sähkön, lämmön, tai molempien muodossa. Veden hajottamiseen käytetty teknologia vaikuttaa siihen millaista ydinteknologiaa energian tuottaminen vaatii.

Elektrolyysi

Yksinkertaisimmillaan ydinvetyä voisi tuottaa käyttämällä ydinvoimalan tuottamaa sähköä elektrolyysereissa, joilla vettä hajotetaan vedyksi ja hapeksi matalassa lämpötilassa. Matalan lämpötilan elektrolyysereitä on kaupallisessa käytössä paria eri teknologiaa, mutta käytännössä niillä hajotetaan nestemäisestä vedestä vetyä ja happea sähkövirran avulla. Näiden käyttäminen olisi ydinvoimalan kannalta yksinkertaista, sillä vedyntuotanto olisi ulkoistettu sähköverkon puolelle, eikä laitoksiin tarvitsisi tehdä muutoksia. Demonstraatioprojekteja on valmisteilla useita, esimerkiksi Yhdysvalloissa sekä Isossa-Britanniassa, mutta ne ovat yleisesti ydinvoimaloiden mittakaavoilla pieniä, 1-2 MW, ja enemmän teknologiademoja joilla on erityissovelluksia. Ensimmäiset pienet demot esimerkiksi tuottavat vetyä laitoksen omaan käyttöön (sähkögeneraattoreita jäähdytetään vedyllä), jatkossa suuremman mittaluokan sovellukset olisivat toisia. Esimerkiksi tilanteissa joissa verkossa on ylituotantoa ja sähkön hinta maissa voisi vetylaitoksella tuottaa enemmän vetyä, toisaalta suurimittainen vedyntuotanto toisi uuden myytävän tuotteen sähkön lisäksi ydinvoimaloille. 

Korkean lämpötilan höyryelektrolyysi

Jos vesihöyryä on saatavissa korkeassa lämpötilassa, vetyä voitaisiin tehokkaasti tuottaa kiinteäoksidielektrolyysereillä (solid oxide electrolyzer cell, SOEC). Näillä hyötynä ovat matalan lämpötilan elektrolyysereitä halvemmat materiaalit ja se että osa prosessin vaatimasta energiasta voidaan tuoda lämpönä. Matalan lämpötilan elektrolyysiin verrattuna tässä tulee hyötysuhde-etu, silloin kun molekyylin pilkkomiseen tarvittava energia tulee lämpövoimalaitoksesta. Sähköntuotannossa hyötysuhde on rajoitettu, mutta lämmöntuotannossa ei. Mitä suurempi osuus energiasta saadaan lämpönä, sitä suuremman kokonaishyötysuhteen se mahdollistaa. Vastaava periaate ei kuitenkaan päde tuuli- ja aurinkosähkölle mihin ei vastaavaa termodynaamisen hyötysuhteen rajoitusta liity. Lämmön käyttäminen on eduksi jos reaktioon voidaan käyttää puhtaasti tuotettua lämpöä ulkoisesta lähteestä, kuten esimerkiksi vetyä käyttävästä synteesiprosessista tai sitten vaikka ydinreaktorista. Haasteena on SOECin tarvitsema lämpötila, joka on välillä 550 – 850 C. Näin korkealämpöistä höyryä ei kuitenkaan välttämättä tarvitsisi esimerkiksi ydinreaktorilla tuottaa, sillä suurin energia vesihöyryn tuottamiseen vaaditaan veden kiehuttamiseen. Lämpö otettaisiin ydinlaitoksen sekundääripiiristä tai turbiinin väliotosta, mikä tuo omat selvityksen tarpeensa jos vedyntuotantolaitos olisi kiinteästi yhteydessä ydinvoimalaan. Samanlaisia selvitettäviä kysymyksiä tulee tosin kaikissa ydinlämmön käyttösovelluksissa.

SOECit ovat teknologiana varhaisemmassa vaiheessa kuin matalan lämpötilan elektrolyyserit, mutta demonstraatioprojekteja on käynnissä. Esimerkiksi Yhdysvalloissa julistettiin vastikää projekti ydinvoimalan yhteyteen soveltuvan 250 kW höyryelektrolyyserin testaamisesta, jonka pitäisi mahdollistaa satojen megawattien elektrolyyserisovellus tämän vuosikymmenen loppupuolella. SOECien yhdistämistä korkean lämpötilan ydinreaktoreihin on esitetty yhtenä mahdollisuutena suurimittaiseen puhtaan vedyntuotannon polkuun, mutta tämä vaatisi vielä panostuksia sekä vetyteknologiaan että ydinteknologiaan.

Katalyyttinen termolyysi

Vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi myös lämpötilan vaikutuksesta. Ilman katalyyttejä tähän tarvittaisiin monen tuhannen celsiusasteen lämpötiloja, mutta erilaisilla katalyyteilla voidaan vettä hajottaa paljon matalammissa lämpötiloissa. Tarkoituksenmukaisissa kemiallisissa kierroissa katalyytteja voidaan kierrättää prosessissa siten että lopulta prosessiin laitetaan vettä ja energiaa ja ulos saadaan vetyä ja happea. Erilaisia kiertoja on kehitetty niin ydinlämmön kuin keräävän aurinkolämmön hyödyntämiseen. Hyöty termolyysissa olisi se että se käyttäisi suoraan lämpöä sähkön sijaan, ja myös energiatehokkuus olisi korkeampi kuin elektrolyysissä. Haasteena ovat korkeat vaaditut lämpötilat ja vetylaitoksen sijoitus ydinlaitoksen läheisyyteen. Lämpö otettaisiin ydinreaktorista useamman lämmönvaihtimen kautta, ja sen takia itse reaktorissa lämpötilat olisivat korkeammat kuin mitä kemialliset prosessit vaativat.

Hyvin klassinen vedyn tuotannon kemiallinen kierto on rikki-jodikierto, jota on kehitetty hyödyntämään hyvin korkean kaasujäähdytteisen ydinreaktorin tuottamaa lämpöä. Japanissa on kehitetty sekä kemiallista kiertoa että korkean lämpötilan testireaktoria HTTR:ää, tarkoituksena lopulta yhdistää nämä kaksi teknologiaa ydinvedyn tehokasta tuottamista varten. Edellisen vetybuumin aikaan Yhdysvalloissa oli projekti Next Generation Nuclear Plant hyvin korkean lämpötilan ydinreaktorin kehittämiseksi jolla olisi voitu tuottaa vetyä tällä prosessilla, mutta teknologiset haasteet sekä vetykiinnostuksen hiipuminen vesisärötyksellä saatavan maakaasun yleistyttyä ajoivat projektin alas.

Rikki-jodisykli koostuu kolmesta reaktiosta, jossa ensimmäisessä jodi, rikkidioksidi ja vesi reagoivat muodostaen vetyjodidia rikkihappoa, toisessa reaktiossa rikkihappo hajotetaan lämmöllä rikkidioksidiksi, vedeksi ja hapeksi (prosessin tästä vaiheesta saadaan ulos puhdasta happea), ja kolmannessa vetyjodidi hajotetaan lämmöllä vedyksi ja jodiksi (jolloin saadaan prosessista vety). Rikkioksidi, vesi ja jodi kierrätetään taas ensimmäiseen reaktioon, ja tuloksena on suljettu kierto jossa kaikki komponentit ovat joko nestemäisiä tai kaasumaisia. Haasteena on se, että vetyjodidi ja rikkihappo ovat molemmat voimakkaita happoja, ja se että reaktiot vaativat lämpötiloja välillä 120 – 830 astetta Celsiusta. Vastaavasti ydinreaktoria jäähdyttävän kaasun olisi kuumimmillaan oltava luokkaa 950 C. Tällä hetkellä vedyntuotanto tällä syklillä on demonstroitu pienen vetymäärän (30 litraa vetyä tunnissa) noin viikon yhtäjaksoisella tuotannolla. Määrien kasvattaminen teolliseen mittakaavaan vaatii korkeita lämpötiloja ja korroosiota kestävien terästen kehittämistä, ja tämä voi olla pitkää T&K-panostusta vaativa tie. 

Rikki-jodisykli. Kuvan lähde.

Hybridisyklit

Vedyn tuottamiseen on esitetty myös erilaisia hybridisyklejä, jotka pohjaisivat osittain katalyyttisiin reaktioihin ja osittain elektrolyysiin. Näiden hyödyt olisivat elektrolyysiä suurempi lämmön hyödyntäminen ja matalammat lämpötilat kuin puhtailla lämpöprosesseilla. Yksi hybridiprosessi olisi kuparikloorisykli, jossa tosin ylimääräisenä haasteena on se että osa prosessin aineista ovat kiinteässä muodossa. 

(Ydin)vedyn tulevaisuus vielä auki

Vety on mahdollinen keino puhdistaa monia vaikeasti hiilidioksidipäästöistä irrotettavia aloja. Teknologian puolesta puhdasta tai vähäpäästöistä vetyä voidaan tuottaa monin tavoin, ja se ehkä on myös syy miksi nimistä ja leimoista väännetään voimakkaasti kättä. Tässä tekstissä olen käyttänyt termejä vähäpäästöinen tai puhdas vety, joille yksi määritelmä on esimerkiksi Hydrogen Europen tiekartassa. Sielläkin jo “puhdas” on rajattu tarkoittamaan yhden sertifikaatin määritelmää, joten näissä kannattaisi olla tarkkana.

Myös värikoodeja on käytetty, vihreä on vakiintunut uusiutuvalla energialla tuotetulle vedylle, harmaa fossiilisille vedylle, sininen ilmeisesti maakaasuvedylle josta hiili on kaapattu ja varastoitu. Ydinvedyn väriä ei ole missään virallisesti määritelty, viime aikoina yleistynyt väri on pinkki, joka mahdollisesti on saksalaista alkuperää. Toisaalta ydinvety on ajoittain myös yhdessä muiden kestävästi tuotettujen vetyjen kanssa vihreää, ja jossain on ydinvedylle esitetty myös keltaista väriä. Nämä leimat eivät ole tarkkaan määriteltyjä, omasta puolestani väri voisi olla vaikka fuksianpunainen.

EU on valmistellut vetystrategiaa, mutta ainakin virallisen tiedotteen osalta jatkaa perinteisellä ydinvoimavastaisella linjalle. Termi “puhdas vety” on rajattu tarkoittamaan vain uusiutuvilla tuotettua vetyä ja “vähäpäästöinen vety” viittaa fossiilisista polttoaineista tuotettuun vetyyn jonka hiilidioksidipäästöjä on rajoitettu hiilen sieppaamisella ja varastoinnilla. Toisaalta EU:n jäsenmaat kuten Ranska ja Puola ovat pitäneet esillä vedyn tuotantoa myös ydinenergialla, joten tässäkin EU-tason strategia pikemminkin pyrkii rajoittamaan jäsenmaiden ilmastotoimia kuin tukemaan niitä.

Vetytalouteen panostetaan nyt paljon, mutta vähäpäästöisen teknologian käyttöönotto on vasta edessä. Vuonna 2019 elektrolyysereita otettiin käyttöön 25 MW edestä, kun lähivuosikymmenten tarpeissa puhutaan kymmenien ellei satojen gigawattien määristä. Teknologian määrän pitäisi siis kasvaa useilla dekadeilla ennen kuin päästään nyt asetettuihin tavoitteisiin. Esimerkiksi kirjoituksen alussa mainittujen EU:n tavoitteiden saavuttaminen yksinään vaatisi elektrolyysereiden vuotuisen asennusvauhdin satakertaistumista seuraavan muutaman vuoden kuluessa. Lisäksi vety tarvitsee varastointi- ja siirtoinfrastruktuurin, loppukäytön vaatimuksista puhumattakaan. Mutta tällaisia uuden infrastruktuurin rakentamisvauhteja ilmastonmuutos tarvitsee. Toisaalta vetytalouden kanssa kilpailevat myös teollisuuden, lämmityksen ja liikenteen sähköistyminen, joten vaadittavan vedyn määrä tulevaisuudessa jää myös nähtäväksi. Voi myös perustella näkemystä jonka mukaan energiakentässä vety jää marginaaliin ja lähinnä kemianteollisuuden raaka-aineeksi.

Mikä rooli vähäpäästöisellä ydinenergialla tuotetulla vedyllä on tulevaisuudessa on vielä epäselvää. Ydinenergia mahdollistaisi vedyn tuotannon suureen paikalliseen tarpeeseen, kuten palvelemaan teollisuuslaitoksia keskitetysti ilman tarvetta suuriin varastoihin tai sähkön massiiviseen siirtoon. Sekä vedyn tuotannon että käytön osalta on vielä paljon epävarmuuksia. Mutta juuri tuon epävarmuuden takia tarvitsemme myös vaihtoehtoisia teknisesti mahdollisia polkuja kohti vähäpäästöistä yhteiskuntaa, ja ydinenergialla tuotettu vety on yksi näistä tulevaisuuden suurista mahdollisuuksista.