Vedystä kaavaillaan tulevaisuuden polttoainetta – nämä kolme päätekniikkaa ovat tällä hetkellä kehitteillä

JCB on tällä hetkellä yksi voimakkaimmin työkoneiden vetytekniikkaa kehittävä yhtiö maailmassa. Kuvassa vetymoottori on asennettu JCB 532-70 -kurottajaan. Kuva: Arto Turpeinen

Vedystä kaavaillaan uutta polttoainetta, jota valmistettaisiin tuulesta ja auringonvalosta tuotetulla sähköllä. Sillä tankattaisiin raskaita kuoma-autoja ja suurta tehoa vaativia koneita, joiden käyttäminen akkuvoimalla olisi liian kallista tai mahdotonta. Vety on nähty myös lupaavana sähkön välivarastona, koska vedyn valmistus voitaisiin ajoittaa niihin hetkiin, jolloin tuulituotanto ylittää muun tarpeen.

Perusajatuksena on, että tuulen tai auringon tuottama sähkö syötettäisiin laitoksiin, joissa vesimolekyylejä pilkottaisiin elektrolyysin avulla puhtaaksi hapeksi ja vedyksi.

Sähkön muuntaminen täysin toisentyyppiseksi energiaksi on kuitenkin aina häviöllistä. Tässä tapauksessa muunnoshäviöt ovat suuret, mutta yksimielisyyttä niiden tarkasta suuruudesta ei näytä olevan. Kun häviöt ketjun joka vaiheessa lasketaan yhteen, on ainakin puolet alkuperäisestä energiasta menetetty.

Laskutavoista riippuen voidaan hyvänä tuloksena pitää tilannetta, jossa edes puolet tai ainakin kolmannes alkuperäisestä energiasta olisi käytettävissä. Se ei ole huono tilanne, jos toisena vaihtoehtona on se, ettei ajoittaiselle sähkön liikatuotannolle ole mitään järkevää käyttöä.

Tällä hetkellä varastointi kulkuneuvoja ja liikkuvia koneita varten toteutuu pääsääntöisesti akuilla. Niiden valmistus vaatii rajallisia luonnonvaroja eikä kaikkien tarvittavien materiaalien saatavuus riitä täyttämään tulevia tarpeita. Siksi uusia ratkaisuja on etsitty kuumeisesti viimeiset 20 vuotta.

Siitä, millä tekniikalla vetyä hyödynnettäisiin autoissa ja liikkuvissa koneissa, on useampia näkemyksiä. Tällä hetkellä aktiivisen kehitystyön alla on kolme päävaihtoehtoa: vetyä syötetään polttokennoon, joka synnyttää sähkövirran tai dieselmoottorissa poltetaan joko puhdasta vetyä (H2) tai vedystä ja hiilidioksidista valmistetaan synteettisesti sopivaa hiilivetyä, esimerkiksi metaania.

Polttokennovaihtoehto on läheistä sukua sähköautoille ja -koneille, jotka saavat käyttövoimansa akuista. Itse asiassa polttokennon rinnalla tarvitaan käytännössä aina myös akkua, sillä polttokenno tuottaa tasaista sähkövirtaa eikä polttokennon kapasiteetti ei riitä huippukuormituksien aikana.

Kaasumaista vetyä voi myös käyttää suoraan sille suunnitellussa polttomoottorissa. Tätä vaihtoehtoa on alettu aivan viime aikoina tutkia voimakkaasti, sillä osa moottorivalmistajista ei usko kaikkien polttokennoon liittyvien avoimena olevien ongelmien olevan ratkaistavissa riittävän nopeasti.

Kolmantena vaihtoehtona on tehdä elektrolyysillä tuotetusta puhtaasta vedystä synteettistä metaania tai metanolia yhdistämällä vety kemiallisessa synteesissä hiilen kanssa. Tässä tekniikassa on samalla mahdollisuus toteuttaa hiilidioksidin talteenottoa, sillä synteesissä hiilidioksidi on käyttökelpoinen hiilen lähde.

Synteettisen metaanin tai metanolin valmistukseen käytettäviä prosesseja kutsutaan yleisesti metanoinniksi. Käytännössä se voidaan toteuttaa hyvin erilaisilla menetelmillä. Nämä ratkaisut poistaisivat kaasumaisen vedyn jakeluun ja sen vaatimaan suureen tilaan liittyvät hankaluudet.

Polttokennotekniikan etuna on sen mekaaninen yksinkertaisuus. Itse prosessi on luotettava, mutta sen soveltaminen liikkuvissa laitteissa on haasteellista. Toinen iso etu on polttokennon kanssa tarvittava sähköinen voimansiirto, joka on suhteellisen edullinen rakentaa eikä vaadi huoltoa. Myös polttokennojen kanssa tarvitaan akkuja, mutta erotuksena tavallisiin sähköautoihin ja -koneisiin polttokennon yhteydessä tarvittavat akut ovat paljon pienempiä, mikä säästää materiaaleja ja pienentää painoa.

Haittapuolena on polttokennon hinta ja käyttöiän rajallisuus. Myös jäähdytysongelmat ovat haasteellisia suuritehoisissa laitteissa. Suurena vaikeutena voivat olla pitkän ylämäen ja hellekelin yhdistelmät, joissa jäähdytystä ei saada järkevästi hallintaan (polttokennojen lämpötila ei saa ylittää 90 astetta).

Suurimmat ongelmat, jotka haittaavat polttokennojen käyttöä työkoneissa, liittyvät korkeisiin kustannuksiin ja polttokennojen kestävyyteen. Korkea hinta johtuu suurelta osin katalyyttinä käytetyn platinan kalleudesta. Kestävyys puolestaan kärsii pölyisestä käyttöympäristöstä. Polttokenno voi tuhoutua, mikäli sen lämpötila laskee alle nollan koneen seisoessa pidemmän aikaa.

Puhdasta vetyä voidaan käyttää polttokennon sijasta myös tarkoitusta varten suunnitellussa polttomoottorissa.

Lue Koneviestin nettisivuilta, mitä tämä vaatii ja millaisia ovat suomalaiset vetyhankkeet!

Sinua saattavat kiinnostaa myös seuraavat artikkelit:

Tutustu vetyteknologian käsitteisiin

JCB esitteli ensimmäiset vetykoneensa päästäkseen hiildioksidipäästöistä eroon – projektiin on mahtunut myös katkeransuoloinen kokeilu

Ensimmäinen polttokennotraktori valmistettiin jo 1959 – traktorien osalta projekti jäi kertaluontoiseksi, mutta Allis-Chalmers sai hyvän asiakkaan NASA:sta