Ilmastonmuutoksen hidastamiseksi fossiilisten polttoaineiden käyttöä on vähennettävä. Yksi merkittävistä hiilidioksidipäästöistä on maakaasun käyttö vedyn valmistuksessa. Tällä hetkellä lähes kaikki vety valmistetaan maakaasusta.

Vetyä käytetään erityisesti kemianteollisuudessa ammoniakin ja metanolin tuottamiseen. Sitä hyödynnetään myös öljynjalostuksessa.

Yhtenä hiilidioksidipäästöjä vähentävänä keinona pidetään vetytaloutta. Siinä sähköenergiaa varastoidaan vedyn muotoon. Vetyä voidaan sen jälkeen joko käyttää sellaisenaan tai jalostaa edelleen.

Vetyä on mahdollista valmistaa myös vedestä sähkön avulla. Kun sähkö on tuotettu uusiutuvien energialähteiden avulla, saadaan aikaan merkittäviä vähennyksiä hiilidioksidipäästöissä.

Vedyn valmistus sähkön avulla on eräs power-to-x-teknologioista. Muita power-to-x-teknologioita voivat olla esimerkiksi hiilidioksidin talteenotto sekä hiilidioksidista ja vedystä valmistettu metaanikaasu, jolla voidaan korvata maakaasu polttoaineena.

Vedystä ja hiilestä pystytään valmistamaan erilaisilla synteesimenetelmillä polttoaineita, kemikaaleja ja muoveja.

Power-to-x-teknologiat käyttävät raaka-aineina ilman typpeä ja hiilidioksidia sekä vedessä olevaa vetyä. Lopputuotteita ovat metaani, metanoli, dimetyylieetteri ja ammoniakki.

Hiilidioksidia voidaan kerätä suoraan ilmakehästä, mutta tehokkaampaa on kerätä sitä esimerkiksi metsäteollisuuden tehtaiden piippuista, jolloin kyse on vieläpä biopohjaisesta hiilestä. Ilmakehästä kerääminen vaatii huomattavasti enemmän sähköenergiaa.

Energian muuntamisessa syntyy aina häviöitä ja siksi, jos vety käy itsessään, niin sitä kannattaa käyttää suoraan. Prosessissa saadaan vetyä noin 70–75 prosenttia käytetystä sähköenergiasta. Häviö on enimmäkseen lämpöä, joka voidaan hyödyntää laitosten suunnittelussa esimerkiksi kaukolämpönä.

Öljynjalostuksessa puhdas vety voisi korvata maakaasusta valmistetun vedyn ja siten vähentää päästöjä, vaikka lopputuote olisikin fossiilista polttoainetta. Tai sitten puhdasta vetyä voidaan käyttää jäterasvoista tehtyjen biopolttoaineiden jalostukseen, jolloin lopputuote on entistä puhtaampi.

Öljynjalostuksessa biopolttoaineiden tekeminen vaatii fossiilisten polttoaineiden valmistusta enemmän vetyä.

Power-to-X-tutkimusta on tehty LUT-yliopistossa vuodesta 2014 lähtien. LUT-yliopiston energiavarastoinnin professori Pertti Kaurasen mukaan lähes kaikki suomalaiset yliopistot ovat kytkeytyneet power-to-x-tutkimukseen, mutta LUT-yliopisto on tällä hetkellä suurin toimija. Tutkimusta tehdään myös VTT:llä.

Lappeenrannassa tutkitaan synteettisiä polttoaineita ja erityisesti metanolia, joka on keskeinen kemianteollisuuden käyttämä aine. Lisäksi siitä voidaan valmistaa polttoaineita.

Lappeenrannassa tutkimuksen kruununjalokivi liittyy kuitenkin ruokaan.

”Yksi meidän tutkimuksemme erikoisuus on ollut power-to-food, joka irtosi omaksi Solar Foods -yhtiökseen”, Kauranen kertoo.

Solar Foods yhdistää vetyä, hiilidioksidia ja erilaisia ravintoaineita, joista syntyy ympäristöystävällistä proteiinia. Yhtiö on hakemassa tuotteelle elintarvikelupaa.

Muita menestysaskelia on alkuvaiheessa ollut myös se, että on pystytty osoittamaan hiilivetyjen valmistus vedystä ja hiilidioksidista.

Nykyään tutkimus on tiukasti yhteydessä meneillään oleviin teollisuuden hankkeisiin. Tutkimus on silti edelleen myös laboratoriotason perustutkimusta.

LUT-yliopisto sai loppuvuonna 2022 Business Finlandilta 4,4 miljoonan euron rahoituksen uuteen tutkimuslaboratorioon. Kyseessä on LUT-yliopiston historian suurin infrastruktuurihanke.

Power-to-x-tutkimus on LUT-yliopistossa kaikkien kolmen eri tiedekunnan tutkimusalaa. Kaurasen mukaan power-to-x-tutkimiseen on kytkeytynyt yhteensä noin 50–100 henkeä.

Parin viime vuoden aikana yliopisto on selvittänyt Ahvenanmaan tuulivoiman ja vedyntuotannon potentiaalia ja sitä, kuinka paljon Pohjanlahden rannikolla voitaisiin tehdä tuulivoiman avulla terästä ja power-to-x-teknologian tuotteita. Viimeisimpänä kartoituksen aiheena ovat olleet Itä-Suomen alueen mahdollisuudet.

Suomessa on meneillään useita hankkeita, joissa power-to-x-teknologiaa aiotaan käyttää entistä vähäpäästöisempään teolliseen tuotantoon. Kaurasen mukaan lähes kaikissa teollisuuden vetyhankkeissa on tarkoitus tehdä jotain jatkojalostusta pelkän vedyn lisäksi.

Ala on saanut vauhtia ahkerasta tuulivoiman rakentamisesta, sillä ilman sitä teknologia ei vähentäisi hiilidioksidipäästöjä. Teknologia vaatii nimittäin hyvin paljon sähköä, ja jos prosessia tehtäisiin hiilivoimalla, niin tuotanto ei olisi fossiilivapaata. Keskustelua käydään siitä, mikä on ydinvoiman rooli puhtaan vedyn tuotannossa.

Kaurasen mukaan kaksi mahdollista puhtaan vedyn käyttäjää eli Raahen terästehdas ja Nesteen Porvoon öljynjalostamo tarvitsisivat kumpikin yhden Olkiluodon ydinvoimalayksikön verran sähköä, jos ne käyttäisivät vain puhdasta vetyä. Eli noin gigawatin sähkötehoa.

Kauranen ei näe suuren sähköntarpeen pysäyttävän teknologiaa, mutta kehitys on tuulivoiman ja ehkä joskus myöhemmin myös aurinkovoiman varassa.

”Suomi on nyt kiinnostava investointikohde power-to-x-teknologioille, sillä täällä rakennetaan paljon tuulivoimaa. Tuulivoimakapasiteetti tulee parissa vuodessa tuplaantumaan, ja vuoteen 2030 mennessä se voi olla moninkertainen”, Kauranen sanoo.

Ahkeran tuulivoiman rakentamisen lisäksi Suomen kilpailuetu power-to-x-teknologiassa ovat biopohjaiset hiilidioksidilähteet, joita syntyy metsäteollisuuden tehtailla.

”Sen ansiosta voi sanoa, että tuotteet ovat aidosti biopohjaisia”, Kauranen sanoo.

Tuulivoima on luonut tutkimukselle oman ongelmansa. Sähkövirran aiheuttamaan kemiallisen hajoamiseen eli elektrolyysiin käytetyt laitteet ja suurin osa kemiallisista prosesseista on teollisuudessa suunniteltu jatkuvatoimisiksi.

Tuuli- ja aurinkovoimalla toimivat prosessit ja laitteet eivät voi toimia varmuudella jatkuvasti. Aina ei tuule tai paista.

”Keskeinen haaste on se, miten voimme muuttaa jatkuva toimisesta tasakuormaisesta prosessista vaihtuvakuormaiseksi dynaamiseksi prosessiksi”, Kauranen sanoo.

Tavoitteena on, että prosesseja voidaan ajaa sähkön hinnan mukaan. On myös tarvetta skaalata järjestelmää pienemmäksi. Nykyään power-to-x-tuotannon taloudellisuus on ollut riippuvainen synteesin koosta.

”Investointikustannuksia halutaan alas, sillä jos meillä ei ole jatkuvatoiminen prosessi, niin vuotuinen käyttöaika voi puolittua”, Kauranen sanoo.

Kaurasen mukaan tyypillinen teollisuusprosessi pyörii noin 8 000 tuntia vuodessa, mutta tuuli- ja aurinkoenergiasyötteinen prosessi pyörii 3 000–4 000 tuntia vuodessa. Investointikustannuksia pitäisi saada alas, jotta tuotantokustannukset saataisiin nykyisten fossiilisten tasolle.

Power-to-x-tutkimus on paljon tuotannon ja taloudellisuuden tutkimusta, mutta myös kemiaa ja fysiikkaan.

”Tämä vaihtuvakuormaisen prosessin dynamiikka tuo mukanaan myös materiaaliteknisiä ongelmia, jotka on ratkaistava.”

Suomessa on paljon potentiaalia tuulivoiman tuottamiseksi. Kauranen on nähnyt arvioita, joiden mukaan Suomi voisi tuottaa 5–10 prosenttia Euroopan sähköstä. Samoihin lukuihin pääsisivät myös Ruotsi ja Norja. Tämä tekisi pohjoismaista nettoviejän energian suhteen.

”Meidän ei kannata lähteä viemään sähköä ja vetyä Keski-Eurooppaan. Ennemmin kannattaa houkutella näitä teollisia investointeja tänne ja jalostaa tuotteet mahdollisimman pitkälle täällä”, Kauranen sanoo.

•

Lue myös:

Data energiamurroksen mahdollistajana

Ikuinen energiakysymys

Oikeudenmukainen siirtymä kestävään tulevaisuuteen – Mitä se tarkoittaa?