Vetyä vähin päästöin

Vetyä on jo 1970-luvulta lähtien väläytelty hiiliyhdisteiden polttoon perustuvan globaalin energiajärjestelmämme seuraajaksi. Jos sähköä olisi rajattomasti tarjolla, olisi vetytalous ihanteellinen ratkaisu: raaka-aineena vesi, joka hajoaa sähkövirran avulla vedyksi ja hapeksi, ilman päästöjä. 

Vetytalouden kompastuskivi on kuitenkin vedyn tuotanto. Nykyisin vedyn tärkein – ja halvin – tuotantomuoto on maakaasun höyryreformointi. Suomen suurin vedyntuottaja on Nesteen öljynjalostamo. Höyryreformoinnilla valmistettu vety käytetään jalostamolla hiilivetyketjujen katkomiseen. 

– Fossiilisiin polttoaineisiin perustuva vedyntuotanto on merkittävä hiilidioksidipäästöjen aiheuttaja, kertoo väitöstutkija Tiina Keipi, joka työskentelee nykyisin Valmetin tuoteinsinöörinä.

Keipin väitöskirjassaan kehittämä vedyntuotantomenetelmä leikkaa vedyntuotannon hiilidioksidi- eli CO₂-päästöjä radikaalisti. Lähtöaine on edelleen metaanikaasu, mutta Keipin rakentama pilottilaitteisto hajottaa kaasun termisesti vedyksi ja kiinteäksi hiileksi, joka ei vapaudu ilmakehään ilmastonmuutosta edistämään.

Keipin kehittämä vedyntuotantomenetelmä leikkaa vedyntuotannon CO₂-päästöjä radikaalisti.

– Menetelmällä voi tuottaa vetyä nykyistä vähemmillä CO₂-päästöillä. Mutta lopputuotteena syntyvälle kiinteälle hiilelle pitää olla järkevä käyttökohde, jotta se olisi taloudellisesti kannattavaa, Keipi kiteyttää väitöstyönsä päätulokset.

Keipin tutkima TDM-menetelmä (Thermal Decomposition of Methane) ei ole uusi keksintö. Se on ollut käytössä jo sata vuotta sitten, kun kumipyörien vallankumous oli alkamassa. Pian kumiteollisuus siirtyi kuitenkin halvempiin menetelmiin renkaiden valmistuksessa tarvittavan hiilimustan tuotannossa. 

TDM-menetelmä tuli uudelleen käyttöön 1990-luvun ihmemateriaalin hiilinanoputkien valmistuksessa. Samoihin aikoihin Florida Solar Energy Centerin tutkimusprofessori Nazim Muradov ehdotti ensimmäisenä tutkijana menetelmän hyödyntämistä vedyn valmistuksessa. 

Keipi päätyi tutkimaan aihetta, kun hänen pomonsa, termisiin prosesseihin erikoistunut TTY:n emeritusprofessori Risto Raiko sai alan yritykset innostumaan menetelmästä, joka voisi tasoittaa tietä vetytalouteen. Tekesin rahoittamassa tutkimushankkeessa olivat mukana eturivin suomalaiset energiajätit Fortum, Gasum, Neste ja Helen. Kun professori ehdotti Keipille projektista väitösaihetta, päätti hän tarttua haasteeseen.

Koereaktori omaa suunnittelua

Kirjallisuusselvityksen pohjalta TTY:n tutkijat ideoivat uudenlaisen TDM-reaktorin, jota ei oltu aikaisemmin kokeiltu.

– Sen pohjalta lähdimme rakentamaan demolaitteistoa, Tiina Keipi kertoo. 

Koelaitteisto ei ollut mikään pöytämalli.

– Halusimme, että tulokset skaalautuisivat vähän isompaan kokoluokkaan. 

Lopputulos on vaikuttava, laboratoriohalliin noussut viiden metrin korkuinen putkihäkkyrä. Sen sydämenä ovat 60 kW:n lämpövastukset, jotka lämmittävät reaktoriin virtaavan kaasuseoksen jopa 1 200 asteen lämpötilaan.

– Saamme mitattua laitteistolla, mitä kaasua menee sisään ja mitä tulee ulos, sekä pääteltyä mallinnuksen avulla, mitä reaktorin sisällä tapahtuu. 

Keipi vastasi laitteiston suunnittelusta, ja suurelta osin myös rakentamisesta. Sähkö- ja hitsaustyöt tekivät toki alan ammattilaiset. 

– Kyllä siinä on tunteja mennyt, laitteistoa kasatessa ja instrumentoidessa.

Jännittävin vaihe väitöstyössä oli itse suunnitellun laitteiston ensitestit. Keipin vetytehdas ylitti odotukset. Sisään syötetty metaanin ja typen seos muuttui reaktorissa vetykaasuksi ja kiinteäksi hiileksi. 

– Saimme tehtyä kaikki suunnitellut testit ja paljon muutakin, mitä matkan varrella tuli mieleen. 

Kun laitteiston testiajot oli tehty, alkoi reaktion mallinnus. Sitä Keipi teki viiden kuukauden tutkijavierailullaan Trondheimissa.

– Tampereella on hyvä tutkimusinfra kokeellista tutkimusta varten. Laiteprotoja on rakennettu paljon, siitä oli minulle apua.

Norjalainen tutkimusryhmä oli taas erikoistunut palamisreaktioiden mallintamiseen.

– Sain sieltä hyviä apuja TDM-reaktion mallinnukseen.

Vierailun aikana syntyi väitöskirjan tieteellisesti paras paperi. Keipin rakentama matemaattinen malli kuvaa hyvin koelaitteiston sielunelämää.

– Suurin onnistuminen oli, että sain yhdistettyä kokeelliset mittaustulokset ja mallin niin hyvin. Palaset sopivat hyvin yhteen.

Päästöoikeuden hinta ratkaisee

Väitöstyön viimeinen julkaisu keskittyy menetelmän taloudelliseen kannattavuuteen. Tiina Keipin laskelmien perusteella TDM on nykyistä höyryreformointia halvempi tuotantotapa, jos päästöoikeuksien hinta nousee nykyisestä, ja lopputuotteena syntyvälle tuotehiilelle on markkinoita myös tulevaisuudessa.

Hiilimustaa käytetään nykyisin esimerkiksi kumiteollisuudessa ja vedenpuhdistuksessa.

Parhaimmillaan TDM-menetelmä olisi hajautetussa vedyntuotannossa ja keskisuurissa, yli 1 000 vetykuutiota tunnissa tuottavissa laitoksissa. Tällainen tuotantoyksikkö voisi toimia esimerkiksi 500 vetyautoa päivässä tankkaavan vetyaseman yhteydessä. Raaka-ainetta laitokselle voisi toimittaa nykyisen maakaasuverkon avulla. 

– Näin nykyisellä infrastruktuurilla päästäisiin nopeasti kohti vetytaloutta, Keipi pohtii.

– Ajattelen tätä nimenomaan siirtymävaiheen teknologiana, koska pohjana on edelleen metaani, joka on pääosin fossiilista.

Vetytalouden lopullinen tavoite on kuitenkin Keipin mukaan selvä: vedyn tuotanto elektrolyysillä ja uusiutu-
villa energialähteillä. 

– Jos mietitään uusiutuvan energian tuotannon tasaamista, on vedyn varastointi isossa mittakaavassa helpompaa kuin sähkön varastointi. Vety on myös monikäyttöistä. Se toimii paitsi energianlähteenä, myös kemian teollisuuden raaka-aineena.

Vedyn varastointi on isossa mittakaavassa helpompaa kuin sähkön.

Niin vastaväittäjä kuin TEKin ja TFiFin vuoden väitöskirjapalkinnon raati kiittelivät Keipin työn laaja-alaisuutta.

– Tällä alalla kysytään usein, teetkö mallinnusta vai kokeellista tutkimusta. Minä tein molempia, ja vielä vähän muutakin.

Väitöstyössä syntyivät myös kannattavuuslaskelmat sekä karkea suunnitteluohje teollisen mittakaavan laitteiston toteuttamiseen.

– Aihe oli todella ajankohtainen, ja näimme, että työllä on kaupallista potentiaalia, TEKin asiamies Martti Kivioja perustelee palkinnonsaajan valintaa.

Keipi toivoo, että hänen väitöstyönsä päätyy tulevaisuudessa tutkijoiden lisäksi myös potentiaalisten sijoittajien luettavaksi. 

– Jos on kiinnostunut investoimaan tähän teknologiaan, tämä on hyvä lähtöaineisto. 

Väitöskirjapalkinto oli Keipille mieluisa yllätys. TEKin ja TFiFin lisäksi kovatasoisen väitöskirjan on ehättänyt palkitsemaan myös Tampereen kaupungin tiederahasto. Väitöstyön alkutaipaleella palkinnot eivät käyneet edes mielessä.

– Aluksi epäilytti, että tuleeko tästä mitään.

Käännekohta oli, kun kahden vuoden tutkimustyön jälkeen Keipi sai tutkijakoulupaikan ja rahoitus varmistui.

– Tuli olo, että nyt se pitää pistää purkkiin.

• Lue myös: Parhaiden opinnäytetöiden tekijöille tuhti tunnustus