Vety ja vaihtoehtoiset energianlähteet Ensikäden teknistä asiantuntemusta

Yleisesti ottaen elektrolyysilaite on materiaalin tai molekyylin erottamiseen, hajottamiseen ja muuntamiseen (pelkistysreaktio) sähköenergian avulla tarkoitettu laite. Veden elektrolyysilaitteessa vesimolekyylit (H₂O) muunnetaan vetymolekyyleiksi (H₂) ja happimolekyyleiksi (O₂).

Varsinainen reaktio tapahtuu sähkökemiallisissa kennoissa noin 1,4 voltin jännitteillä. Käytännön syistä osa näistä kennoista (sähköinen sarjaankytkentä) on koottu pinoihin. Kaikki sähkömekaanisiin kennoihin liittyvät oheislaitteet kuuluvat termin "Balance of Plant" alle.

Balance of Plant (BOP) on termi, jota käytetään yleisesti energiatekniikan yhteydessä. Se viittaa kaikkiin tukikomponentteihin ja apujärjestelmiin, joita tarvitaan energian muuntamiseen, poikkeuksena tästä kuitenkin varsinainen tuotantoyksikkö tai muuntoyksikkö.

Elektrolyysilaitteilla tähän sisältyvät energianhallinta (muuntajat, taajuusmuuttajat, tehonohjaimet jne), nesteiden ja kaasujen hallinta (vedenkäsittely, neste- ja kaasufaasien erotus, kaasun kuivaus, kaasun paineistus) sekä lämmönhallinta (tehoelektroniikan, pinojen ja kondensaatiokuivauksen jäähdytysjärjestelmät).

Polttokenno muodostuu kahdesta elektrodista: anodista (vetypuoli) ja katodista (ilmapuoli). Molemmat elektrodit erotetaan toisistaan elektrolyytillä. PEM-polttokennossa tämä on puoliläpäisevä kalvo, joka läpäisee ainoastaan protonit.

Vety syötetään anodiin. Sen jälkeen se halkaistaan protoneiksi ja elektroneiksi katalyytin (yleensä platinan) avulla. Sen jälkeen protonit siirtyvät kalvon läpi katodiin. Elektronit virtaavat katodiin sähköjohtimen kautta ja sähköenergiaa syötetään. Katodissa protonit ja elektrodit yhdistyvät ympäröivän ilman hapen kanssa muodostaen vettä.

Termi "sähkömekaaninen kenno" on yläkäsite erityyppisille kennoille, kuten elektrolyysikennoille, akkukennoille, paristokennoille tai galvaanisille kennoille. Tämäntyyppiset kennot voivat olla joskus palautuvia, kuten akkukennot. Niitä voidaan ladata ja purkaa, mikä tarkoittaa, että ne voivat muuntaa sähköenergiaa kemialliseksi energiaksi ja vapauttaa sen uudelleen sähköenergiaksi. Lisäksi joitakin elektrolyysikennojen tyyppejä voidaan käyttää polttokennoina. Tämä tarkoittaa, että vedyn ja hapen muuntaminen vedeksi vapauttaa sähköenergiaa ja lämpöä.

Elektrolyysikennot ja polttokennot muodostuvat kaksinapaisista levyistä, elektrodeista sekä tekniikasta riippuen kaasudiffuusiokerroksista (GDL) ja kalvoista. Kun "protonin / anionin vaihtokalvoja" (PEM / AEM) käytetään, ne liitetään usein suoraan elektrodeihin ja niihin viitataan sanalla "membraanielektrodijärjestelmä" (MEA).

Membraanielektrodijärjestelmä (MEA) voidaan tulkita useammalla kuin yhdellä tavalla. Joissakin tapauksissa sen ymmärretään tarkoittavan vain kalvoa, jonka pinnassa on katalyyttikerroksia (yhdellä puolella katodireaktiota varten ja toisella puolella anodireaktiota varten). Usein kuitenkin kaasudiffuusiokerrokset sisältyvät mukaan, koska niiden on oltava myös sähköä johtavia.

Teknologiasta riippuen kalvo koostuu erilaisista polymeereistä tai keraameista, joista jokainen voi kuljettaa valikoivasti protoneja, anioneja (esim. hydroksidi-ioneja = OH) tai happea. Kaasudiffuusiokerrosten tehtävänä on kuljettaa tuotettuja kaasuja (elektrolyysi) ja erityisesti käytettyjä kaasuja (polttokennot) mahdollisimman homogeenisesti pois reaktiopaikoista tai niitä kohti (katalyyttikerrokset). Nämä kaasut johdetaan ulos sähkökemiallisista kennoista tai sisään niihin kaksinapaisten levyjen kanavien kautta.

Usean kennon tai pinon kokoonpanoon asennetut kaksinapaiset levyt vastaavat ennen kaikkea yhden kennon anodin fyysisestä ja sähköisestä yhdistämisestä viereisen kennon katodin kanssa. Polttokennojen kaksinapaiset levyt vastaavat myös reaktiokaasujen johtamisesta reaktiovyöhykkeelle. Tätä tarkoitusta varten virtausprofiilit (virtauskentät) kaiverretaan tai painetaan levyihin molemmille puolille. Vety virtaa niiden kautta yhdelle puolelle ja ilmaa syötetään toiselle puolelle.

Kaksinapainen levy koostuu yksittäisen polttokennon kahdesta navasta: vetyä kuljettavasta anodilevystä (negatiivinen (-) napa) ja katodilevystä (positiivinen (+) napa) reaktioilman syöttöä varten. Lisäksi levyt säätelevät vesihöyryn poistoa sekä lämpö- ja sähköenergian tuottoa. Elektrolyysikennoissa niitä käytetään pääasiassa elektrolyysilaitteen jäähdyttämiseen, reaktiokaasujen syöttämiseen anodipuolelle sekä reaktiossa tuotettujen vedyn ja kaasujen poistamiseen.

Elektrolyysissä ja polttokennoteknologiassa pino tarkoittaa sarjaan kytkettyjen sähkökemiallisten kennojen pinoa, mukaan lukien kotelo-, runko- ja kiinnityselementit. Sarjaankytkentä mahdollistaa syöttöjännitteen nostamisen ja virran vähentämisen samalla tehonkulutuksella kaavan P=U*I mukaan. Tästä riippumatta sarjaankytkentä pinossa myös yksinkertaistaa järjestelmän yleistä rakennetta.

Kaasumainen vety voidaan varastoida säiliöön kovassa paineessa tapahtuneen paineistuksen jälkeen. Esimerkiksi liikenteessä painetasoksi on vakiintunut 350 baaria hyötyajoneuvoille ja 700 baaria autoille. 700 baarin tasolla tiheys on noin 40 kg/m³ (350 baarin tasolla 24 kg/m³). Korkeapaineakut tarjoavat kustannuksiltaan edullisen ratkaisun pienille varastomäärille ja niitä käytetään tästä syystä pääosin liikkuvissa sovelluksissa, kuten autoissa ja hyötyajoneuvoissa.
Tällä hetkellä markkinoilla on neljää eri tyyppiä paineastioita:

• Tyyppi 1: Paineastian rakenne muodostuu ainoastaan metalliseinämästä (yleensä teräksisestä). Nimellispaineet ovat 200 baarin alueella.
• Tyyppi 2: Metalliseinämän lisäksi paineastioissa on hartsikyllästetystä lasista tai hiilikuidusta valmistettu vaippa. Nimellispaine on jopa 1000 baaria.
• Tyyppi 3: Säiliöissä on metallivuoraus (yleensä alumiinista) ja hiilikuidusta valmistettu, koko säiliötä ympäröivä vaippa. Nimellispaineet ovat tyypillisesti 350 tai 700 baaria.
• Tyyppi 4: Akuissa on muovivuoraus (tyypillisesti polyamidista tai polyetyleenistä) ja vaippa on tavallisesti valmistettu hiilikuidusta, kuten tyypin 3 paineastioissa. Nimellispaineet ovat tyypillisesti 350, 500 tai 700 baaria.

Kaasumaisen vedyn varastointiin verrattuna polttoaineena käytetty nestemäinen vety tarjoaa etuja energiatiheyden suhteen (71 kg/m³). Säiliön paine voidaan myös pitää alhaisena. Tällä on myönteinen vaikutus säiliöjärjestelmään varastosäiliön paino- ja tilavaatimusten, kustannusten (varsinkin suurten varastointimäärien ollessa kyseessä) ja turvallisuuden suhteen.

Kryogeenisen vedyn (-253 °C) tuotantokustannukset eivät kuitenkaan ole merkityksettömät. Lisäksi vety kuumenee, jos sitä ei jäähdytetä jatkuvasti. Tämä johtaa paineen lisääntymiseen säiliössä. Siitä puolestaan voi seurata höyrystymishävikkiä. Toisin sanoen kaasumainen vety purkautuu ympäristöön.

Vetymoottori on kaasumoottori, joka toimii kaasumaisella vedyllä nestemäisen polttoaineen (kuten dieselin ja petrolin) sijaan. On olemassa puhtaalla vedyllä toimivia moottoreita. Lisäksi on olemassa kahdella polttoaineella toimivia vetymoottoreita, joiden voimanlähteenä toimii vedystä ja muista kaasuista (kuten metaanista ja maakaasusta) koostuva polttoaineseos.

Vetymoottoria pidetään vaihtoehtona polttokennolle, koska olemassa olevat polttomoottorit voidaan muuntaa suhteellisen vähäisillä teknisillä toimilla. Tutkimukset osoittavat kuitenkin, että kustannusetu laskee huomattavasti polttokennojen kehityksen myötä. Tämän lisäksi vetymoottoreiden ongelmana on heikompi tehokkuus, suuremmat huoltovaatimukset ja se, etteivät ne ole 100-prosenttisesti hiilineutraaleja.

“Polttokennokäyttöisten sähköajoneuvojen“ (FCEV) voimanlähteenä toimii ainoastaan sähkömoottori aivan kuten “akkukäyttöisissä sähköajoneuvoissakin“ (BEV).

Toisin kuin akkukäyttöisissä sähköajoneuvoissa, tarvittavaa sähköenergiaa ei tuota suuri virta-akku (jota sanotaan ajoakuksi). Sen sijaan se saadaan muuntamalla kemiallista energiaa vaihtoehtoisesta energianlähteestä sähköenergiaksi. Tämän tekee mahdolliseksi polttokenno.

Tällä hetkellä polttokennoja ei vielä ole suunniteltu polttomoottoreihin verrattaviin nopeisiin ja pitkäkestoisiin kuormituksen muutoksiin. Tästä syystä asennetaan myös (pieni) virta-akku, johon syötetään virtaa kuormituksen ollessa pieni ja joka tuottaa lisäenergiaa kuormituksen ollessa suuri. Tämän ansiosta polttokennoa voidaan käyttää suhteellisen tasaisella kuormituksella, kun polttokennokäyttöistä sähköajoneuvoa ajetaan.

Polttokennovoimalaitokset (FCPP), lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitokset (CHP) sekä polttokennolla toimivat lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitokset (FC-CHPPP) tekevät vaikutuksen niiden korkealla kokonaistehokkuudella. Käytetystä polttokennoteknologiasta riippuen sähköhyötysuhde on tällä hetkellä 30-60 %. Kokonaistehokkuus voi olla yli 95 %, kun sähkö ja lämpö tuotetaan suoraan sähkömekaanisesta reaktiosta ilman muita muuntovaiheita.

Polttokennovoimalaitoksia on toistaiseksi kehitetty ensisijaisesti tehoalueella 10 kW – 3 MW. Viime vuosina alemman tehoalueen kehitys on kulkenut enenevässä määrin mikro- ja nanopolttokennoilla toimivien lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitosten suuntaan niiden sähköntuotannon ollessa 0,3-1,5 kW ja lämmöntuotannon 0,6-2,0 kW omakotitaloille ja paritaloille. Ylemmällä tehoalueella on päästy jo 80 MW voimalaitoksiin ja tätä on tarkoitus kehittää edelleen tulevina vuosina modulaaristen mallien avulla.

Power-to-X (tunnetaan myös nimillä PtX tai P2X) viittaa erilaisista uusiutuvista energianlähteistä tulevan sähkön ylijäämän käyttöön kaikenlaisten teknologioiden apuna. Nämä ylijäämät voidaan varastoida suoraan akkuihin (virta virraksi), muuntaa lämmöksi (virta lämmöksi) tai käyttää kemiallisten energianlähteiden tuottamiseen (virta kaasuksi/nesteeksi).

Jos ylijäämäsähköä käytetään kemiallisten energianlähteiden tuottamiseen, tehdään usein lisäerottelua (esim. virta vedyksi, virta synteesikaasuksi, virta ammoniakiksi, virta polttoaineeksi).

Ammoniakki (NH3) on typen ja vedyn kemiallinen yhdiste, joka on normaaliolosuhteissa kaasumaisessa muodossa. Justus Liebigin (noin vuonna 1840) kehittämästä typpilannoittamisesta lähtien se on ollut eräs kaikkein tärkeimmistä peruskemikaaleista. Vuosituotannon merkittävä lisäys tuli kuitenkin mahdolliseksi vasta, kun Haber-Boschin prosessia käytettiin teollisessa mittakaavassa BASF:n tehtaalla Ludwigshafenissa noin vuonna 1913. Nykyaikana ammoniakki on eräs kaikkein eniten tuotetuista kemikaaleista (146,5 miljoonaa tonnia vuonna 2021, josta 80 % lannoitteisiin). Lisäksi se muodostaa perustan kaikkien muiden typpiyhdisteiden tuotannolle.

Kestävän vetytalouden kehityksen näkökulmasta vuosittaisessa ammoniakkituotannossa voidaan odottaa edelleen kasvua. Syy on se, että se soveltuu paremmin liikenteeseen ja varastointiin kuin puhdas vety.

Melko korkean -33 °C:n kiehumispisteen ansiosta on paljon helpompaa ja halvempaa nesteyttää ammoniakkia verrattuna vetyyn (kiehumispiste -252 °C). Ammoniakin vetyyn verrattuna suurempi tilavuusenergia-arvo (vertailuluvut 3,2 kWh/l ja 2,8 kWh/l) on myös erittäin olennaista varsinkin kuljetuslogistiikan kannalta.