Aurelia Turbines kehittää ja tuottaa pieniä kaasuturbiineja, jotka voivat käyttää erilaisia polttoaineita. Yksi näistä polttoaineista on vety.
Mikä on vety?
- Vety on maailmankaikkeuden yleisin ja kevein alkuaine. Maailmankaikkeuden atomeista 90 % on vetyä.
- Elämää ei olisi ilman vedyn tuottamaa energiaa. Aurinko paistaa, koska auringossa vetyatomit fuusioituvat heliumiksi.
- Normaalissa ilmanpaineessa huoneenlämmössä vety on väritön, hajuton ja mauton, tulenarka, ilmaa huomattavasti kevyempi kaasu. Se esiintyy luonnossa kaksiatomisina molekyyleinä (H₂).
- Tunnetuin vety-yhdiste on vedyn ja hapen muodostama vesi, jonka molekyylikaava on H₂O.
Miksi vety?
- Vedyn käyttö polttoaineena sähkön ja lämmön tuottamiseksi tai teollisissa prosesseissa on aina puhdasta. Kun vetyä poltetaan, siitä tulee päästöinä ainoastaan puhdasta vettä höyrynä.
- Vetyä voidaan varastoida kaasuna tai nesteytettynä hieman samaan tapaan kuin maakaasua. Nykyiset maakaasulle tehdyt varastot eivät sellaisenaan sovi sataprosenttiselle vedylle, mutta varastointiratkaisuja ollaan kehittämässä. Näin varastoitua vetyä voidaan käyttää silloin, kun sähköä ja lämpöä tarvitaan.
- Vetyä voidaan rajoitetusti kuljettaa olemassa olevissa maakaasuputkissa maakaasuun sekoitettuna. Tämä vähentää tarvetta rakentaa uusi kallis järjestelmä energian siirtämiseen paikasta toiseen sekä sen varastointiin. Vanhat putket kestävät vedyn lisäämistä vain murto-osan kaikesta kaasun määrästä, mutta uudemmat putket voivat kuljettaa kaasuseosta, jossa jopa yli puolet on vetyä. Määränpäässä vety-maakaasuseos voidaan polttaa sellaisenaan tai vety voidaan erottaa maakaasuseoksesta.
- Vetyä voidaan myös kuljettaa nesteytetyn maakaasun tapaan laivassa sellaisenaan tai typen kanssa yhdistettynä ammoniakiksi. Tämän lisäksi myös uusia teknologioita kehitetään vedyn kuljettamiseksi esimerkiksi osana erityistä, nestemäistä hiilivetyseosta (LOHC). Vedyn kuljetusmahdollisuuksien kehittyminen mahdollistaa vedyn tuotannon edullisemmin aurinkoisissa maissa ja kuljettamisen pohjoisen teollistuneisiin maihin.
Missä vetyä kannattaa käyttää?
- Sähköä on tehokkainta tuottaa ja käyttää paikallisesti. Tällöin häviöt ovat pienimmät.
- Vety on hyvä vaihtoehto paikallisissa voimalaitoksissa sekä tilanteissa, jossa sähköverkkoa ei ole tai se on epäluotettava.
- Lisäksi yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa eli CHP-laitoksissa fossiiliset polttoaineet voidaan korvata kokonaan vedyllä.
- Teollisuudessa tarvitaan toisinaan niin korkeita lämpötiloja, että niitä ei käytännössä juuri voida sähköllä tuottaa. Teollisuuden tarvitseman höyryn tuottaminen pelkällä sähköenergialla on siis ongelmallista, muista teollisuusprosesseista puhumattakaan. Jotta saadaan teollisuuden tarvitsemia korkeita lämpötiloja käytetään fossiilisia polttoaineita, jotka voidaan kuitenkin korvata puhtaalla vedyllä.
- Tuuli ja auringonpaiste vaihtelevat. Tuulisina ja aurinkoisina päivinä sähköä voidaan saada yli senhetkisen tarpeen ja tällöin ylijäämäsähköllä voidaan tehdä vetyä. Saadulla vedyllä voidaan tuottaa sähköä tyyninä öinä ja pilvisinä päivinä. Vetyä voidaan siis käyttää uusiutuvien energialähteiden tarvitsemana säätövoimana.
- Monessa maassa – kuten Saksassa - sähkölinjat eivät riitä siirtämään kaikkea tuotettua sähköä tuulivoima-alueilta teollisuusalueille. Kun tuulisähköllä tehdään vetyä ja siirretään sitä maakaasuun sekoitettuna olemassa olevia kaasuputkia käyttäen teollisuusalueille, voidaan säästää kustannuksissa huomattavasti.
- Pienissä henkilöautoissa akuilla toimiva sähköauto on usein vetyä tehokkaampi ratkaisu. Sen sijaan raskaisiin kuoma-autoihin ja linja-autoihin, jotka kulkevat pitkiä matkoja, vety voi sopia paremmin energialähteeksi. Ne tarvitsisivat niin isot akut, etteivät ne sovi kulkuneuvoihin.
- Parhaillaan kehitetään uusia teknisiä ratkaisuja vedyn käyttämiseksi laivoissa ja lentokoneissa, joiden päästöjä halutaan vähentää.
- Erilaisia synteettisiä, hiilidioksidineutraaleja polttoaineita voidaan valmistaa yhdistämällä vetyyn talteen otettua hiilidioksidia. Tällaiset polttoaineet sopivat suurilta osin nykyisiin polttomoottoreihin sellaisenaan.
Miten vetyä saadaan?
- Vetyä voidaan tuottaa puhtaasta vedestä sähköllä. Tällöin sähkö hajottaa vesimolekyylit vedyksi ja hapeksi. Menetelmää sanotaan elektrolyysiksi. Itse menetelmä ei tuota mitään päästöjä vaan ainoastaan vesimolekyyleissä olevia alkuaineita eli vetyä ja happea.
- Elektrolyysi tarvitsee paljon sähköä. Vedyn tuotannon teknologian kannalta ei ole merkitystä, miten sähkö on tuotettu.
- Jos elektrolyysin tarvitsema sähkö tuotetaan tuuli-, aurinko- tai muulla uusiutuvalla energialla, puhutaan vihreästä vedystä. Tällöin vedyn valmistukseen tarvittavan sähkön tuottaminen ei synnytä kasvihuonekaasupäästöjä. Mielenkiinto vihreää vetyä kohtaan on kasvanut huomattavasti, kun uusiutuvan energian hinta on laskenut eri puolilla maailmaa voimakkaasti.
- Sähköä vedyn valmistukseen voidaan tuottaa myös ydinenergialla ilman kasvihuonepäästöjä. Esimerkiksi Ranskassa on runsaasti ydinvoimaa ja siellä harkitaan vedyn tuottamista myös ydinsähkön avulla.
- Tällä hetkellä vetyä tuotetaan lähinnä maakaasusta ja öljystä sekä hiiltä kaasuttamalla vesihöyrystä esimerkiksi lannoiteteollisuuden tarpeisiin. Nykyisissä prosesseissa sivutuotteena syntyy runsaasti hiilidioksidia, joka pääsee ilmaan aiheuttamaan kasvihuoneilmiötä.
- Vetyä voidaan tuottaa myös suoraan maakaasusta menetelmillä, joilla hiili voidaan saada kiinteänä talteen ja hyödyntää teollisuuden raaka-aineena esimerkiksi nykyisin maasta louhittavan grafiitin sijasta. Grafiitti on esimerkiksi lyijykynästä tuttu hiilen muoto.
Mitkä ovat vedyn haasteet?
- Vetyä sisältävät kaasut palavat liian kuumasti ja nopeasti tavanomaisissa moottoreissa ja turbiineissa käytettäväksi. Turbiinissa suutin ruiskuttaa polttoaineen polttokammioon, jossa ilman ja polttoaineen seos palaa. Jos turbiinissa käytettäisiin puhdasta vetyä tavallisten maakaasusuuttimien kanssa, suutin sulaisi, koska palaminen tapahtuisi liian lähellä suutinta.
- Vety palaa noin kymmenen kertaa nopeammin kuin muut polttoaineet. Tämä voi aiheuttaa räjähdyksen, jos vetyä ei käsitellä oikein.
- Vaikka vety sisältää paljon energiaa sen painoon verrattuna, siinä on vähän energiaa verrattuna sen viemään tilaan – kun vetyä verrattaan fossiilisiin polttoaineisiin. Esimerkiksi maakaasu on lähes kokonaan metaania, jonka energiatiheys on noin kolme kertaa suurempi kuin vedyllä. Siksi maakaasuun verrattuna vetyä tarvitaan tilavuudeltaan suurempi määrä, jotta saavutetaan sama määrä energiaa.
- Vety voi päästä teräksen läpi jopa huoneenlämmössä. Se voi haurastuttaa terästä tekemällä teräkseen mikroskooppisen pieniä halkeamia. Käytettyjen rakenteiden pitäisi myös kestää kaasun korkeaa painetta. Tämän takia monet tavalliset teräsrakenteet eivät sovi vedyn varastointiin.
Miksi Aurelian turbiinit voivat käyttää vetyä?
- Kaasuturbiinin rakenne on erilainen kuin mäntämoottorin: turbiineissa lämpöenergian mukanaan tuoma laajeneminen on jatkuva prosessi, toisin kuin mäntämoottoreissa. Vedyn nopea palaminen vahingoittaa tai rajoittaa siksi enemmän mäntämoottoria, mutta ei hyvin suunniteltuja turbiineja.
- Aurelia pystyy käyttämään turbiineissa eri polttoaineita, koska turbiinien rakenne on modulaarinen eli se koostuu erillisistä, vaihdettavista osista. Polttokammio, jossa polttoaineen palaminen tapahtuu, on suunniteltu erilliseksi komponentiksi muusta koneistosta. Polttokammion muutokset - kuten pituuden, tilavuuden tai sisäisen ilmavirran säätäminen - eivät vaikuta muuhun turbiiniin. Näin vetyä voidaan käyttää suhteellisen vähäisillä muutoksilla, kun sähköä ja lämpöä tuotetaan Aurelian kaasuturbiineilla.
- Aurelian käyttämässä IRG2-kaasuturbiiniprosessissa tuotanto tapahtuu välijäähdytetyllä ja rekuperoidulla, kaksivaiheisella ja kaksiakselisella kaasuturbiinilla. Välijäähdytin laskee ahtimen eli kompressorin kuumentaman tuloilman lämpötilaa käyttämällä ulkoilmaa tai vettä, joka virtaa välijäähdyttimen läpi. Rekuperoitu tarkoittaa, että turbiini hyödyntää sisäistä lämmönvaihdinta. Kaksivaiheisuus tarkoittaa, että niin ahtaminen kuin turbiiniprosessi tapahtuvat kahdessa vaiheessa.