Tutustu vetyteknologian käsitteisiin

Vety on ilmaa huomattavasti kevyempi kaasu, joka esiintyy luonnossa kaksiatomisina molekyyleinä (H₂). Kuva: Milla Aarnio

Vety on jaksollisen järjestelmän ensimmäinen alkuaine. Sen kemiallinen merkki on H. Sillä on vain yksi elektroni. Normaalissa ilmanpaineessa huoneenlämmössä vety on väritön, hajuton ja mauton, tulenarka, ilmaa huomattavasti kevyempi kaasu, joka esiintyy luonnossa kaksiatomisina molekyyleinä (H₂). Vedyn sulamispiste on −259 °C ja kiehumispiste on −253 °C. Tunnetuin vety-yhdiste on vesi, jonka molekyylikaava on H₂O. Keveydestään huolimatta vesi esiintyy huoneenlämpötilassa nesteenä, mikä johtuu vesimolekyylien välisistä vetysidoksista. Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, ja se toimii tähtien polttoaineena niissä tapahtuvissa fuusioreaktioissa.

Veden elektrolyysissä vesi (H₂O) hajotetaan sähkövirralla alkuaineiksi vedyksi (H) ja hapeksi (O). Elektrolyysi on periaatteessa sähkövirran avulla toteutettu hapetus-pelkistysreaktio ja siihen tarvittava sähköenergia voidaan tuottaa esimerkiksi tuulivoimalla.

Veden elektrolyysireaktiot tapahtuvat elektrolyysikennoissa, joihin johdetaan tasavirtaa. Kennot koostuvat kahdesta sähköä johtavasta elektrodista eli anodista ja katodista, sekä niiden välissä olevasta elektrolyytistä. Käytetty elektrolyytti voi olla joko nestemäinen tai kiinteä.

Tavallisesti katodia ja anodia erottaa sähkövirtaa läpäisevä, mutta kaasuja läpäisemätön kalvo, joka voi toimia samalla elektrolyyttinä. Kun elektrolyysikennoon synnytetään potentiaaliero sähkövirran avulla, positiivisesti varautuneelle anodille muodostuu happea ja negatiivisesti varautuneelle katodille vetyä.

Hiilivety on orgaaninen yhdiste, joka koostuu vain hiilestä ja vedystä. Hiilivedyt palavat yleensä hyvin ja niitä käytetään energianlähteinä ja kemianteollisuudessa raaka-aineina. Fossiiliset polttoaineet öljy, bensiini ja maakaasu koostuvat pääasiassa hiilivedyistä.

Kemianteollisuudessa hiilivetyjä käytetään reaktioiden lähtöaineina ja liuottimina. Monien muovien raaka-aineena on hiilivety. Yksinkertaisin hiilivety on metaani (CH₄), joka koostuu yhdestä hiiliatomista ja neljästä vetyatomista. Etaanissa (C₂H₆) on kaksi hiiliatomia, propaanissa (C₃H₈) kolme.

Vaikka metanoli on hiilivety, se voidaan luokitella hiilineutraaliksi polttoaineeksi, jos se valmistetaan talteen otetusta hiilidioksidista ja valmistusprosessiin käytetty sähkö on tuotettu uusiutuvilla energialähteillä kuten tuulella tai sähköllä. Näin tuotetulle metanolille ei laskennallisesti määritetä lainkaan hiilidioksidipäästöjä.

Jäädyttämällä maakaasu −160 °C:n lämpötilaan se muuttuu nestemäiseen olotilaan nesteytetyksi maakaasuksi (LNG, Liquefied Natural Gas). LNG:n tilavuus on noin kuudessadasosa normaalin kaasun tilavuudesta. Tonni LNG:tä vastaa 1 370 kuutiometriä maakaasua. Nesteytettyä maakaasua voidaan kuljettaa laivoilla tai kuorma-autoilla. Käyttökohteissa LNG höyrytetään kaasuksi.

Maakaasu on pääasiassa metaania (CH₄). Se on Euroopassa merkittävä fossiilinen polttoaine asuntojen lämmityksessä ja sähköntuotannossa. Maakaasu on syntynyt maan sisään joutuneen biomassan hajotessa anaerobisen bakteeritoiminnan ja maaperän lämmön vaikutuksesta. Metaanin lisäksi maakaasussa on pieniä määriä etaania, propaania, butaania, pentaania sekä muita raskaampia hiilivetyjä.

Metaani (CH₄) on yksinkertaisin hiilivety. Se on hajuton, ilmaa kevyempi kaasu. Metaania syntyy luontaisesti eloperäisen aineksen mädäntyessä hapettomissa oloissa, kuten maaperässä tai eräiden eläinten ruoansulatuskanavissa. Maaperään varastoitunutta metaania saadaan muun muassa öljynporauksen ja särötyksen yhteydessä. Maakaasu on pääosin metaania samoin kuin biokaasureaktoreissa tuotettu biokaasu.

Metanoinnilla tarkoitetaan prosesseja, joilla uusiutuvien energialähteiden tuottaman sähköenergian avulla valmistetaan synteettisiä hiilivetypolttoaineita tai muita yhdisteitä. Konseptin tarkoituksena on muuntaa sähköenergia helpommin säilytettävään muotoon. Prosessin lopputuotteita voidaan käyttää polttoaineina, joille ei tarvitse laskea CO₂-päästöjä.

Metanoli eli metyylialkoholi on myrkyllinen alkoholi. Metanoli on normaaliolosuhteissa olomuodoltaan väritön neste. Se palaa melkein värittömällä liekillä muodostaen hiilidioksidia ja vettä:

2 CH₃OH + 3 O₂ → 2 CO₂ + 4 H₂O

Metanoli on tärkeä lähtöaine kemianteollisuudessa. Lisäksi sitä käytetään muun muassa liuottimena, jäätymisenestoaineena ja polttoaineena. Metanolia voidaan valmistaa useilla eri menetelmillä kuten maakaasusta syntetisoimalla, mutta helpointa on antaa vedyn reagoida hiilimonoksidin (häkä) kanssa. Moottorikäytössä metanolin huono puoli on sen pieni lämpöarvo ja se ei ominaisuuksiltaan sovellu sellaisenaan perinteisen dieselmoottorin polttoaineeksi.

Polttokennossa vedyn sisältämä kemiallinen energian muuntuu sähkö- ja lämpöenergiaksi. Polttokenno koostuu positiivisesta katodista ja negatiivisesta anodista, joita yhdistää elektrolyytti. Polttokennoon syötetään vety- ja happikaasuja, jolloin vetymolekyylit kulkeutuvat anodille ja happiatomit katodille. Energia vapautuu vedyn ja hapen reagoidessa keskenään (2 H₂ + O₂ → 2 H₂O).

Polttokennot voidaan jakaa ryhmiin elektrolyytin mukaan, kuten alkali-, sulakarbonaatti-, fosforihappo-, protoninvaihto- ja kiinteäoksidipolttokennoihin. Elektrolyytti vaikuttaa polttokennon toimintalämpötilaan ja hyötysuhteeseen.

Suurimmat ongelmat, jotka haittaavat polttokennojen soveltamista laajaan käyttöön energianlähteenä, liittyvät kustannuksiin ja polttokennojen kestävyyteen. Polttokennojen korkea hinta johtuu suurelta osin siitä, että katalyyttinä käytetään platinaa ja iridiumia, joka on platinaakin harvinaisempi jalometalli.

Power-to-X-teknologioilla (lyh. P2X) tarkoitetaan prosesseja, joilla uusiutuvien energialähteiden tuottaman sähköenergian avulla valmistetaan synteettisiä polttoaineita tai muita yhdisteitä. Tärkeimmät osaprosessit Power-to-X-teknologiassa ovat veden elektrolyysi sekä hiilidioksidin talteenotto.

Power-to-X-teknologian lopputuotteita voidaan käyttää niin kemianteollisuudessa kuin liikenteessä autojen ja muiden kulkuneuvojen polttoaineena. Power-to-X on yksi askel kohti hiilineutraalia ympäristötavoitetta.