Teksti Kalevi Rantanen, kuvat Woikoski, Vastavalo ja Hydrocell
Tämän hetken vetyhuumalla on Suomessa pitkät perinteet. Vesivoimalan tuottamaa sähköä käytettiin vedyn tekemiseen jo 1913. 110 vuotta myöhemmin P2X Solutions sai harjakorkeuteen vihreän vedyn tehtaan Harjavallassa. Yli sadan vuoden kehityskaareen mahtuu jatkuvuutta ja katkoksia, pettymyksiä ja yllättäviä voittojakin.
Aina 1800-luvulta alkaen keksijät ja tekniikan visioijat ovat haaveilleet suljetusta vetykierrosta. Oli keksitty elektrolyyseri, jossa sähkövirta hajottaa veden vedyksi ja hapeksi. Oli keksitty myös käänteinen laite eli polttokenno. Kennossa sähköisesti varautuneet vety- ja happi-ionit kohtaavat sopivassa väliaineessa eli elektrolyytissä, muuttuvat jälleen vedeksi ja tuottavat sähkövirtaa.
Jo vuonna 1913 suomalainen kaasualan erikoisosaaja Woikoski teki vedestä vetyä vesivoimalan tuottamalla sähköllä.
Vetyautoakin Woikoski kokeili, 1920-luvun lopulla. Yhtiön silloinen johtaja muunsi vuoden 1927 Packardin käymään vedyllä. Takapenkille laitettiin vetysäiliöt, joista kulki kupariputki moottoriin. Yhdellä vetypullollisella auto kulki vajaat kymmenen kilometriä.
Vetypolttokennosta harjalämmönsiirtimeen
Teknillinen korkeakoulu, nykyisen Aalto-ylipiston edeltäjä, aloitti polttokennotutkimukset 1980-luvulla. Työtä veti sovelletun termodynamiikan professori Markku Lampinen (1948–2021).
Lampinen tutki sähkökemiallista energian tuotantoa ja varastointia. Hän kiinnostui ilmametalliakkuteknologiasta 1980-luvun lopulla, ja vuonna 1993 hänen tutkimusryhmänsä perusti innovaatioyritys Hydrocellin kaupallistamaan tutkimustuloksia.
”Kehitimme ensimmäisinä maailmassa sylinterimäisen itsekantavan alkalikaasudiffuusioelektrodin”, kertoo Tomi Anttila, Hydrocellin toimitusjohtaja ja avainhenkilö vetypolttokennon kehittämisessä.
Alkalisessa polttokennossa elektrolyyttinä toimii emäksinen aine, kuten kaliumhydroksidi. Diffuusioelektrodissa vety ja happi yhdistyvät toisiinsa huokoisen katalyytin päällä.
Alkalisesta polttokennosta jalostui vielä alkalinen geelipolttokenno.
”Hyytelömäinen geeli esti vuodot. Yksi vahvuuksista oli toimivuus kylmissä oloissa. Laite lämpeni vetyä otettaessa. Lämmön hallitsemiseksi kehitimme harjalämmönsiirtimen”, kertoo Anttila.
Hydrocell kehitti vetypolttokennoa vuosia ja koemarkkinoi sitä vuosina 2005–2010. Sitten tuli finanssikriisi. Yhtiö päätti keskittyä harjalämmönsiirtimeen, joka tuo rahaa heti. Lämmönsiirtimellä saadaan talteen hukkalämpöä asuinkerrostaloissa ja muissa rakennuksissa.
Vetytutkimus siis tuotti kaupallisia tuloksia, vain toisella alalla.
”Vetyosaaminen on kyllä edelleen tallella. Varsinkin tietämys lämmön hallinnasta on arvokasta”, muistuttaa Anttila.
Kunnianhimoinen vetykylähanke Äetsässä
Satakunnassa vetylaitteiden ympärille ideoitiin laajaa ekosysteemiä.
Vuonna 1994 elinkeinoyhtiö Prizztech ja Finnish Chemicals, nykyinen Kemira Chemicals, käynnistivät Äetsässä vetykylähankkeen. Natriumkloraattitehtaan sivutuotevetyä haluttiin käyttää polttokennoissa lämmön ja sähkön yhteistuotantoon. Toinen käyttökohde olisivat olleet vetyautot.
”Haaveilimme Äetsän Finnish Chemicals Oy:n sivutuotevetyyn perustuvasta liikenteen, kiinteistöjen ja teollisuuden koealue-infrasta. Piirsimme vetyputken Äetsästä Olkiluotoon ja Poriin”, kertoo Reino Heinola, joka toimi konsulttina Prizztech Oy:ssä.
”Suomessa yritykset ja rahoitus sen mukana suuntautuivat vedyn sijaan bioenergiaan.”
Mukana oli toistakymmentä yritystä ja muuta organisaatiota. Vuosituhannen vaihteessa toteutettiin Pohjoismaiden ensimmäinen polttokennoista kaiken energiansa saava omakotitalo.
Vetykylähankekin hiipui noin vuoteen 2005 mennessä, koska Neste eli silloinen Fortum päätti muuttaa suuntaa.
”Suomessa yritykset ja rahoitus sen mukana suuntautuivat vedyn sijaan bioenergiaan. Prizztechin mittavan vetyhankesalkun valmistelu jäi ilman rahoitusta”, kertoo Heinola.
Aurinkovedyn tutkimus innosti
Viime vuosisadan jälkipuoliskolla alkoi vahvistua ajatus hankkia sähkö vedyn tuotantoon aurinkopaneeleista. Koko ketju saataisiin silloin päästöttömäksi. Haavetta ryhdyttiin 1990-luvulla tosissaan toteuttamaan kehittyneissä maissa.
Suomessa Helsingin teknillinen korkeakoulu ja Neste Oy:n tutkimuslaitos kehittivät ”aurinkovetyjärjestelmää” 1990-luvun ajan. Molemmat rakensivat täysikokoiset testauslaitteet Tekesin, nykyisen Business Finlandin edeltäjän Nemo-hankkeessa. Idea oli tasata aurinkopaneelin tuotantovaihteluja. Ylimääräinen auringonpaiste varastoitaisiin vedyn muodossa. Pilvisellä ilmalla sähköä otettaisiin vetyvarastosta polttokennon avulla.
Neste rakensi systeemin prototyypin 1995–1996.
”Ensimmäisten kaupallisten sovellusten odotetaan tulevan muutaman vuoden kuluessa”, kirjoittivat tutkijat vuonna 1998 Nemon raportissa. Tutkimukset päättyivät, kun suurin toimija Neste siirsi painopisteen biopolttoaineisiin.
Nousu uudella vuosituhannella
Tutkimus- ja kehitystyö vedyn ympärillä on laajentunut räjähdysmäisesti 2020-luvulla. Teknologian tutkimuskeskus VTT aloitti vetytutkimukset vuosituhannen vaihteessa.
”Olemme tutkineet ja kehittäneet sekä polttokennoja (SOC ja PEMC) että elektrolyysereitä jo parikymmentä vuotta”, kertoo VTT:n tutkimusprofessori Jari Kiviaho.
Kiinteäoksidikenno (SOC) on korkean lämpötilan kenno, jossa elektrolyyttinä toimii nesteen sijasta kiinteä keraaminen aine. Matalassa lämpötilassa toimivassa PEM-kennossa (PEMC) elektrolyytti on ioneja johtava kalvo.
”Ilmastotavoitteet vaikuttavat: nyt on tehtävä jotakin”
Kiinteäoksidipolttokenno on korkean lämpötilan kenno, jossa elektrolyyttinä toimii nesteen sijasta kiinteä keraaminen aine. Matalassa lämpötilassa toimivassa PEM-kennossa elektrolyytti on ioneja johtava kalvo.
”Nyt vety on yksi vihreän siirtymän työkaluista. On laskettu, että Euroopassa energian kulutuksesta 80 prosenttia pystytään kattamaan uusiutuvan sähkön suorakäytöllä ja loput 20 prosenttia vedyn kautta”, Kiviaho sanoo.
Johtaja Antti Arasto, jonka alaa ovat energia ja vety, täydentää: ”Tilannetta ovat muuttaneet uudet voimatekijät. Uusiutuvan sähkön hinta on laskenut. Vallanjako globaalissa energiatasapainossa muuttuu. Ilmastotavoitteet vaikuttavat: nyt on tehtävä jotakin.”
Nyt tehdään investointeja ja vetyteknologia hyväksytään yleisesti.
Vetyklusterissa on noin 50 yritystä. Neste on taas aktiivisesti mukana suurena vedyn käyttäjänä. Uusiutuvankin, biopohjaisen polttoaineen valmistuksessa tarvitaan vetyä apuaineena, hapen erottamiseen.
Vedyn vuosia
- 1800 Brittitutkijat William Nicholson ja Sir Anthony Carlisle hajottivat ensimmäisen kerran sähköllä vettä vedyksi ja hapeksi.
- 1842 Walesilainen fyysikko William Grove keksi vetypolttokennon.
- 1965 Nasa käytti vetypolttokennoa Gemini-avaruusaluksissa tuottamaan sähköä ja juomavettä.
- 1972 Brittiläis-yhdysvaltalainen sähkökemisti John Bockris loi käsitteen ”vetytalous”.
- 1990 Helsingin teknillisen korkeakoulun ja Neste Oy:n aurinkovetytutkimus alkoi
- 1993–1997 Helsingin teknillisen korkeakoulun ja Nesteen NEMO 2-104 -hanke vedyn tuottamiseksi aurinkoenergialla
- 2023 P2X Solutionsin vihreän vedyn tehdas harjakorkeuteen
- 2023 Suomalaisen Hycamiten aiesopimus yhdysvaltalaisen NW Naturalin kanssa päästöttömän vedyn tuottamiseksi maakaasusta metaanipyrolyysillä.
