Auringon ja tuulen tallettajat

05.10.2017
Minna Hölttä

Kuinka uusiutuvan energian varastoinnista saisi halvempaa ja helpompaa? Jos tutkimus onnistuu, se on harppaus kohti ilmastonmuutoksen ratkaisua.

Sami Tuomi ja Tanja Kallio aurinkopaneelien äärellä. Aurinkoenergian käyttöä lisätään vauhdilla myös Otaniemen kampuksella. TUAS-talon ja Tietotekniikan talon kattojen 920 aurinkopaneelia tuottavat noin 6 prosenttia rakennusten sähköntarpeesta, kesällä jopa 20 prosenttia. Kuva: Jaakko Kahilaniemi.

EU:lla on tiukka päämäärä: vuoteen 2050 mennessä se haluaa jäsenmaidensa nipistävän kasvihuonepäästöt viidennekseen tai jopa kymmenesosaan nykyisestä.

Aurinkopaneelien keskellä taiteilevan professori Tanja Kallion ja tohtorikoulutettava Sami Tuomen näkökulmasta sen toteutuminen ei ole lainkaan mahdotonta.

”Esimerkiksi Tanskassa uusiutuvan energian osuus sähköntuotannosta on jo nyt 40 prosenttia, ja tähtäimessä on nostaa se 60 prosenttiin reilussa kymmenessä vuodessa. Teoriassa ei ole mitään syytä, miksei kaikki sähköenergia voisi tulla uusiutuvista lähteistä.”

Sitä ennen pitää vain ratkaista varastointiongelma.

3 grammaa ja 2 tonnia

Aurinko säteilee maapallolle 4,3 × 1020 joulea energiaa tunnissa – suunnilleen yhtä paljon kuin ihmiskunta käyttää kokonaisessa vuodessa. Aurinkoa ja tuulta ei kuitenkaan ole aina, kun energialle on tarvetta, ja suurimittaisen varastoinnin tiellä on monia haasteita. Yksi niistä on platina; arvokoruista tuttu jalometalli, jonka grammahinta pyörii 30 euron hujakoilla. Uusiutuvan energian varastoinnissa platina toimii elektrokatalyyttinä, joka auttaa auringon tai tuulen tuottamaa sähköenergiaa varastoitumaan kemialliseksi energiaksi ja kemiallisen energian muuttumaan takaisin sähköksi.

”Katalyytin osuus prosessin kustannuksista on noin viidennes. EU on myös listannut platinan ja monet muut nykyisin käytettävät katalyytit kriittisiksi raaka-aineiksi. Se tarkoittaa, että ne uhkaavat joko loppua maailmasta ja tulla ennen sitä tähtitieteellisen kalliiksi tai että niitä saadaan geopoliittisesti haastavista maista, joissa tuotanto ei ole turvattua”, Tanja Kallio selittää.

Kallio ryhmineen kehittää platinan korvaavia katalyyttejä edullisemmista ja helpommin saatavista raaka-aineista, esimerkiksi raudasta. Hintaero on valtava: platinaa saa sadalla eurolla noin kolme grammaa, rautaa yli kaksi tonnia. Toisin kuin platina, rauta ei kuitenkaan kelpaa katalyytiksi sellaisenaan, koska sen pinta passivoituu ilmassa.

Yksi ryhmän räätälöimistä materiaaleista on erittäin hyvin sähköä johtava hiilinanoputki, jonka pinnalla on katalyyttinä toimiva, grafeenikerroksen suojaama rautapartikkeli. Valmistusmenetelmän ansiosta se on hyvin aktiivinen, mikä tarkoittaa, että sähköenergiaa kuluu hukkaan varastoinnissa vain vähän. Siksi prosessi on myös taloudellisesti kannattava.

”Olemme myös tehneet typpidoupattuja hiilinanoputkia. Putki itsessään on huono reagoimaan, mutta kun sen pinnalta otetaan pois hiili ja laitetaan typpi tilalle, muodostuu epäjatkuvuuskohtia, jotka ovat katalyyttisesti aktiivisia”, Sami Tuomi kertoo.

Typellä douppaaminen eli seostaminen on suoraviivainen prosessi. Ensin hiilinanoputki ja liuotin yhdistetään yhdessä astiassa, typpiä sisältävä yhdiste ja liuotin toisessa. Sen jälkeen sekoitellaan, yhdistetään seokset ja sekoitetaan jälleen. Lopuksi haluttu materiaali erotetaan ja pistetään kuumennuskäsittelyyn. Kallion mukaan yksinkertaisuus oli tietoinen valinta.

”Halusimme prosessin, jonka skaalaaminen ja siten kaupallistaminen olisi mahdollisimman helppoa.”

Kestääkö se?

Kun uusiutuvaa energiaa halutaan varastoida suuria määriä ja pitkiä aikoja, se tehdään yleensä vedyn muodossa. Aurinkopaneelissa tai tuulivoimalassa syntyvä sähkö kulkee elektrolyyseriyksikköön, joka muodostuu kahdesta päätylevystä ja niiden pinnoille laitetusta katalyyttimateriaalista. Yhteen päätylevyyn syötetään sähkön lisäksi vettä, joka hajoaa katalyytin pinnalla happi- ja vetymolekyyleiksi. Happi poistuu toiselta päätylevyltä puhtaana kaasuna, ja vety kerätään talteen tankkeihin, joista se voidaan joko käyttää edelleen tai muuttaa myöhemmin takaisin sähköksi. Tankkien tilavuus vaihtelee konttikoosta maan alle sijoitettaviin jättimäisiin palloihin, jotka ovat pienkerrostalon kokoisia.

”Pienempi säiliö voisi sopia esimerkiksi vetyautojen polttoaineen säilytykseen”, Tanja Kallio pohtii.

”Se olisi myös järkevää, sillä tutkimusten mukaan kaikkein taloudellisin systeemi olisi sellainen, jossa vetyä käytettäisiin samaa tahtia tuotannon kanssa. Eli uusiutuvasta piikkienergiasta saataisiin vetyä, jonka vetyautot sitten kuluttaisivat. ”

Räätälöidyillä katalyyteillä on kuitenkin vielä matkaa teollisuussovelluksiin. Kallio myöntää, että vaikka he ovat löytäneet useita lupaavia ja mielenkiintoisia katalyyttejä, on vielä arvoitus, miten ja miksi jotkin niistä toimivat. Toinen iso haaste on osoittaa, että pienessä laboratoriomittakaavassa erinomaisiksi todetut katalyytit kestävät myös suuremmassa mittakaavassa ja riittävän pitkän aikaa.

”Aikaskaala on isoimpia haasteita. Katalyytin pitäisi toimia kaupallisessa sovelluksessa ainakin viisi vuotta, mutta niin pitkän demon tekeminen ei ole kauhean realistista”, Tuomi sanoo.

”Itse ajattelen, että lähdemme liikkeelle lyhyemmistä ajoista ja katsomme, tapahtuuko hajoamista. Näin pääsemme tarkastelemaan, miten hyvin katalyytti kestää, tai jos ei kestä, miksi se ei kestä. Kaupallinen haaste ratkeaa siis samalla kuin tieteellinen ongelma”, Kallio uskoo.

Kolme neljästä syypäästä

Ratkaisun vaikutus kasvihuonepäästöihin ja sitä kautta ilmastonmuutoksen torjumiseen voi olla valtava. Esimerkki Atlantin takaa on valaiseva.

”Yhdysvalloissa sähköntuotanto aiheuttaa 29 prosenttia kasvihuonepäästöistä, ja niistä 75 prosenttia on peräisin hiilivoimaloista. Jos hiilellä tuotettu sähkö saataisiinkin tuulesta tai auringosta, maan kasvihuonepäästöjen määrä putoaisi 22 prosenttia”, Sami Tuomi laskee.

Pariisin ilmastosopimuksen hyllyttäneen Donald Trumpin aikakaudella pudotus kuulostaa utopialta, mutta onneksi muualla on toivoa. Esimerkiksi jättivaltiot Intia ja Kiina ovat jo päättäneet vähentää hiilivoimaloiden määrää, koska sähkön tuottaminen uusiutuvilla lähteillä on selvästi edullisempaa. Kallio ja Tuomi painottavat, että sovelluksia löytyy myös muilta aloilta.

Kasvihuonepäästöjen aiheuttajat voidaan jakaa karkeasti neljään yhtä suureen syypäähän: sähköntuotantoon, teollisuuteen, liikenteeseen ja sekalaiseen, muun muassa maatalouden sisältävään, ryhmään.

”Me voimme vaikuttaa niistä kolmeen ensimmäiseen. Teollisuus esimerkiksi käyttää valtavia määriä vetyä, joka tällä hetkellä tuotetaan maakaasusta, mutta meidän systeemillämme se voitaisiin valmistaa vedestä uusiutuvalla energialla.”

Vedyllä kulkevia, vesihöyryä pakoputkesta tupruttavia polttokennoautoja on Suomessa rekisteröity yksi ainoa kappale, ja maailmallakin ne ovat vielä harvinaisia. Autoteollisuuden jäteistä etenkin Toyota panostaa kuitenkin niihin voimalla. Ja Tokio aikoo satsata kaupungin vetyinfrastruktuuriin 350 miljoonaa euroa ennen vuoden 2030 olympialaisia.

”Sähköautot ovat yleistyneet voimakkaasti, koska niille rakennetaan infraa. Jos vetyä käyttävät uusiutuvan energian ratkaisut yleistyisivät, infra tulisi luonnollisesti mukana”, Kallio selittää.
Vetyautot sopisivat hyvin myös suomalaiseen ajokulttuuriin.

”Sähköauto on mainio kaupunkiliikenteessä, mutta on epätodennäköistä, että niillä päästään ajelemaan pitkiä mökkimatkoja tai Lapin-reissuja.”

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 20 lokakuussa 2017. (issuu.com)