Vetytaloudella viitataanenergian siirtämiseen ja varastointiin molekylaaristavetyä käyttäen. Erityisesti termiä käytetään puhuttaessa maaöljypohjaisten liikennepolttoaineiden korvaamisesta kestävämmällä ratkaisulla. Vetyä voidaan valmistaa esimerkiksielektrolyysillä, eli erottamallavesimolekyylienhappi javety toisistaansähköenergian avulla. Hapen ja vedyn yhdistäminen polttamalla taipolttoainekennossa tuottaasähköä ja/tailämpöenergiaa.
Pastori William Cecil oli ensimmäinen, joka ehdotti vedyn käyttöä polttoaineena moottorissa vuonna 1820. Hieman myöhemmin, vuonna 1874, tieteiskirjailijaJules Verne kirjoitti: ”polttoaine, jota käytetään hiilen loputtua … on vesi … mutta hajotettuna osasikseen … ja hajottamiseen käytetään epäilemättä sähköä.” Valitettavasti hän ei paljastanut veden hajottamiseen käytettävääprimäärienergianlähdettä.[1]
Nykyaikainen vetytalouden käsite on kuitenkin syntynyt 1960- ja 1970-luvuilla kasvaneen ympäristötietoisuuden, erityisesti energiakriisien myötä. Idean pioneerina pidetään amerikkalaista John Bromista, joka myös tiettävästi ensi kerran käytti termiä vetytalous vuonna 1970 konsultoidessaanGeneral Motorsia öljypolttoaineiden vaihtoehdoista.[2]
Vuonna 2005 ilmestyneen tilaston mukaan maailman primäärienergiankulutuksesta 80 % katettiinfossiilisilla polttoaineilla.[3] Fossiilisten polttoaineiden käytön ympäristövaikutukset, joista merkittävimpiin kuuluuilmastonmuutos, ovat lisänneet tarvetta löytää niille vaihtoehtoja. Kriittisimpiinpolttoaineisiin kuuluuöljy, jonka korvaaminen nestemäisenä, kompaktina ja hyvin monikäyttöisenä polttoaineena on vaikeaa, erityisesti liikennekäytössä. Ilma-, meri- ja maantieliikenne perustuu nykyään miltei täysin öljypohjaisten polttoaineiden hyödyntämiselle. Öljypohjaisten polttoaineiden vaihtoehtojen etsiminen on siksikin tärkeää, että öljyn tunnetut reservit ovat useiden eri lähteiden mukaan kokoluokkaa 1,5 x 1011 m3. Öljyä arvioidaan riittävän nykykulutuksella n. 50 vuodeksi, mutta kulutuksen kasvusta riippuen öljyvarannot saattavat huveta aiemminkin[4]. Öljyn vaihtoehtoja etsittäessä yksi varsin ilmeinen ehdokas on vety.
Vety, jonka atomi koostuu vain yhdestäprotonista ja sitä kiertävästäelektronista, on kaikkein kevein ja yksinkertaisinalkuaineista ja myös monilukuisin; sitä on noin 90 %maailmankaikkeuden aineesta. Maassa sitä on erityisesti vedessä ja hiilivedyissä. Vety on runsautensa ja fysikaalisten ominaisuuksien puolesta houkutteleva vaihtoehto öljypolttoaineille. Palaessaan se muodostaa vettä ja luovuttaa massaansa nähden suuren määrän energiaa. Vetykaasu koostuu kaksiatomisista vetymolekyyleista. Se on myrkytöntä ja vuotaessaan nousee nopeasti yläilmoihin ja laimenee, lopulta yhtyen hapen kanssa vedeksi.
Vedystä tekee mielenkiintoisen energiankantajan vetykaasun korkealämpöarvo, n. 119 MJ/kg. Tätä voi verrata esimerkiksibensiiniin (43,0 MJ/kg),dieselöljyyn (42,6 MJ/kg),maakaasuun (38–50 MJ/kg) jaetanoliin (26,8 MJ/kg)[5][6][7].Nestevedyntiheys on 70,8 kg/m³ 20Klämpötilassa, minkä vuoksi senenergiatiheys tilavuuteen nähden on huono. Bensiinilitra sisältää neljä kertaa enemmän energiaa kuin nestemäinen vety. Vety soveltuu käytettäväksi polttokennojen polttoaineena, jolloin voitaisiin saavuttaa korkeampiahyötysuhteita nykyisiinmoottoreihin verrattuna.
Vetytalouden perusajatuksena on korvata fossiiliset polttoaineet kokonaan tai osittain vedyllä. Samalla polttoaineen asemaprimäärienergianlähteenä vaihtuisi energian kantajaksi: vety pitäisi ensin valmistaa jollain energiaa kuluttavalla menetelmällä. Konseptin hyötynä on, että fossiilisten polttoaineiden käyttöön väistämättä liittyvät haitalliset päästöt torjuttaisiin. Vetypolttoaineen käytön ympäristövaikutukset eivät riipu sen käytöstä vaan vain sen tuotanto- ja jakeluketjusta. Täten vetytalous vähentäisi merkittävästi polttoaineiden käytön aiheuttamia päästöjä ja vähentäisi riippuvuutta fossiilisista polttoaineista, kuten öljystä ja maakaasusta.[8][9]
Suomi on mukana Euroopan laajuisessa TEN-T HIT -projektissa toteuttaa vetytalouteen tarvittavat infrastruktuurit.[10]
Vetytalouden muuttaminen teoreettisesta pohdinnasta toimivaksi energiataloudeksi edellyttää useiden ongelmien ratkaisemista. Vetytalouden vaatima jakeluverkosto puuttuu, vedyn varastointi etenkin pienessä mittakaavassa ja kulkuneuvoissa on ongelmallista ja tarvitaan keino vedyn kuljettamiseksi valmistuksesta kulutukseen.
Maailmassa tuotettiin ja kulutettiin öljyä vuoden 2005 aikoihin miltei 4 000 Mt vuosittain ja kysyntä oli kasvussa[11]. Energiamäärältään maailman öljyntuotanto vastaa noin 1 400 Mt vetyä vuosittain. Vuosituhannen vaihteen aikainen tuotantopasiteetti oli 50 Mt luokkaa[8].
Vetytalouteen siirtymistä perustellaan polttoaineen helpolla saatavuudella:Maan pinnasta suurin osa peittyyveden alle, joka puolestaan on vedyn lähde. Vedyn valmistaminen erottamalla happi ja vety vedestä vaatii kuitenkin vastaavasti runsaasti energiaa. Vedyn valmistukseen kuluvat suuret energiamäärät tulisi ensin tuottaa esimerkiksi sähkönä. Sähköntuotanto puolestaan on toistaiseksi suurelta osin sidottufossiilisten polttoaineiden käyttöön, joten ennen vetytalouteen siirtymistä tarvitaan halpa ja globaalisti käyttökelpoinenenergianlähde. Tällaiseksi on toivottufuusiovoimaa, muttaaurinko- jatuulisähkön tuotannon varastointi vedyksi voi olla yksi sovellus.
Mahdollisia tapoja tuottaa vetyä tunnetaan useita, ja niiden ominaisuuksista riippuu, mikä tuotantotapa sopii kuhunkin tilanteeseen.
Tavallisen lämpövoimakoneen polttoaineen kulutusta on mahdollista vähentää noin 25–30 % sekoittamalla vetyä polttoaineeseen palokammiossa. Lisäksihiilimonoksidi- jahiilivetypäästöt voidaan eliminoidapalokaasuista kokonaan jaNOx-päästöt vähenevät.[14]
Vedyn etujalentokoneissa käyttämiseen on sen suuri energiatiheys painoa kohti, mikä voi vähentää tarvittavan polttoaineen painoa 2,8-kertaisesti. Nestemäistä vetyä voidaan käyttää viilentämään moottoreita, mikä lisää niiden käyttöaikaa 25 % samalla vähentäen huoltotarvetta. Lisäksi päästöt ilmakehän yläosiin vähenevät oleellisesti. Haittapuolena on polttoaineen suuri tilantarve ja yli kymmenen kilometrin korkeuksillakasvihuoneilmiötä aiheuttavan vesihöyryn vapautuminen.[15]
U212-sukellusvene voi olla sukelluksissa ennätyspitkään polttokennojen avulla, jopa 3 viikkoa.[16]
Vetytalouden ongelmiksi on sanottu vedyn valmistusta, varastointia ja kuljetusta, taloudellisuutta ja turvallisuutta.[17][18][19]
Vedyn haittapuolia ovaträjähdysalttius, vaikea varastoitavuus ja ennen kaikkea se, että se esiintyy maapallollayhdisteinä, ja sen valmistaminen on usein energiaa vievä prosessi. Energianlähteeksi vedystä ei ole, mutta energiankantajaksi kyllä. Vedyn tulevaisuuden polttoaineena ratkaisee, löytyykö taloudellista tapaa tuottaa, varastoida ja jakaa sitä energiakäyttöön.[20]
Vetyatomi on hyvin pieni ja sen varastoinnin erityispiirteenä on se, että vety tunkeutuudiffuusion avullateräkseen ja haurastuttaa sitä.[21] Lisäksi vetysäiliöitä on vaikea saada täysin tiiviiksi, jolloin vuotohäviöt ainakin pitkäaikaisemmassa kaasumaisen vedyn varastoinnissa voivat tulla merkitseviksi ellei hoideta asianmukaisesti.
Vaihtoehtona vedyn suoralle polttoainekäytölle esimerkiksi autoissa on ehkä turvallisuuden vuoksi kannatettavampaa synteettisten polttoaineiden valmistus. Eräs vahva vaihtoehto onmetanoli (Metanolitalous), jota voidaan valmistaa vedystä jahiilimonoksidista öljynjalostusta muistuttavassa prosessissa.[22][23] Tällöinmaapallonilmakehänhiilitase ei häiriinny, koska tarvittava hiili voidaan ottaaenergiakasveista kuten levistä. Toinen vaihtoehto onsynteettinen metaani. Lähinnä metaanista koostuvaa maakaasuahan jo hyödynnetään suuressa mittakaavassa eli metaanin jakeluinfrastruktuuria on jo olemassa.
Paineistetun vedyn varastoinnissa autoliikenteessä käytetään yleisesti maksimipainetasoja 350 bar tai 700 bar. 350 barin säiliö voi olla lasikuituinen mutta 700 bar vaatii hiilikuiturakenteen.[24]
