Vetylaitos rakennuksen energianlähteenä – Uusiutuvalla energialla tuotettu vety on päästötöntä

Janne Majaniemi sai idean ylemmän ammattikorkeakoulun talotekniikan tutkinto-ohjelman opinnäytetyöhön ”Rakennuskohtaisen vetylaitteiston käyttö energiantuotannossa” oman työnsä ääressä. Vetyä pidetään tulevaisuuden energialähteenä, sillä uusituvalla energialla tuotettu vety on päästötöntä.

– Minulla oli edellisen työnantajan palveluksessa meneillään hanke, johon harkittiin vetyenergian käyttöönottoa. Kun aloin syventymään aiheeseen, totesin, että kirjallinen dokumentti, jossa kuvailtaisiin, millainen vetyenergiajärjestelmä voisi olla käytännössä, olisi tarpeen, Majaniemi sanoo.

Opinnäytetyön tavoitteena oli simuloida hankekehitysvaiheessa rakennuksen lämmitys-, jäähdytys- ja sähköenergian kulutusta. Tämän perusteella tutkittiin mahdollisuutta käyttää rakennuksen energiantarpeen täyttämiseen rakennuskohtaista vetylaitteistoa.

Kyseessä oli toimistorakennus, joka sisältää toimisto- ja tuotantotiloja Vaasassa. Rakennusprojekti on hankekehitysvaiheessa.

– Suunnitelmassa tavoitteena oli tuottaa vetyä vihreällä sähköllä eli tuuli- tai aurinkovoimalla ja varastoida se erillisissä konteissa rakennuksen pihalla.

Kesällä, aurinkoisina päivinä, rakennus saa sähkönsä aurinkopaneeleista. Ylimääräinen sähkö, joka ei mene heti käyttöön, tallennetaan akkuun. Se voidaan käyttää pilvisinä päivinä ja yöllä. Kun rakennuksen sähköntarve on täytetty ja akku on täynnä, ohjataan ylijäämäsähkö vetylaitteiston elektrolyyseriin.

– Elektrolyysissä ylijäämäsähköllä erotetaan vedestä vetyä varastoitavaksi säiliöihin. Talvella rakennus saa sähkönsä varastoidusta vedystä. Vety syötetään polttokennoon, joka tuottaa sähköä rakennuksen tarpeisiin. Polttokennon tuottaessa sähköä syntyy päästöinä happea, vettä ja lämpöä.

Elektrolyysilaitteisto on tanskalaisen Green Hydrogen Systemsin valmistama. Laitteisto tarvitsee 3-vaiheisen sähköjännitteen toimiakseen. Se käyttää 33,4 litraa vettä tuottaakseen yhden kilon vetyä. Laite tuottaa yli 99,998 prosenttista puhdasta vetyä nopeudella 16,2 kiloa tunnissa, energiaa se vaatii 57 kWh yhtä kiloa vetyä kohti. Elektrolyysilaitteisto, kompressori ja polttokenno tuottavat toimiessaan hukkalämpöä.

– Tätä ylimääräistä lämpöä käytetään ensisijaisesti rakennuksen lämmitysjärjestelmässä.

Vetyä voidaan säilyttää kaasuna tai nesteenä. Vedyn varastoinnin suurin haaste on se, että vety on kevyttä ja tiheydeltään pieni.

– Tämän rakennuksen vetylaitteistossa vetyä varastoidaan paineistettuna kaasuna. Yksi kilogramma vetykaasua vaatii suuren tilavuuden, noin 11 kuutiometriä. Siksi vety on nostettava korkeaan paineeseen. Alhainen tiheys tarkoittaa suuria varastointimääriä ja siten korkeita investointikustannuksia. Korkeat varastointipaineet taas pienentävät varaston kokoa, mutta lisäävät pumppauskustannuksia.

Teknologia monimutkaista

Vetyteknologia on edelleen monimutkaista, eikä sarjatuotantoa ole vielä käynnissä.

– Vetyalan teknologia kuitenkin kehittyy jatkuvasti. Alun perin tiedossa oli, että vetyä voidaan varastoida 350 barin paineeseen. Teknologian nopean kehityksen myötä myös tieto vanhenee nopeasti. Tällä hetkellä puhutaan noin 400–500 barin paineesta, mikä kasvattaa vedyn varastointikapasiteettia.

Vety on peräisin vedestä, eikä sen tuotannossa tarvitse louhia raaka-aineita, kuten akkujen valmistuksessa. Vihreä vety on päästötöntä. Pinkiksi vetyä kutsutaan silloin, kun se tuotetaan joko uusiutuvalla energialla tai ydinvoimalla.

Suomessa ei ole vielä tämän kaltaisia toimivia vetylaitteistoja.

– Keski-Euroopassa vetyä käytetään jo liikenteessä. Suomessa ei ole vielä edes mahdollisuutta tankata vetyautoa. Lähin vaihtoehto on täältä Vaasasta katsottuna Uumajassa Ruotsin puolella.

EU:n vetytiekartan mukaan tavoitteena on kasvattaa puhtaan vetytuotannon kapasiteettia Euroopassa. Tiekartta korostaa tarvetta panostaa laajamittaiseen vetyinfrastruktuuriin, kuten vetytankkausasemiin ja putkistoihin, jotta vetyä voidaan kuljettaa ja jakaa tehokkaasti.

EU aikoo myös investoida vetyteknologian tutkimukseen ja innovointiin, jotta vedyn asema kilpailukykyisenä ja kestävänä energiaratkaisuna vahvistuisi.

Majaniemi sanoo, että kysymys siitä, kannattaako rakentaa rakennuskohtainen vetytuotantolaitos, on edelleen hieman avoin.

– Mikäli halutaan tuottaa energiaa ilman hiilidioksidipäästöjä, niin vastaus on kyllä. Opinnäytetyöni suunnitelman toteuttaminen olisi täysin realistista. Tarvittavat komponentit ovat olemassa, mutta ne on skaalattava ja mitoitettava rakennuskohtaisesti, ja niiden on toimittava yhdessä. Markkinoilta löytyy jo elektrolyysilaitteistoja vedyn tuottamiseen vedestä, pumppaamiseen tarvittavat asemat ovat saatavilla, varastointisäiliöt ovat olemassa, samoin kuin polttokennot, jotka jalostavat vedyn sähköksi. Polttokennojen hukkalämpöä voidaan käyttää lämmitykseen tai johonkin muuhun tarkoitukseen.

Kallis investointi

Suurin kysymysmerkki on kustannusten kohdalla.

– Vetylaitteiston asentaminen on kallis investointi. Lisäksi teknisissä tiedoissa annettu polttokennojen käyttöikä on lyhyt, noin 2–3 vuotta. Malli on ollut markkinoilla niin vähän aikaa, että valmistaja ei lupaa varmuudella enempää, vaikka polttokennon odotetaan toimivan pidempään, Majaniemi sanoo.

Hänen tietojensa mukaan Suomessa ei ole vielä tämän kaltaisia toimivia vetylaitteistoja.

– Ruotsin puolelta jokunen jo löytyy. Suomessa on jo rakenteilla vedyntuotantolaitoksia.

Sellainen systeemi, jossa vetyä johdetaan putkia pitkin rakennuksiin, joissa polttokennot jalostavat vedyn energiaksi, voi olla realistisempi näkymä lähitulevaisuuteen.

Ylijäämäsähkö ohjataan vetylaitteiston elektrolyyseriin.

Opinnäytetyön hankkeessa ei ole tällä hetkellä suunnitelmissa vetylaitteiston käyttöönottoa.

– Tässä rakennuskohteessa vetylaitteisto ei todennäköisesti toteudu. Lisäksi haasteena vetylaitteiston käyttöönotossa rakennuksen energiantuotannossa on se, ettei laitteiden luotettavasta toiminnasta ole kovin paljon käyttötietoa ja osaamista. Lisäksi vedyn tuottaminen vedestä vaatii paljon sekä energiaa että vettä.

Opinnäytetyön aihe osoittautui haastavammaksi kuin Majaniemi oli alun perin ajatellut.

– Kirjallisuutta löytyi yllättävän vähän. Alkumetreillä otin yhteyttä ohjaajaani ja kysyin, voisinko vaihtaa aihetta vähän kevyempään. Ohjaajani kannusti minua jatkamaan, koska hän piti aihetta erittäin mielenkiintoisena.