SOFC – metanolitalouden ituko?


Kuva 1. SOFC-kennon periaatekaavio. Alkuperäiskuva: Wikipedia, suomennos ja korjailu RJ, käyttöoikeus: CC BY-SA 3.0

Kuva 1. SOFC-kennon periaatekaavio. Alkuperäiskuva: Wikipedia, suomennos ja kuvan korjailu: RJ, käyttöoikeus: CC BY-SA 3.0

Vetytalous on varmaan monille terminä tuttu (Linkki). Sen voinee pelkistää järjestelmäksi, jossa sähkölaitteiden käyttöpotentiaalia ei kaukosiirretä elektronien potentiaalierona johtimissa vaan siirretään vetyä ja käytetään sen ja ilmakehän hapen välillä vallitsevaa kemiallista potentiaalia. Käytännössä siis tehontarvepaikalle tai sen lähistölle tuodaan vetykaasua ja otetaan vettä muodostavan reaktion kemiallisesta energiasta sähkö ja ehkä lämpökin hyötykäyttöön.

Edellisestä määritelmästä heti äkkinäinenkin huomaa kysyä, että onko järkeä siirtä elektroniin verrattuna suurimassaista protoniakin käyttöpaikan tienoille? Vetytalouden ehdotetut käyttökohteet olisivatkin pääosin liikkuvassa kalustossa, joihin em. elektronien potentiaalieron siirto tuottaa vaikeuksia. Ajattelepa vaikka henkilöautoa, joka olisi johtimissa kiinni. Yksi sellainen mahtuisi tielle, mutta jo ensimmäinen vastaantulija monimutkaistaisi järjestelmää jne. Ei henkilöautoina, mutta busseina tuollainen johdinautojärjestelmä on silti toiminut mm. Tampereella.

Vetytalous voidaan nähdä myös pitkälti akkuja korvaavana tekniikkana, vaikka toki siinä hiilivetykäyttöiset polttomoottoritkin olisivat korvautumassa. Vaihdettaessa sähköauton akut vetysäiliöön, tarvitaan lisäksi  miltei ”vain” polttokenno, että auto kulkee. Näin paljastuu, että kyse on kilpailevista tekniikoista. Akkuihin pohjaavia sähköautoja sentään on myynnissä, vetyautoja ei varsinaisesti.

Metanolitalous taas voitaisiin pelkistää vetytaloudeksi (Linkki), jossa vedyn nesteytys on hoidettu jäähdytystä tai paineastiaa tarvitsemattomalla tavalla. Toisena merkittävänä erona pitäisin sitä, että siirytyminen metanolitalouteen voisi olla myös asteettaista, evoluutionääristä, kun vetytalouteen siirtyminen on selvästi enemmän harpauksellista, revolutionääristä. Esimerkiksi flexifuel-monipolttoainevarustelu, joka sallisi metanoliseospolttoaineidenkin käytön tavanomaisissa ottomoottorihenkilöautoissa, maksaa vain sadan euron luokkaa tehtaalla, kun vetyvarustelu vaatii oikeastaan ihan toisenlaisen ja kalliin auton valmistamista.

Metanolitalous on siinäkin mielessä vetytalouden muunnelma, että metanoli kelpaa eräiden polttokennotyyppien polttoaineeksi. Polttokennohan on se vetytalouden avainkohta, jossa suurimman edun uskotaan piileskelevän.  Toki vertailuissa yleensä puhutaan polttokennon teoreettisesta hyötysuhteesta (n. 83%)  verrattuna polttomoottorin käytännön hyötysuhteeseen (n. 40%). Polttomoottorin teoreettinen hyötysuhdehan on yli 90%, jolloin vertailu menisikin pilalle.

Eräs metanolia käyttäväksi soveltuva polttokennotyyppi on SOFC. Lyhenne tulee sanoista Solid Oxide Fuel Cell, joka on suomeksi kiinteäoksidipolttokenno. Kuvissa 1 ja 2 näkyy tämän polttokennotyypin periaatepiirroksia. Jos vety vaihdetaan kuvassa 2 metanoliin, tulee poistokaasuihin myös hiilidioksidia. Ratkaisu on toiminut sopivilla katalyyteillä laboratoriomittakaavassa (Linkki). Perinteisempi metanolipolttokennoratkaisu on reformoida metanoli ensin vedyn ja hiilimonoksidin muodostamaksi synteesikaasuksi. Tässäkin pakokaasuna muodostuu hiilidioksidia.

Periaatteessa pitäisin metanolitaloutta myös kansallisesti varsin lupaavana vaihtoehtona, koska puujätteistä saa jo yksinkertaisella pyrolyysillä metanolia. Suurempiin metanolisaantoihin pääsee kehittyneemmällä Fischer–Tropsch-menetelmällä.  Taloudellisesti ajatellen polttopuun ja nestemäisen polttoaineen hintaero ei ole kovin suuri, ts. jalostusarvo on aika vähäinen. Nykyisen ilmastopolitiikan aikakaudella biopolttoneste voisi kuitenkin saada ylimääräistä arvostusta. Metanolitalouden käynnistäminen vaatisi nähdäkseni vähintään yhden energiasektorin sovelluskohteen, jossa metanolia käytettäisiin kilpailukykyisesti ja mieluusti runsaasti. Metanolin runsas ja kohtuullisen edukas tarjonta todennäköisesti tuottaisi lisää sovelluskohteita.

Kuten alla olevista linkeistä käy ilmi, suomalaisella Wärtsilällä oli SOFC-projekti laivojen metanolipohjaiseen sähköntuotantoon ja ehkä lopullisena tavoitteena olisi voinut olla nettopäästötön laiva. Ilmeisesti kuitenkaan projekti ei luvannut pikaisia tuloksia Wärtsilän kaipaamaan mittakaavaan ja SOFC-kehitystä jatkaa uusi yritys.

Itsekin innoistuin SOFC:stä siihen törmättyäni, mutta tarkempi tutustuminen toi taas hieman pessimismiäkin pintaan. Sähkön tuotannon hyötysuhteen maksimointi SOFC-laitteistossa vaatii jotain ”jälkipoltinta”, koska polttoainevirta täytyy pitää rikkaalla polttokennon maksimituoton saavuttamiseksi. Tai vaihtoehtoisesti tarvitaan kierrätysjärjestelmää ohivirranneelle polttoaineelle. Näin järjestelmää monimutkaistamalla päästäänkin hyvään sähköntuotantosuhteeseen polttoaineen energiasta laskettuna. Metaania eli maakaasua käytettäessä tilanne näyttääkin jo hyvältä, mutta metanolia käytettäessä olisi vielä huomioitava  polttoaineen valmistushävikkejä.

Näillä näkymin on vaikea povata SOFC:n toimivan metanolitalouden pikaisesti käynnistävänä ituna. SOFC-laitteistoille on jo löytynyt sovelluskohteita pääosin kiinteästi asennettuina ja metaanikäyttöisinä. Metanolin käyttö kiinteissä kohteissa saanee etua vain, jos maakaasua eli metaania ei ole helposti saatavilla. Onhan metanolinkin edullisin raaka-aine juuri maakaasu. Liikkuvissa laitteissa metanolilla olisi helpommin etuja puolellaan, mutta SOFC-polttokennot näyttäisivät olevan vielä liian massiivisia esimerkiksi henkilöautojen voimanlähteiksi.

Kuva 2. SOFC-vetypolttokenno. Alkuperäiskuva: Wikipedia, suomennos: RJ

Kuva 2. SOFC-vetypolttokenno. Alkuperäiskuva: Wikipedia/Sakurambo, suomennos: RJ

 

Linkkejä aiheen liepeiltä

https://fi.wikipedia.org/wiki/Johdinauto (Linkki)

http://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/31187/mikko_oksanen.pdf?sequence=1 (LinkkiPDF) Mikko Oksasen opinnäytetyö, jossa tarkastellaan metanolipolttokennojen käytettävyyttä laivoissa.

http://www.wartsila.com/media/news/11-06-2010-wartsila-installs-fuel-cell-unit-on-vessel—unique-sofc-technology-provides-power-to-wallenius%27-car-carrier-%27undine%27 (Linkki) Viisi vuotta vanha uutinen Wärtsilän metanoli-SOFC-polttokennosta.

http://www.fuelcelltoday.com/news-archive/2013/january/waertsilae%E2%80%99s-fuel-cell-activities-continue-in-new-company (Linkki) Uutinen Wärtsilän irrottautumisesta polttokennojen kehittämisestä kahden ja puolen vuoden takaa.

http://www.fuelcelltoday.com/news-archive/2014/january/fuel-cell-today-to-cease-reporting-activities-from-january-2014 (Linkki) Fuel Cell Today -julkaisun ilmoitus muutoksesta polttokenno eilen -tyyppiseksi.

http://automation.tkk.fi/attach/AS-84-3134/halinen107.pdf (LinkkiPDF) VTT:n Matias Halisen yleiskatsaus polttokennoihin vuodelta 2007.

http://www.vihrealanka.fi/uutiset/mullistaako-suomalainen-polttokenno-s%C3%A4hk%C3%B6ntuotannon (Linkki) Vihreä Lanka haastatteli VTT:n Halista.

http://www.tekniikkatalous.fi/tekniikka/energia/2012-06-05/Polttokenno-voi-mullistaa-pientalojen-energiantuotannon-3309546.html (Linkki) T&T:n uutisointia metaani-SOFC:estä.

http://www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150804093803.htm (Linkki) Hiilen nesteytyksestä kertova uutinen, joka toimi kimmokkeena artikkelilleni.

http://www.gasum.fi/globalassets/esitykset/kaasurahasto/halinen-improving-the-performance-of-sofc-systems-final.pdf (LinkkiPDF) Matias Halisen väitöskirjaesitelmä.

http://www.tekniikkatalous.fi/kaikki_uutiset/2015-06-13/Suomalaiskeksinn%C3%B6ll%C3%A4-syntyy-tehokkaampia-ja-pitk%C3%A4ik%C3%A4isempi%C3%A4-polttokennoja-3323419.html (Linkki) Parempi tiiviste edistää SOFC:n käytettävyyttä.

http://www.tut.fi/smg/tp/kurssit/DEE-54020/luennot_2015/Luento9.pdf (LinkkiPDF) Pääosin vetypolttokennoja esittelevä luento.

http://www.tekes.fi/globalassets/julkaisut/polttokennot_ohjelman_loppuraportti_1_2014.pdf (LinkkiPDF) Tekesin rahaa on poltettu, mutta myös lupaavia tuotteita on saatu tarjolle. Tuotteista yksi on metanolia käyttävä.

Mainokset

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s