Hyppää sisältöön

Aurinko on loputon energian lähde, mutta nykyiset menetelmät ovat tehottomia – nyt käsillä voi olla kaiken mullistava teknologia: valokatalyysi

Auringonvalosta tuotettu energia on tulevaisuudessa yhä merkittävämpi keino vastata maailman energiahaasteisiin. Aurinkovetypaneelien avulla tuotetulla vedyllä voitaisiin korvata perinteisiä fossiilisia ratkaisuja ja käyttää päästötöntä vetyä esimerkiksi ajoneuvojen polttoaineena.

Japanilaisen Shinshun ja Tokion yliopiston tutkijat ovat rakentaneet  aurinkovetypaneelien tutkimuskentän, jossa voidaan testata mitkä materiaalit hyödyntävät parhaiten auringonvaloa, ja erottavat veden vedyksi ja hapeksi. Kuva: Kazunari Domen/ Shinshu University  & The University of Tokyo
Japanilaisen Shinshun ja Tokion yliopiston tutkijat ovat rakentaneet aurinkovetypaneelien tutkimuskentän, jossa voidaan testata mitkä materiaalit hyödyntävät parhaiten auringonvaloa, ja erottavat veden vedyksi ja hapeksi. Kuva: Kazunari Domen/ Shinshu University & The University of Tokyo

Pienet kuplat nousevat hiljalleen lasilevyn alla olevassa läpinäkyvässä aurinkovetypaneelissa. Sen sisällä on vettä.

Kuplat näyttävät vesihöyryltä, mutta kyseessä on vetykaasu, joka pyrkii pintaan.

Japanilaisen Naganon Shinshun yliopiston tutkijat esittelivät hiljattain uraa-uurtavia tuloksia tutkimuksessa, joka tähtää valokatalyysiin. Se tarkoittaa auringonvalon muuntamista vedyksi kaupallisesti.

Valokatalyysi olisi yksi tapa vastata maailman energiahaasteisiin.

Tällä hetkellä vuosittain käytettävästä noin 70 miljoonasta vetytonnista 99 prosenttia tehdään fossiilisista polttoaineista, pääasiassa maakaasusta. Siinä maakaasun sisältämästä metaanista erotetaan vetyä.

Vetyä voidaan valmistaa myös päästöttömästi vaikkapa tuulisähkön avulla, jolloin sähkö käytetään veden pilkkomiseen vedyksi ja hapeksi.

– Toistaiseksi vain yksi prosentti vedystä valmistetaan maailmalla uusiutuvasti, ja hyvin pieni osa fotokatalyysin eli auringonvalon avulla. Meidän täytyy hyvin nopeasti kääntää tämä suhde niin, että valtaosa vedystä valmistetaan uusiutuvasti, sanoo materiaalikemian apulaisprofessori Jarkko J. Saarinen Itä-Suomen yliopistosta.

Aurinkovetyä valmistetaan niin, että kemiallisessa prosessissa reaktion käynnistäjänä toimiva aine kerää energiaa auringonvalosta. Se käyttää sitä vesimolekyylin hajottamiseen, jolloin syntyy vetyä ja happea.

Vetypaneelit pystyvät hyödyntämään noin prosentin auringonvalon energiasta. Kaupallinen vedyn valmistaminen auringonvalolla vaatii hyötysuhteen parantamista. Kuva: Kazunari Domen / Shinshu University & The University of Tokyo

Vetyä voitaisiin käyttää polttokennojen avulla ajoneuvoissa, polttokennoilla tehtyä energiaa voitaisiin syöttää sähköverkkoon tai käyttää vaikkapa teräksen ja erilaisten kemikaalien valmistuksessa.

Vedyn avulla voitaisiin myös tasata energiatuotannon ja kulutuksen heilahteluja, jolloin vety toimisi energian varastona. Tällöin aurinko- ja tuulivoiman käyttöä voitaisiin lisätä merkittävästi nykyisestä.

– Auringossa on loputon energianlähde, joka pitää oppia valjastamaan päästöttömän energian tuotannossa, apulaisprofessori Saarinen jatkaa.

Heikko hyötysuhde on ollut suurin este aurinkovedyn tuotannon aloittamiseen. Nyt japanilaistutkijat ovat pystyneet satakertaistamaan vedyn tuottopotentiaalin, mutta sekään ei riitä.

– Tällä hetkellä pystymme hyödyntämään noin yhden prosentin auringonvalon energiasta. Meidän täytyy päästä vähintään 10 prosentin hyötysuhteeseen. Silloin vedyn hinta olisi kilpailukykyinen, sanoo apulaisprofessori Takashi Hisatomi Shinshun yliopistosta.

Suurissa aurinkovetypaneelikentissä vetyä kyettäisiin valmistamaan vuodessa 6300 tonnia neliökilometrillä. Kuva: Kazunari Domen / Shinshu University & The University of Tokyo

Hisatomin mukaan tutkimus on niin pitkällä, että kaupallinen tuotanto on mahdollista aloittaa vuosikymmenen kuluessa. Ongelmana on kuitenkin se, että maakaasusta valmistettu vety on tällä hetkellä niin edullista, ettei se kannusta käynnistämään tuotantoa päästöttömillä vaihtoehdoilla.

– Fossiiliset polttoaineet ovat liian halpoja, joten meidän on saatava tuotanto vakaaksi ja kustannukset alhaisemmiksi, jotta aurinkovetyä olisi kannattavaa tuottaa, pohtii Takashi Hisatomi.

Aurinkovedyn tuotannon käynnistäminen tarkoittaa valtavia investointeja. Ne eivät tapahdu hetkessä.

Hisatomi laskee, että mikäli kaikki maailmalla vuosittain käytettävä vety valmistettaisiin pelkästään auringonvalon tuottamalla energialla, aurinkovetypaneeleita tarvittaisiin 750 000 km² suuruinen ala.

Se olisi yli kaksi kertaa Suomen kokoinen pinta-ala. Alue kuulostaa valtavalta, mutta apulaisprofessori katsoo asiaa toisin.

– Jos pystyisimme hyödyntämään näin laajan alueen, se kattaisi silti vain muutaman prosentin maapallon aavikkoalueesta, apulaisprofessori Hisatomi laskee.

Sopivia alueita löytyisi esimerkiksi Australiasta ja Lähi-Idästä. Sieltä vety täytyisi kuljettaa säilöaluksilla sinne, missä sitä käytetään. Omaa tuotantoa voisi olla myös Euroopassa. Esimerkiksi Suomesta löytyisi hyvin alueita, joissa auringonvaloa on tarjolla runsaasti.

Opiskelija Juho-Pekka Hautala ja apulaisprofessori Jarkko J Saarinen tutkivat elektronimikroskoopilla titaanidioksidin nanorakennetta. Kuva: Jari Tanskanen / Yle

Kilpajuoksu käynnissä hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi

Kymmenissä yliopistoissa eri puolilla maailmaa tutkijat pohtivat, mitkä materiaalit pystyvät hyödyntämään parhaiten auringonvaloa ja erottamaan veden vedyksi ja hapeksi.

Suomessa tutkimusta tehdään Itä-Suomen yliopiston lisäksi Oulun ja Tampereen yliopistoissa sekä Aalto-yliopistossa.

Itä-Suomen yliopiston kemian laitoksella Joensuussa tutkitaan, miten aurinkorasvoissakin käytetty titaanidioksidi toimisi katalyyttina, eli aineena, joka käynnistää kemiallisen reaktion. Tutkijat ovat huomanneet, että katalyyttiin kannattaa lisätä esimerkiksi kuparia tai kultahiukkasia.

– Titaanidioksidi absorboi eli imee itseensä energiaa kapealla ultravioletti- eli uv-alueella, mutta jos sekoitamme siihen kultananopartikkeleita, voimme hyödyntää paremmin myös näkyvän valon aallonpituutta, kertoo apulaisprofessori Jarkko J. Saarinen.

Itä-Suomen yliopisto ja Tampereen yliopisto hakevat yhdessä Suomen Akatemialta rahoitusta tutkimukseen, jossa prosessin hyötysuhdetta voitaisiin lisätä magneettisten nanorakenteiden avulla.

Vetypaneeleilla saadaan auringonvalon energia kemialliseen muotoon

Käytännössä aurinkovetyä tehtäisiin nykyisiä aurinkosähköpaneeleita muistuttavissa paneeleissa, joissa on sisällä vettä.

– Päiväsaikaan voisimme varastoida auringon valoenergiaa kemialliseen muotoon, ja se vapautettaisiin myöhemmin esimerkiksi polttokennon avulla uudelleen käytettäväksi, sanoo Saarinen.

Aluksi auringonvalolla tuotettua vetyä voitaisiin hyödyntää pienimuotoisesti esimerkiksi mökkien ja asuntojen lämmityksessä ja sähköistyksessä. Mutta tähtäin on paljon isompi.

Teollisesti valmistetusta päästöttömästä vedystä voisi varsin nopeasti tulla yksi ratkaisu teollisuuden ja liikenteen isoihin hiilidioksidiongelmiin.

Meidän on päästävä kaupalliseen toimintaan mahdollisimman nopeasti ja uusiutuvilla polttoaineilla pystyttävä korvaamaan perinteisiä fossiilisia ratkaisuja, sanoo apulaisprofessori Jarkko J. Saarinen. Kuva: Jari Tanskanen / Yle

Lentokoneiden kerosiini voitaisiin korvata päästöttömällä polttoaineella

Saarinen näkee aurinkovedystä tulevaisuudessa hyötyä erityisesti teollisuuden, raskaan liikenteen sekä ilmailun hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä.

Yksi sovellusala olisi lentoliikenteessä käytettävän kerosiinin korvaaminen päästöttömällä polttoaineella. Kyseessä olisi tekniikka, jossa raaka-aineina käytettäisiin hiilidioksidia ja vetyä. Polttoaine sopisi sellaisenaan käytettäväksi lentokoneiden moottoreissa.

– Teräs- tai betonitehtaiden savukaasusta talteenotettavasta hiilidioksidista ja uusiutuvasti tuotetusta vedystä voitaisiin valmistaa päästötöntä synteettistä kerosiinia.

Tällainen koelaitos on suunnitteilla Lappeenrannan Joutsenoon Etelä-Karjalassa. Tosin se käyttäisi vedyn valmistuksessa aurinkoenergian sijasta ainakin aluksi uusiutuvaa tuulisähköä.

Lue lisää:

.
.