Suomessa on meneillään kymmeniä polttokennoihin liittyviä tutkimus- ja kehitysprojekteja. Tässä niistä kolme: Pohjoismaiden ensimmäinen polttokennoakku, vetyenergialla toimiva koti ja järeä kennomalli voimalaitosten ja laivojen käyttöön.


liittyviä tutkimus- ja kehitysprojekteja. Tässä niistä kolme:
Pohjoismaiden ensimmäinen polttokennoakku,
vetyenergialla toimiva koti ja järeä kennomalli voimalaitosten
ja laivojen käyttöön.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 2/2004

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Pohjoismaissa toimii vasta yksi kaupallinen polttokennojen valmistaja: suomalainen Hydrocell Oy. Valttinaan sillä on Teknillisessä korkeakoulussa kehitetty tekniikka, jollaista ei käytä mikään muu valmistaja maailmassa.
Tavallisissa polymeeripolttokennoissa sähkövaraus kulkee erikoismuovista tehdyn kalvon läpi elektrodilta toiselle. Jotta kenno toimisi, elektrodeissa on oltava platinaa tai jotain muuta hintavaa jalometallia vauhdittamassa reaktioita.


Hydrocell tekee polymeeripolttokennojen sijasta alkalipolttokennoja, joissa ionit vipeltävät erikoisvalmisteisessa geelissä. Geelin ansiosta elektrodit toimivat, vaikka ne olisi tehty halvemmistakin metalleista. Toinen Hydrocellin kennojen erikoispiirre on niiden sylinterimäinen rakenne, joka tekee kennoista itsekantavia ja säästää valmistuskustannuksissa.


Tuotekehitys on yhä meneillään, mutta tuotteita on jo mahdollista ostaa.


- Messuilla nämä ovat herättäneet mielenkiintoa. Uusi tekniikkahan yleensäkin kiinnostaa suomalaisia, Hydrocellin toimitusjohtaja Tomi Anttila hymyilee.


Hydrocellin polttokennoissa on sisäänrakennettu vetysäiliö, joten ne toimivat käytännössä akkuina. Vetyakkuja on kahta kokoa. Pienempää voi käyttää kännykän, sylimikron tai videokameran virtalähteenä. Isompi riittää kesämökin valaistukseen ja television katseluun tai purjeveneen navigointilaitteisiin, sähköperämoottoriin ja pieniin työkoneisiin. Akkuja voi kytkeä myös peräkkäin, niin että niiden teho riittää kevyihin kulkuneuvoihin.


Polttokennoakun etuna on äänettömyyden ja saasteettomuuden lisäksi suuri energiatiheys, eli akusta saadaan yhdellä latauksella paljon energiaa. Vetyakku ei myöskään purkaudu omia aikojaan, joten autotallin nurkassa nököttävä vara-akku säilyttää varaustilansa vuodesta toiseen.


Milloin polttokennoakkujen ja vetysäiliöiden ostaminen on suomalaisille yhtä lailla normaali asia kuin nyt vaikka kännykkälaturit tai nestekaasupullot? - Viiden tai kymmenen vuoden aikajänteellä, Anttila ennustaa. - Sen sijaan liikenteessä polttokennosovellukset tuskin yleistyvät vielä tällä vuosikymmenellä, koska henkilöautojen kokoluokassa kustannukset ovat yhä korkeat.



Äetsässä, Porin ja Tampereen välillä, seisoo omakotitalo, jossa ei päältä katsoen ole mitään kummallista. Se on kuitenkin Suomen ainoa koti, joka tuottaa sähkönsä ja lämpönsä polttokennolla. Kokeiluasteella oleva, Yhdysvalloista ostettu polymeeripolttokenno on palvellut taloa pari vuotta muutaman kuukauden jaksoissa, joiden välillä järjestelmää on rukkailtu ja paranneltu.


- Jos se toimisi aina luotettavasti, vehjehän olisi ihan mainio, sanoo projektipäällikkö Reino Heinola Satakunnan teknologiakeskuksesta PrizzTechistä. - Mutta vielä on lastentauteja. Muun muassa viime talven kovilla pakkasilla putki, jolla polttokennon tuottama ylimääräinen kosteus johdetaan ulos, yksinkertaisesti jäätyi.


Kokeiluun osallistuvat PrizzTechin lisäksi Finnish Chemicals, jonka kloraattitehtaan sivutuotteena syntyvää vetyä käytetään kennon polttoaineena, sekä Fortum, Woikoski ja Tekes. Lopputuloksena häämöttää ehkä tulevaisuudennäkymä, jossa kodit tuottavat kukin omalla polttokennollaan sähköä ja lämpöä. Silloin kun sähköä syntyy yli oman tarpeen, kodit syöttävät sen yleiseen sähköverkkoon ja saavat energiayhtiöltä maksun.


Polttoaineekseen kotivoimalat tarvitsevat vetyä, jonka jakelu edellyttää maakaasuputkien kaltaisten vetyputkien järjestelmää.


Heinola ei vielä osaa ennustaa, millä vuosikymmenellä vetykodit ovat Suomessa arkipäivää.


- Kokeilunhaluiset voisivat ostaa näitä laitteita jo muutaman vuoden kuluttua, mutta heidän on oltava tekniikasta kiinnostuneita. Tulevaisuutta ajatellen suuri kysymys on, saadaanko järjestelmä riittävän helppokäyttöiseksi kenelle tahansa. Jos siinä onnistutaan, tämä on aivan mahdollinen energian tuotantotapa kodeissa.


Toinen haaste liittyy kustannuksiin. Hinta pitäisi Heinolan mukaan saada putoamaan murto-osaan tämänhetkisestä, jotta laite pärjäisi markkinoilla.


Maailmalla innokkaimmat kodit ovat jo hypänneet vetyaikakauteen hinnoista hätkähtämättä. Esimerkiksi Yhdysvalloissa on ostettu useita satoja talokohtaisia polttokennoja.



Siinä missä polymeeripolttokenno ja suomalainen versio alkalipolttokennosta sopivat kotoisasti syöttämään virtaa kännykkään tai jääkaappiin, kiinteäoksidipolttokenno on huomattavasti järeämmän luokan kapistus. Sen lupaavimpia käyttökohteita ovat voimalaitokset ja laivojen sähköntuottojärjestelmät.


Suomessa kiinteäoksidipolttokennoa tutkitaan FINSOFC-projektissa, jota koordinoi Valtion teknillinen tutkimuskeskus VTT. SOFC tarkoittaa kiinteäoksidipolttokennoa, englanniksi Solid Oxide Fuel Cell. Projektiin osallistuvat VTT:n lisäksi Teknillinen korkeakoulu ja joukko yrityksiä, muun muassa Wärtsilä.


- Projektin päätavoitteena on rakentaa laboratoriomittainen voimalaitos. Sitä testataan, kehitetään ja rakennetaan osa kerrallaan, kertoo ryhmäpäällikkö Rolf Rosenberg VTT Prosesseista.


Kennoista rakennetaan ensin yhden ja viiden kilowatin koekappaleita ja lopuksi 20 kilowatin polttokenno. - Tätä kokoluokkaa käyttäisivät suuret julkiset rakennukset, kuten teollisuuslaitokset, hotellit ja sairaalat, Rosenberg kertoo.


- Keski-Euroopassa rakennetaan jo nyt talokohtaisia ja korttelikohtaisia polttokennovoimaloita. Siellä on laskettu, että kymmenen vuoden päästä polttokennovoimaloiden markkinapotentiaali voi olla kolme prosenttia uusista sähkövoimaloista. Se merkitsee tuhansia voimaloita vuodessa, Rosenberg visioi.


Polttoaineina kokeillaan maakaasua, dieselöljyä ja kaasutettua biomassaa. Mitään niistä polttokenno ei niele sellaisenaan. Kutakin polttoainetta varten suunnitellaan ja rakennetaan reformeri eli laite, joka muuntaa raakapolttoaineen kennolle kelpaavaan muotoon - kaasuseokseksi, josta on puolet vetyä ja loput metaania, hiilidioksidia ja reagoimattomia kaasuja.


Helenä Telkänranta on vapaa toimittaja.


Vanha keksintö


Polttokennoa kokeili englantilainen Sir William Grove jo vuonna 1839, mutta samoihin aikoihin keksitty polttomoottori voitti sen vuosisadan taitteessa, kun kilpailtiin autojen voimanlähteestä.


1960- ja 1970-luvuilla polttokennoista kiinnostuttiin uudestaan Gemini- ja Apollo-avaruusalusten sekä sotilassukellusveneiden voimanlähteinä. Näihin tarkoituksiin kehitettyyn tekniikkaan vain upotettiin niin suruttomasti kalliita materiaaleja, että nyt insinöörit ahertavat saadakseen saman toimimaan huokeammalla.


Mistä vety otetaan?


Jotta vedyllä voisi tuottaa energiaa polttokennossa, vety on ensin valmistettava. Sitä tehtiin jo 1800-luvulla puhaltamalla vesihöyryä kuumana hehkuvan koksin päälle, jolloin vesimolekyylit hajosivat ja syntyi vetyä ja häkää. Kun häkä poltetaan, syntyy hiilidioksidia.


Samaan tapaan vetyä saadaan maakaasusta, joka on metaania. Tässäkin tapauksessa jäljelle jää häkää, jonka polttaminen tuottaa hiilidioksidia.


Vetyä voidaan valmistaa myös biomassasta, joka kuumennetaan niin että jäljelle jää lopulta hehkuvaa hiiltä.


Siihen johdettu vesihöyry tuottaa vetyä samalla tavalla kuin vanhassa koksimenetelmässä.
Hiilidioksidipäästöistä ei siis päästä eroon. Vain niiden paikka muuttuu, sillä vetyauton hiilidioksidipäästöt eivät tule auton pakoputkesta vaan sieltä, missä vety valmistetaan.


Kolmas mahdollisuus on hajottaa vettä vedyksi ja hapeksi sähköenergian avulla. Päästöjen kannalta ratkaisevaa on, miten tämä sähkö on tuotettu. Jos kivihiilivoimalla tuotettua sähköä käytetään vedyn valmistukseen ja vedyllä tuotetaan sitten sähköä polttokennossa, hiilidioksidipäästöt ovat suuremmat kuin jos sähkö olisi tuotettu kivihiilellä ilman vetyä välivaiheena. Vedyn valmistus sähköllä on päästötöntä vain silloin, kun sähkö on tuotettu uusiutuvilla energialähteillä, kuten aurinkoenergialla.


Varastoinnissa pulmansa


Vetytekniikan houkuttelevuutta kuluttajien silmissä himmentää korkean hinnan lisäksi se, että monille tulee vedystä mieleen räjähdys. Moni on lukenut Hindenburg-ilmalaivan tuhosta ja ainakin kuullut käsiin räjähdelleistä vetyvappupalloista.


Nykyisissä vetysäiliöissä turvallisuus on ratkaistu varastoimalla vety metallihydridijauheeseen. Vetymolekyylit sitoutuvat metallihydridin kidehilaan vähän samaan tapaan kuin vesi imeytyy pesusieneen. Metallihydridin vangitsema vety ei räjähdä.


Metallihydridi pystyy varastoimaan vetyä vain muutaman prosentin verran omasta painostaan. Vaikka yksi kilo vetyä vastaa energialtaan noin neljää litraa bensiiniä, satojen kilometrien ajo yhdellä tankkauksella vaatii tuhat kiloa metallihydridiä eli henkilöauton paino kaksinkertaistuu.


Painossa säästetään paljonkin, jos vetyä joskus tulevaisuudessa pystytään varastoimaan hiilestä valmistettuihin nanoputkiin, mutta nämä tutkimukset ovat vasta alullaan.


Vedyn säilyttäminen nesteenä tai suuripaineisena kaasuna lienee liian suuri riski liikenteessä.


Tulevaisuudessa odottaa myös suuri logistinen haaste: tarvitaan vetyputkia, vetyautojen tankkausasemia ja muita vetytekniikan ylläpitojärjestelmiä. Ne kaikki on suunniteltava ja rakennettava.

Sisältö jatkuu mainoksen alla