Projektisuunnittelija Oona Lintunen
Vastaan Canemure-hankkeen loppuunviemiseen liittyvistä asioista ja Hiilineutraali Pirkanmaa 2030 -tiekartan päivittämisestä.
Ilmastokevät: Tarvitseeko vedyn tuotanto niin paljon vettä, että järvet tyhjenevät? - Vedyn tuotantopotentiaali numeroina
Pirkanmaa on tavoitellut maakunnallista hiilineutraaliutta jo vuodesta 2019 sitoutumalla vähentämään 80 prosenttia päästöjä vuosien 2007 ja 2030 välillä. Kansallisesti Suomi tavoittelee hiilineutraaliutta vuoteen 2035 mennessä. Petteri Orpon hallitusohjelmassa pyritään nostamaan Suomi puhtaan energian, vedyn ja ilmastokädenjäljen edelläkävijäksi.
Puhdas energia on erottamaton osa niin ilmastopolitiikkaa kuin vastuullista teollisuuttakin ja ehdoton edellytys maakunnallisen päästövähennyksen onnistumiseksi. Pirkanmaalla on jo tehty isoja energiainvestointeja, kuten Naistenlahti 3 –voimalaitoksen siirtyminen pois turpeesta. Pirkanmaan energiastrategian (2023) vision mukaisesti vuonna 2030 Pirkanmaalla on fossiiliton, energiatehokas ja luotettava energiajärjestelmä, joka on ympäristöystävällinen ja oikeudenmukainen.
Mikä vihreän vedyn rooli sitten on Pirkanmaan energiamurroksessa ja päästövähennyksissä? Yksi käyttökohde olisi raskaan liikenteen polttoaineena, mikä vähentäisi kauttakulkuliikenteen päästöjä. Nämä päästöt eivät kuulu maakunnallisen hiilineutraaliustavoitteen piiriin, mutta vähentävät päästöjä kansallisesti. Vedyn tuotanto vaatii kuitenkin huomattavasti sekä energiaa että vettä. Vuonna 2019 Pirkanmaa tuotti vain 19 prosenttia maakunnassa kulutetusta sähköstä, joten Pirkanmaa on tukeutunut vahvasti muualla tuotettuun sähköön. Lämmöntuotannon suhteen Pirkanmaa on omavaraisempi ja vedyntuotanto voisi tukea puhtaampaa lämmöntuotantoa osaltaan.
Tässä blogissa pureudutaan seuraavaksi esimerkinomaisesti vedyn tuotantopotentiaaliin Pirkanmaalla.
Onko mahdollista laskea, kuinka paljon vihreää vetyä Pirkanmaalla voitaisiin tuottaa?
Pirkanmaalla voidaan tuottaa vuonna 2030 noin 7000 gigawattituntia (GWh) sähköä tuulivoimalla, jos kaikki maakunnassa tällä hetkellä suunnitteilla olevat tuulivoimahankkeet toteutuvat. Vuonna 2019 Pirkanmaan kokonaissähkönkäyttö oli noin 6000 GWh, joten jos sähkönkulutus ei kasvaisi nykyisestä tiettävästä sähkönkulutuksesta, Pirkanmaalla voisi olla seitsemän vuoden päästä noin 1000 GWh ylimääräistä sähköä, jonka voisi käyttää esimerkiksi vedyntuotantoon. Näin ei välttämättä käy, koska sähkönkulutuksen on arvioitu kasvavan Suomessa yli 20 prosenttia vuoteen 2035 mennessä. Pirkanmaalla tämä tarkoittaisi sähkönkulutuksen kasvamista noin 7200 GWh:iin jolloin vedyn tuottamiseksi pitäisi turvautua kokonaan ostosähköön.
Tässä blogissa arvioidaan vedyn suuntaa antava tuotantopotentiaali Pirkanmaalla ja siihen liittyvät vesi- ja happimäärät olettaen, että vihreän vedyn tuotantoon käytettäisiin vuonna 2030 maakunnan nykyisen sähkön kokonaiskulutuksen ylittävä (mahdollinen) 1000 gigawattituntia tuulivoimaa. Jos Pirkanmaalta löytyy hyviä paikkoja vetylaitoksille ja verkko kestää kasvavan sähkönsiirron, vetyä voidaan tuottaa ostosähkön avulla paljon enemmänkin, sillä vedyn vihreyden määrittelevä EU-lainsäädäntö ei toistaiseksi estä Suomessa sähkönsiirtämistä vetylaitoksille yli maakuntarajojen. Tämä johtuu siitä, että Suomi on yhtä sähkön tarjousaluetta, eli Suomessa on kaikkialla sama sähkönhinta. Esimerkiksi Ren-Gas:n Tarastenjärvelle kaavailema Power-to-Gas-tuotantolaitos, jossa tullaan tuottamaan muun muassa vihreää vetyä vuodesta 2026 alkaen, tulee käyttämään vuotuisesti 1300 GWh Pirkanmaan ulkopuolella uusiutuvasti tuotettua sähköä.
Tässä tekstissä keskitytään ostosähkön mahdollistamien mahdollisuuksien sijaan kuitenkin tarkastelemaan, mitä Pirkanmaan tulevalla omalla puhtaalla energialla, joka on maakunnan nykykulutuksen valossa ylimääräistä, voisi tehdä. Tekstiä lukiessa onkin hyvä muistaa, että kaikki arviot vedyn tuotannosta Pirkanmaalla perustuvat raskaasti tietyille oletuksille vetyyn käytettävän sähkön hankinnasta sekä vedyn tuotantoon valittavasta teknologiasta. Kehitys ei välttämättä etene juuri näin.
Yhden vetykilon tuotanto vaatii noin 50 kWh sähköä, kun se tuotetaan nykyisenlaisilla alkali- ja PEM elektrolyysereillä, jotka ovat teknologisesti kypsimmät teknologiat tuottaa vihreää vetyä. 1000 GWh:lla saisi tasaisesti sähköä saavalla suuren kapasiteetin elektrolyyserillä tehtyä noin 20 miljoonaa kiloa tai 666 GWh vetyä vuodessa ottaen huomioon, että nykyisten elektrolyyserien energiahäviöt ovat noin 33 prosenttia.
Elektrolyyserit eivät kuitenkaan pysty tuottamaan vetyä kellon ympäri täydellä tehollaan johtuen uusiutuvan energian vaihtelevasta saatavuudesta, jollei niihin ole kytketty akkuja tasaamaan sähkönsaantia. Tuulivoimalaitosten kanssa tehdyissä sopimuksissa on muitakin asioita, jotka vaikuttavat elektrolyyserien tuottavuuteen. Elektrolyyserien vuoden tuotanto (ilman akkuja) on yleensä sama määrä vetyä kuin mitä niillä voisi tuottaa, jos ne toimisivat täydellä kapasiteetillaan 2000–7500 tuntia. Huipunkäyttöaikaa rajoittavat muun muassa elektrolyyserin sähköteho ja vaihtelevat sääolosuhteet, joiden varassa elektrolyyserien käyttämä sähköntuotanto on. Siksi ei oikeastaan voida laskea vihreän vedyn tuotantopotentiaalia pelkällä oletuksella, että vetyyn voitaisiin käyttää vuodesta 2030 eteenpäin juuri 1000 GWh sähköä. Muistakin muuttujista kuin sähkön määrästä pitäisi olla tietoa, jotta laskelma olisi realistinen.
EU-lainsäädännössä asetetaan monia ajallisia ja paikallisia ehtoja sille, millä tavalla tuotettu vety luokitellaan vihreäksi ja yksi edellytys sille on, että vetylaitokselle uusiutuvasti tuotetun sähkön valmistava laitos on aloittanut tuotantonsa enintään 36 kuukautta ennen vedyntuotantolaitosta. Ehto on voimassa vuodesta 2028 lähtien. Jos Pirkanmaalla valmisteilla olevat tuulipuistot valmistuvat aikataulussa, niistä viimeinen aloittaa tuotantonsa vuonna 2029, joten Pirkanmaalla olevalta tuulipuistolta sähkön ostavan vetylaitoksen tulisi aloittaa toimintansa viimeistään vuonna 2032 voidakseen tuottaa vihreäksi luokiteltavaa vetyä.
Kun tiedetään, että EU-lainsäädännön ehdot täyttävää sähköä on saatavilla, tuotantopotentiaalin laskemiseksi tärkeintä on tietää, kuinka tehokkaalla (ja kuinka monella) elektrolyyserillä vetyä olisi Pirkanmaalla tarkoitus tuottaa. Jos elektrolyyserin sähköteho on yhtä suuri kuin tuulivoiman nimellisteho, elektrolyyseri pystyy hyödyntämään kaikki tuulivoiman tuotantopiikit, mutta koska tuulivoimalat pystyvät keskimäärin tuottamaan vain 40 prosenttia koko vuotuisesta kapasiteetistaan tuulettomien jaksojen takia, toimisi tällainen elektrolyyseri täydellä tehollaan vain 40 prosenttia ajasta, mikä vähentäisi kalliin investoinnin houkuttelevuutta.
Pienemmän kapasiteetin elektrolyyserit voisivat toimia suuremman osan ajasta täydellä tehollaan mikä lisää niihin investoimisen kannattavuutta, mutta ne eivät voi hyödyntää kaikkea sähköä, mitä tuulivoimalla tuotettaisiin, jolloin tuotettavan vedyn määrä pienenisi. Jos tuuliolosuhteet ovat tasaiset, voi olla järkevintä käyttää pieniä elektrolyysereitä, mutta mitä vaihtelevampaa tuulisuus on, sitä todennäköisemmin isompi elektrolyyseri voisi olla (taloudellisten mahdollisuuksien salliessa) järkevämpi vaihtoehto.
Uusiutuvan sähköntuotannon vaihtelua voidaan myös tasoittaa akkujen avulla, jolloin elektrolyysereiden käyttöastetta voidaan nostaa varastoimalla tuulivoiman tuotannon tehopiikit akkuihin ja syöttämällä sähkö elektrolyysereille aikoina, jolloin tuulivoiman tuotannon teho on alle elektrolyysereiden maksimitehon tai toisin sanoen aikoina, jolloin ei tuule sopivasti. Tämä pidentäisi myös elektrolyyserien elinkaarta. Akkuja harkittaessa on oleellista laskea, olisiko niiden avulla tuotettavan lisävedyn arvo akkujen vaatiman investoinnin suhteen riittävä. Tässä tuleekin esille, kuinka monia asioita pitäisi olla tiedossa, jotta voitaisiin luotettavasti arvioida, millainen vedyn tuotantomäärä olisi niin teknisesti mahdollinen kuin taloudellisesti järkevä.
Suomen ensimmäisen vihreän vetylaitoksen tavoite on aloittaa toimintansa ensi vuonna Harjavallassa. P2X Solutionsin vetylaitoksessa on 20 megawatin elektrolyyserilaitteisto, mikä on samaa kokoluokkaa kuin monet muut toistaiseksi suurimmat käytössä olevat elektrolyyserit maailmalla. Jotta vedyn tuotannossa voitaisiin hyödyntää vuodessa 1000 GWh yhdellä vetylaitoksella, sen kapasiteetin pitäisi olla monta kertaa suurempi kuin 20 megawattia. Suurimmat julkaistut elektrolyyseriprojektit ovat yli sadan megawatin elektrolyysereitä, jotka edellyttävät valtavia investointeja.
Plug Powerin 2024 valmistuva 100 megawatin elektrolyyseri voi tuottaa 43 000 kiloa vetyä päivässä, eli noin 15,7 miljoonaa kiloa vuodessa, mutta näiden lukujen takana on oletus, että se toimisi täydellä tehollaan vuoden jokaisena päivänä, mikä ei uusiutuvaa energiaa käytettäessä ole mahdollista, jollei elektrolyyseriin ole kytketty sen tuotantoa tasaavaa kallista sähkövarastoa. Elektrolyyseriä pitää välillä myös huoltaa. Se, kuinka suureen käyttöasteeseen elektrolyyseri voi yltää vaikuttaa myös se, millainen sähkönhankintasopimus elektrolyyserin omistajalla on ja kuinka suuri nimellisteho tuulivoimantuottajalla on. Jos esimerkiksi 100 MW elektrolyyseri ostaa sähköä tuulipuistosta, jonka kokonaisteho on myös 100 MW, elektrolyyserin käyttöaste jää suurin piirtein 40 prosentiin johtuen tuulettomista kausista. Jos tuulipuiston teho taas on merkittävästi suurempi, nousee myös elektrolyyserin käyttöaste ja tuotetun vedyn määrä. Pirkanmaalla kehityksessä olevista tuulivoimahankkeista osa tulee olemaan kokonaisteholtaan yli 100 megawattia.
Lappeenrannan, Tampereen ja Itä-Suomen yliopistojen yhteisessä HYGCEL-tutkimusprojektissa arvioidaan, että elektrolyyserin optimaalinen vuotuinen käyttöaika on noin 4000 tuntia. 4000 tuntia vuodessa täydellä kapasiteetillaan toimivalla 100 MW elektrolyyserillä saisi tuotettua Pirkanmaalla noin 7,2 miljoonaa kiloa eli noin 239 GWh vetyä, jos se toimisi samoilla oletuksilla kuin Plug Powerin 100 MW:n PEM-elektrolyyseri. Jos tällainen elektrolyyseri toimisi taas 5000 tuntia täydellä tehollaan vuodessa se tuottaisi noin 8,96 miljoonaa kiloa tai 298 GWh vetyä. Elektrolyyserin tuotantoaikaa voi optimoida eri tavoin, kuten edellä mainituilla akuilla.
Riippuen siitä, miten vedyntuotanto saataisiin optimoitua Pirkanmaalla, maakunnan vedyntuotantopotentiaali omalla sähköntuotannolla olisi luultavasti jotakin kuuden ja kahdenkymmenen miljoonan kilon tai 200–666 gigawattitunnin välillä (0,2–0,67 TWh). Realistisimmat arviot, jos niitä uskaltaa esittää, ovat luultavasti tuotantopotentiaalin matalammassa päässä investointien suuruuden takia. Tämä arvio perustuu sellaiseen skenaarioon, jossa Pirkanmaalla tuotettu tuulivoima käytetään Pirkanmaan nykyisiin tarpeisiin ja nykykulutuksen perusteella yli jäävä osuus sähköä käytetään vedyntuotantoon. Arviota tehdessä ei ole tiedossa, kenelle Pirkanmaan tuulivoiman tuottajilla on tarkoitus oikeasti myydä tuottamansa sähkö. Voi siis myös olla, että paikallisesti tuotettua sähköä tullaan käyttämään Pirkanmaalla vedyn tuotantoon enemmän kuin tässä on spekuloitu tai sitten ei ollenkaan.
Pirkanmaan vihreän vedyntuotantopotentiaali ei toistaiseksi minkään skenaarion perusteella ole kovin suuri suhteutettuna koko Suomen vihreän vedyntuotantopotentiaaliin, minkä Vetyklusteri arvioi olevan 12–98 TWh vuodessa vuonna 2035 – jollei Pirkanmaalla aleta tuottaa vetyä paljon ostosähköllä. Tällä hetkellä Pirkanmaalle on suunnitteilla kaksi vedyntuotantolaitosta: Ren-Gas:n laitos Tarastenjärvellä ja Vireonin Lempäälään rakennettavan tankkausaseman yhteyteen tuleva Flexensin vihreän vedyntuotantolaitos. Yhteensä näissä vetylaitoksissa on (ainakin teoriassa) mahdollista tuottaa hankkeiden tietojen mukaan vuotuisesti noin 18,4 miljoonaa kiloa tai 599,8 GWh vetyä vuodessa.
Mitä vihreällä vedyllä voisi tehdä Pirkanmaalla?
Tehdään seuraavat päätelmät oletuksella, että Pirkanmaalla valmistettaisiin vuonna 2030 paikallisesti tuotetulla uusiutuvalla, nykykulutuksen näkökulmasta ylimääräisellä energialla 9 miljoonaa kiloa eli noin 300 GWh vetyä vuodessa.
Pirkanmaan näkökulmasta potentiaalisin käyttökohde vihreälle vedylle löytyy toistaiseksi liikenteestä. Henkilöautolla, jossa on vedylle sopiva polttokennomoottori, voi ajaa yhdellä kilolla eli 33,3 kWh:lla vetyä sata kilometriä. Sähköautolla sadan kilometrin ajaminen vaatii 13 kWh vähemmän energiaa, joka on yksi syistä, joiden takia henkilöautot on parempi sähköistää kuin muuttaa vetykäyttöisiksi. Raskaan liikenteen kaluston muuttaminen vetykäyttöiseksi taas on varteenotettava vaihtoehto, sillä raskasta liikennettä on vaikeampi sähköistää kuin henkilöautoja.
Rekat tarvitsevat enemmän polttoainetta kuin henkilöautot ja niiden vaatima polttoaineen määrä vaihtelee kuorman mukaisesti. Esimerkkinä Quantronin QHM FCEV 44-100 -mallinen rekka, jossa on vedyllä käyvä polttomoottori, kuluttaa kilon vetyä 12,93 kilometrin matkalla ja sillä voi yhdellä tankkauksella (116 kg vetyä) ajaa parhaimmillaan, eli oletettavasti ilman kuormaa, 1500 kilometriä. Pirkanmaalla tässä ajatusleikissä vuodessa tuotettavalla 9 miljoonalla kilolla vetyä tuollainen rekka kulkisi Helsingin ja Rovaniemen välisen ajomatkan 140 625 kertaa. Pirkanmaan läpi kulkee päivittäin paljon raskasta liikennettä ja maakuntaan onkin jo tulossa sekä vedyn että e-metaanin tuotantoa ja tankkausasemia, jotka on suunnattu raskaan liikenteen kalustolle.
Elektrolyysereillä happea kalojen kasvatukseen?
Elektrolyysissä ei muodostu pelkkää vetyä vaan myös happea. Sen loppukäyttäjiä on jokseenkin vaikeampi löytää, mutta mahdollisuuksia löytyy muun muassa teräs- ja kemianteollisuudesta sekä sairaaloista. Norjassa elektrolyysissä ylijäävää happea käytetään myös muun muassa kalankasvatuksessa!
Jos Pirkanmaalla tuotettaisiin vetyä, sen ohella tuotettaisiin väistämättä myös paljon happea, tarkemmin sanottuna 9 kiloa happea yhtä vetykiloa kohden. Jos vetyä siis tuotettaisiin 9 miljoonaa kiloa, happea tuotettaisiin vastaavasti 81 miljoonaa kiloa. Tälle hapelle olisi hyvä löytää käyttöä, jotta elektrolyysin hyötysuhde paranisi.
Tyhjenisikö Näsijärvi, jos sieltä otettaisiin kaikki elektrolyysiin tarvittava vesi Pirkanmaalla?
Yhden vetykilon tuottamiseen tarvitaan noin 9 litraa puhdistettua vettä. Veden pitää olla erittäin puhdasta, jotta sitä voidaan käyttää ja jotta sen epäpuhtaudet eivät lyhennä elektrolyysereiden elinkaarta. Usein vetylaitokset, kuten Ren-Gas:n tuleva Power-to-Gas-laitos Tarastenjärvellä, ostavat tarvitsemansa veden paikallisesta vesihuollosta ja puhdistavat sen itse vetylaitoksen yhteyteen rakennettavassa vedenpuhdistuslaitteistossa. Puhdistuksessa osa vedestä menee hukkaan, jonka lisäksi elektrolyysereitä saatetaan myös viilentää vedellä, joten todellinen vetylaitoksen tarvitsema vesimäärä on suurempi kuin tässä on laskettu. Elektrolyyseri tarvitsee 9 miljoonan vetykilon tuottamiseen noin 81 miljoonaa litraa puhdasta vettä.
Tarvittavan vesimäärän suhteuttamiseksi voidaan laskea, kuinka monta litraa vettä on Näsijärvessä. Näsijärven tilavuus on 3,49 kuutiokilometriä eli siinä on noin 3,49 biljoonaa tai 3490 miljardia litraa vettä. Vedyn yhdeksän miljoonan kilon vuosituotantoon tarvittava vesimäärä on reilusti alle prosentti Näsijärven vesimäärästä, mutta kyseessä on kuitenkin merkittävä määrä vettä. Osa vetylaitokselle otettavasta vedestä pyritään uusiokäyttämään laitoksella, kun taas osa vapautuu takaisin luontoon. Näin käy silloin, kun vety palaa hapen kanssa esimerkiksi vetyajoneuvon polttomoottorissa.
Vihreän vedyn tuotantopotentiaalin arvioiminen Pirkanmaalla vuonna 2030 paikallisesti tuotetusta, nykyhetken sähkönkulutukseen nähden ylimääräisestä sähköstä on erittäin haastavaa, ennen kuin joku tekee konkreettisia päätöksiä esimerkiksi siitä, millainen budjetti vedyntuotannolle asetetaan tiettynä ajankohtana ja millaisilla sopimuksilla vetylaitokset voivat ostaa sähköä paikallisilta tuulivoiman tuottajilta. Olemassa olevien tietojen perusteella erilaisista elektrolyysereistä ja mahdollisesta sähkön määrästä voidaan kuitenkin hahmotella joitakin suuntaa antavia lukemia, joilla voidaan osoittaa, onko vihreän vedyn tuotantopotentiaali paikallisesti tuotetulla sähköllä Pirkanmaalla erittäin pieni tai suuri.
Ennen kaikkea asian pyörittely osoittaa, kuinka monimutkaisesta kokonaisuudesta on kyse. Vetytalous ei ole yksinkertainen aihe ja se on monille vielä täysin vieras asia, joten sen visualisoiminen numeroiden avulla voi olla joillekin hyödyllistä, vaikka tässä esitetyt päätelmät sisältävätkin lukuisia olettamuksia ja yksinkertaistuksia, jotka eivät onnistu heijastamaan todellisuutta täydellisesti.
Vetytaloudesta on hyvä olla tietoinen, sillä se mahdollistaa tulevaisuudessa merkittävien päästövähennyksien tekemisen vaikeasti sähköistettävillä aloilla kuten raskaassa liikenteessä. Elektrolyysin aikana syntyvää hukkalämpöä voidaan myös hyödyntää esimerkiksi kaukolämmön päästöjen alentamisessa, kuten Ren-Gas:n Power-to-Gas-laitoksella tullaan tekemään yhteistyössä Tampereen Energian kanssa.
Lisätiedot:
Aikaisempia Ilmastokevät-sarjan tekstejä voit lukea blogisivultamme.