Voisiko keinotekoinen fotosynteesi avata vetytalouden?

Luonnollisen fotosynteesin korvaaminen

Suuri osa käyttämästämme energiasta on syntynyt suoraan tai välillisesti fotosynteesin kautta. Tämä koskee sekä ravintomme energiaa että fossiilisia polttoaineita, joihin on varastoitunut muinaisten kasvien, levien ja muiden eliöiden sitomaa energiaa.

Siksi luonnollista fotosynteesiä pyritään parantamaan ja hyödyntämään uusissa käyttökohteissa, kuten leväpohjaisten biopolttoaineiden tuotannossa. Näiden menetelmien laajentaminen voisi osaltaan auttaa hillitsemään ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvua.

Entä jos fotosynteesin osia voitaisiin jäljitellä ilman eläviä organismeja? Valon käynnistämiä kemiallisia reaktioita voidaan toteuttaa myös keinotekoisissa järjestelmissä. Tätä tutkitaan keinotekoisessa fotosynteesissä.

Aurinkokennot muuttavat valon sähköksi, jota voidaan käyttää kemiallisiin prosesseihin. Keinotekoisessa fotosynteesissä tavoitteena on sen sijaan hyödyntää valoa suoraan haluttujen kemiallisten reaktioiden käynnistämiseen.

Japan Advanced Institute of Science and Technologyn (JAIST) ja Tokion yliopiston kolme tutkijaa tarkastelivat alan kehitystä Chemical Communications -lehdessä julkaistussa katsauksessa “Biologian inspiroimat hydrogeelit: polymeerirakenteita kohti keinotekoista fotosynteesiä¹”. Kyseessä on katsaus aiempaan tutkimukseen, ei uusi teollisen mittakaavan tuotantokoe.

Miten fotosynteesi toimii?

Kasvien fotosynteesissä hiilidioksidista ja vedestä muodostuu valon energian avulla hiilihydraatteja ja happea.

Lähde: Britannica

Kokonaisreaktio voidaan esittää yksinkertaisella kemiallisella yhtälöllä. Se ei kuitenkaan tarkoita, että prosessin jäljitteleminen olisi helppoa.

Lähde: Britannica

Kasvien fotosynteesi on monimutkainen biokemiallinen järjestelmä. Siihen kuuluu lukuisia välivaiheita, osarakenteita ja tarkasti järjestynyttä elektronien siirtymistä, eikä kaikkia mekanismeja vielä ymmärretä täydellisesti.

Britannican yhteenveto fotosynteesistä havainnollistaa aiheen laajuutta. Tutkijat käyttävät myös yksityiskohtaisia kaavioita eri reaktiovaiheiden ymmärtämiseen:

Lähde: Lumen Learning

Luonnossa fotosynteesi tuottaa pääasiassa orgaanisia yhdisteitä. Keinotekoisissa valokatalyyttisissä järjestelmissä valon energiaa voidaan käyttää myös muihin reaktioihin, kuten vedyn tuottamiseen vedestä.

Bioinspiroituja hydrogeeleja vedyn tuotantoon

Luonnollisen fotosynteesin valoreaktioissa vedestä vapautuu happea, protoneja ja elektroneja. H⁺ tarkoittaa protonia, ei neutraalia vetyatomia. Katsauksessa käsitellään muun muassa hydrogeelejä, joilla voidaan järjestää vedyn valokatalyyttiseen tuotantoon tarvittavia komponentteja.

Lähde: Chemical Communications

Tällaisiin järjestelmiin voidaan sisällyttää esimerkiksi ruteniumkomplekseja valon herkistimiksi ja platinananohiukkasia katalyyteiksi. Polymeeriverkoston tehtävänä on järjestää komponentit niin, että elektronien siirtyminen helpottuu:

Reina Hagiwara korosti yliopiston tiedotteessa, että molekyylien järjestäminen hydrogeelin sisällä voi tehostaa energian muuntamista.

Reina Hagiwara — JAISTin tohtoriopiskelija

Lähde: Chemical Communications

Parannettu tehokkuus

Hydrogeelin mahdollinen etu on myös toiminnallisten komponenttien paakkuuntumisen estäminen. Paakkuuntuminen voi heikentää niiden toimintaa.

Kosuke Okeyoshin mukaan keskeinen haaste on järjestää molekyylit niin, että elektronit voivat siirtyä tehokkaasti. Polymeeriverkosto voi auttaa pitämään komponentit erillään.

Kosuke Okeyoshi — JAISTin apulaisprofessori

Katsauksessa tarkastellut menetelmät osoittavat mahdollisuuksia parantaa vedyn tuotantoa. Eri järjestelmien vertailussa on kuitenkin huomioitava koeolosuhteet, materiaalit ja käytetyt reaktiot.

Lähde: Chemical Communications

Valoa hyödyntävä geeli

Myös geelin optiset ominaisuudet vaikuttavat siihen, kuinka tehokkaasti valo pääsee osallistumaan reaktioon. Valoa ei kirjaimellisesti lukita geelin sisään.

Katsauksessa käsitellään muun muassa näkyvän valon aallonpituutta pienempiä mikrogeelejä ja valoon reagoivien komponenttien järjestämistä polymeeriverkostoon. Rakenteen suunnittelulla pyritään parantamaan valon ja reaktiokomponenttien vuorovaikutusta.

Lähde: Chemical Communications

Avaimet vetyvallankumoukseen?

Vetyä ja siitä valmistettua ammoniakkia on pitkään tarkasteltu mahdollisina vähäpäästöisen energiajärjestelmän polttoaineina ja energiankantajina.

Kemiallisena energiankantajana vety voi soveltua pitkäaikaiseen varastointiin ja joihinkin sovelluksiin, joissa akkujen käyttö on vaikeaa, kuten tiettyihin teollisuusprosesseihin ja meriliikenteeseen. Sopivuus riippuu kuitenkin kustannuksista, hyötysuhteesta ja infrastruktuurista.

Vedyn tuottaminen elektrolyysillä kuluttaa huomattavasti sähköä, ja osa energiasta menetetään prosessissa. Häviöiden suuruus riippuu tekniikasta ja olosuhteista; ei voida yleisesti sanoa, että suurin osa elektrolyysiin syötetystä energiasta menee hukkaan.

Aurinkosähköön perustuvassa vedyn tuotannossa ketju on esimerkiksi valo -> tasavirta -> elektrolyysi -> vety. Jokainen vaihe vaikuttaa hyötysuhteeseen, ja tarvittavat laitteet kuluttavat pääomaa & materiaaleja.

Jos sähkö siirretään sähköverkon kautta, mukaan voi tulla myös tasa- ja vaihtovirran muunnoksia sekä siirtohäviöitä. Suora kytkentä voi vähentää joitakin näistä vaiheista.

Suora valokatalyysi pyrkii lyhentämään ketjun muotoon valo -> vedyn tuotanto. Se sisältää silti useita kemiallisia ja elektroninsiirron välivaiheita, eikä sen kokonaishyötysuhde automaattisesti ylitä aurinkosähkön ja elektrolyysin yhdistelmää.

Seuraavat askeleet

Paremmat polymeerit

Katsaus kokoaa keinoja järjestää valokatalyyttisiä komponentteja polymeeriverkostoihin. Se tukee jatkotutkimusta, mutta ei osoita valmista, kaupallisesti kilpailukykyistä vedyn tuotantomenetelmää.

Kirjoittajat pohtivat kehittyneempiä verkostoja, joissa valon herkistimet voisivat olla monomeerejä, makromonomeerejä tai verkoston ristisilloittajia. Mahdollisina alustoina mainitaan myös luonnolliset supramolekyylirakenteet, kuten tubuliini ja mikrotubulukset. Näiden ratkaisujen käytännön toimivuus vaatii tutkimusta.

Enemmän kuin vety

Vedyn tuotanto ei ole ainoa kemiallinen reaktio, jota voidaan edistää valon avulla.

Esimerkiksi Osakan tutkijat ovat tutkineet fumaarihapon tuottamista bikarbonaatista ja biomassasta peräisin olevasta palorypälehaposta toisenlaisen keinotekoisen fotosynteesijärjestelmän avulla.

Vaihtoehtoja platinalle

Joissakin vedyn tuotantomenetelmissä käytetään platinaa tai muita platinaryhmän metalleja, kuten ruteniumia. Tämä on yksi platinan kysyntään liittyvä näkökulma hybridiautojen katalysaattorikäytön ohella, mutta kaikki vedyn tuotantotekniikat eivät tarvitse näitä metalleja.

Platinan korkea hinta kannustaa tutkimaan edullisempia vaihtoehtoja.

Esimerkkejä käsitellään artikkeleissa “Edistysaskeleita nikkelipohjaisessa vedyn elektrolyysissä” ja “Vedyn tuottaminen vettä hajottamalla metallilastuja hyödyntäen”.

Edullisempien katalyyttien yhdistäminen hydrogeeleihin ja valokatalyysiin voisi olla yksi tutkimussuunta. Se, voidaanko näin tuottaa vetyä halvalla ja riittävän tehokkaasti, on vielä osoitettava.

Sijoittaminen keinotekoiseen fotosynteesiin ja vetyyn

Keinotekoinen fotosynteesi on yhä kokeellinen tutkimusala. Vetytalouden mahdollisuudet kiinnostavat silti yrityksiä, jotka kehittävät erilaisia tuotanto- ja käyttöratkaisuja.

Platinaa voi hankkia fyysisenä metallina esimerkiksi sijoituskolikoina tai -harkkoina. Korujen hinta sisältää lisäksi valmistus- ja vähittäismyyntikustannuksia, joten ne eivät vastaa suoraan metallisijoitusta. Vedyn mahdollinen kysyntä on vain yksi platinan hintaan vaikuttava tekijä.

Fyysiseen platinaan voi saada sijoitusaltistusta myös tuotteilla kuten abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) ja GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

Vetyalaan liittyvien yritysten osakkeita voi hankkia eri välittäjien kautta. Sivustolla securities.io on välittäjäoppaita Yhdysvaltoihin, Kanadaan, Australiaan, Britanniaan ja moniin muihin maihin.

Yksittäisten yhtiöiden sijaan voi tutkia rahastoja. VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) sijoittaa harvinaisten maametallien ja strategisten mineraalien yrityksiin, eikä se ole suora platinasijoitus. Vetyalan rahastoja ovat esimerkiksi Global X Hydrogen ETF (HGEN) ja VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO). Niiden sijoituskohteet ja riskit eroavat toisistaan.

Vetyyritys

BLDP Hintakaavio

Ballard valmistaa polttokennoja ja on alan varhaisia toimijoita. Sen ensimmäinen polttokennobussi esiteltiin vuonna 1993.

Yhtiö keskittyy raskaaseen liikenteeseen ja muihin vaativiin sovelluksiin: busseihin, kuorma-autoihin, juniin, raitiovaunuihin, aluksiin, kaivos- ja rakennuskoneisiin sekä sähköntuotantoon. Sen aiemmissa suunnitelmissa kuorma-autoista odotettiin merkittävää liiketoimintaa vuoteen 2025 mennessä. Historiallisissa arvioissa Euroopan osuudeksi hahmoteltiin 50–60 % ja Pohjois-Amerikan 25 %; nämä olivat tavoitteita, eivät toteutuneita vuoden 2025 lukuja.

Yhtiön esittämässä markkina-arviossa kuorma-autojen polttokennomarkkinan ennakoitiin kasvavan 7,5 miljardiin dollariin vuonna 2030, kun laajemman mahdollisen kokonaismarkkinan arvoksi arvioitiin 195 miljardia dollaria. Nämä ovat eri rajauksia kuvaavia ennusteita, eivät Ballardin taattua liikevaihtoa.

Lähde: Ballard

Suuri energiantarve ja lyhyen tankkausajan tavoite tekevät joistakin raskaan liikenteen käyttökohteista kiinnostavia vedylle. Akuilla on kuitenkin myös näissä sovelluksissa kilpailukykyisiä käyttökohteita.

Polttokennoratkaisu voi mahdollistaa liikennöinnin sähköistämättömillä rataosuuksilla ilman ajojohtoja. Pitkän matkan kuljetuksissa sen hyöty riippuu muun muassa vedyn saatavuudesta ja tankkausverkosta; vetyajoneuvo tankataan, ei ladata kuten akkuajoneuvoa.

Lähde: Ballard

Ballard on mukana myös ammoniakkiin liittyvässä kehityksessä. Se teki vuonna 2022 sopimuksen Amogyn kanssa polttokennojen toimittamisesta järjestelmään, jossa ammoniakista vapautetaan vetyä sähkön tuottamista varten.

Raskaan liikenteen päästöjen vähentämiseen liittyy erilaisia haasteita kuin henkilöautoissa. Käyttötehtävä ratkaisee, sopiiko siihen parhaiten akku, polttokenno vai jokin muu ratkaisu.

Vetytaloutta tukeva politiikka voisi hyödyttää Ballardia, jos se johtaisi kilpailukykyisiin tuotteisiin ja tilauksiin. Tämä ei kuitenkaan takaa yhtiön kasvua tai kannattavuutta.

Edullisempi vedyn tuotanto voisi parantaa polttokennosovellusten kilpailukykyä riippumatta tuotantomenetelmästä. Vaikutus Ballardin liiketoimintaan riippuu silti myös infrastruktuurista, asiakkaiden kysynnästä ja kilpailusta.

Tutkimusviite:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspired hydrogels: polymeric designs towards artificial photosynthesis. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}