Kestävyys
Vetyä ja makeaa vettä merivedestä? Aurinkoratkaisu nousee esiin
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Makean veden ja vedyn tarve
Makeasta vedestä on pulaa monilla kasvavan väestön alueilla. Pula voi myös kärjistää valtioiden välisiä jännitteitä, kuten osoittaa Niilin vesivarojen käyttöä koskeva kiista Egyptin ja Etiopian välillä.
Suolanpoisto yleistyy, mutta se kuluttaa paljon energiaa. Aurinkopaneelien lisääminen ei yksin tee veden tuotannosta edullista.
Myös varastoitavaa uusiutuvaa energiaa tarvitaan raskaan kaluston ja teollisuuden polttoaineeksi. Vety voisi olla yksi vaihtoehto, mutta korkeat kustannukset ovat toistaiseksi rajoittaneet sen laajamittaista käyttöä.
Aurinkoenergia voi auttaa tässäkin, mutta vedyn valmistaminen elektrolyysillä on edelleen kallista.
Uusi aurinkoenergiaa hyödyntävä elektrolyysitekniikka pyrkii ratkaisemaan molemmat ongelmat samalla kertaa. Se käyttää lähtöaineena merivettä ja tuottaa vedyn lisäksi makeaa vettä.
Johns Hopkinsin yliopiston, Michigan State Universityn, Cornellin yliopiston, Lehigh Universityn ja MIT:n tutkijat esittelivät menetelmän Energy & Environmental Science -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa ”Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater”.
Meriveden hyödyntäminen
Meret peittävät noin 70 prosenttia maapallon pinta-alasta. Merivettä on myös monien ihmisten ulottuvilla: yli 40 prosenttia maailman väestöstä asuu enintään 100 kilometrin ja yli puolet enintään 200 kilometrin päässä rannikosta.
Lähde: StatsMapsNPix
”Siksi ryhdyimme kehittämään tätä tekniikkaa. Mietimme, mitkä luonnonvarat ovat kaikkein runsaimpia. Auringonvaloa ja merivettä on käytännössä hyvin paljon, eikä niistä tarvitse maksaa raaka-aineena.”
Merivesi on kuitenkin suolaista, eikä se sovellu sellaisenaan juotavaksi tai viljelykasvien kasteluun. Kuivilla alueilla etsitään siksi muita makean veden lähteitä, kuten veden talteenotto ilmasta tai jäteveden tehokkaampi käsittely. Suolanpoisto on kuitenkin todennäköisesti ainoa kestävä ratkaisu, jolla monille maille voidaan tuottaa vettä suuressa mittakaavassa. Monissa näistä maista aurinkoa riittää, joten suolanpoistoon voidaan käyttää aurinkoenergiaa esimerkiksi ionikalvojen avulla tai haihduttamalla vettä suoraan. Laitteistojen suuret kiinteät kustannukset nostavat kuitenkin tuotetun veden hintaa.
”Vesi ja energia ovat molemmat arjessa välttämättömiä. Tavallisesti energian tuotannon lisääminen kasvattaa myös veden kulutusta.
Samaan aikaan tarvitsemme juomavettä, sillä kaksi kolmasosaa maailman väestöstä kärsii veden niukkuudesta.”
Merivettä ei myöskään voi käyttää sellaisenaan tavanomaisessa vedyn elektrolyysissä, joka edellyttää hyvin puhdasta vettä.
Auringonvalon parempi hyödyntäminen
Suolanpoiston kustannuksia kasvattavat muun muassa suuret aurinkoenergiaa keräävät laitteistot, vaikka tuotetun veden pitäisi pysyä edullisena.
Tutkijat halusivat, että sama aurinkolaitteisto tuottaisi makean veden lisäksi arvokkaampaa tuotetta, vetyä.
Aurinkopaneelit voivat hyödyntää vain osan auringon säteilystä. Kaikki aallonpituudet eivät muutu piissä sähköksi, eikä sadan prosentin hyötysuhde ole mahdollinen.
Hyödyntämättä jäävä säteily lämmittää laitteistoa. Kuumuus voi heikentää aurinkopaneelien hyötysuhdetta entisestään; monet paneelit toimivat parhaiten suhteellisen viileinä.
Kaikki samalla laitteella
Tutkijat tarkastelivat, voisiko yksi laite tuottaa auringonvalosta ja merivedestä yhtä aikaa sähköä, vetyä ja makeaa vettä. Tavoitteena oli hyödyntää yhden prosessin hukkalämpö tai muu sivuvaikutus toisessa prosessissa.
Suunnitellussa laitteessa prosessit tukevat toisiaan seuraavasti:
- Vety ja makea vesi tuotetaan samassa laitteessa, jolloin osia ja kustannuksia voidaan jakaa ja suurempi osa auringon säteilystä hyödyntää.
- Lähtöaineena on merivesi, joten vedyn tuotanto ei vaadi erillistä makean veden lähdettä.
- Erittäin puhtaan veden valmistus sitoo lämpöä. Tämä viilentää aurinkopaneeleja ja voi lisätä niiden sähköntuotantoa.
- Merivesi ei kosketa vedyn tuotannon elektrokatalyyttiä, mikä vähentää korroosiota ja ei-toivottuja kemiallisia reaktioita.
- Tuotettu sähkö käytetään suoraan samassa laitteessa vedyn valmistukseen, jolloin erillistä akkuvarastoa tai sähköverkon vahvistamista tarvitaan vähemmän.
Tekninen toteutus
Ajatus on yksinkertainen, mutta kaikkien prosessien tehokas yhdistäminen samaan laitteeseen on vaikea tekninen tehtävä.
Haihduttimen ja protoninvaihtokalvoa käyttävän elektrolyyserin (PEM) välissä on ilmarako. Sen ansiosta merivesi ei pääse suoraan kosketuksiin elektrokatalyyttien kanssa.
Tutkijat lisäsivät rakenteeseen myös muita toimintaa parantavia osia:
- Kapillaarinen sydänlanka pitää ohuen vesikalvon aurinkopaneelia vasten, jotta haihtuminen voi jäähdyttää paneelia.
- Lämpö kasvattaa höyrynpainetta, mikä voi lisätä tislatun veden tuotantoa ja tukea vedyn valmistusta.
- Höyryn tiivistyessä vapautuva lämpö voidaan hyödyntää vedyn tuotannon tehokkuuden parantamiseen.
- Merivesi virtaa yhteen suuntaan, jotta suolaa ei kerry suolanpoistojärjestelmään.
Prosessin jälkeen jäljelle jää hieman aiempaa suolaisempaa merivettä. Tislattu vesi, jota ei käytetä vedyn valmistukseen, voidaan laadun varmistamisen jälkeen hyödyntää makeana vetenä.
”Suunnittelu oli haastavaa, sillä suolanpoisto, elektrolyysi ja aurinkopaneeli vaikuttavat toisiinsa monimutkaisesti. Järjestelmässä aurinkoenergia sekä sähköinen, kemiallinen ja lämpöenergia muuttuvat ja siirtyvät jatkuvasti.”
Prototyypin testaaminen
Kun tutkijat testasivat aurinkotislauksen ja vesielektrolyysin yhdistävää HSD-WE-laitettaan, 10 × 10 senttimetrin kenno tuotti luonnollisessa auringonvalossa noin 200 millilitraa vetyä tunnissa merivedestä. Auringonvalon muuntuminen vedyksi saavutti 12,6 prosentin hyötysuhteen.
Lähde: Cornell University
Koe tehtiin ulkona aidolla merivedellä ja vaihtelevassa säässä. Pilvisyys vähensi vedyn tuotantoa osan päivästä.
Arvioidut kustannukset
Tutkijat mallinsivat laitteen vedyn tuotantoa eri paikoissa. Heidän laskelmassaan vedyn hinnaksi tuli noin 5 dollaria kilogrammalta kolmen käyttövuoden jälkeen ja noin 1 dollari kilogrammalta 15 vuoden käyttöiällä. Nämä ovat arvioita, eivät kaupallisen laitoksen mitattuja kustannuksia. Vertailuksi tutkijat ilmoittivat vihreän vedyn tuolloiseksi keskimääräiseksi hinnaksi noin 10 dollaria kilogrammalta.
Tavanomaisen vihreän vedyn kustannuksia rajoittavat sähkön hinta ja laitteistoon sitoutuva pääoma.
HSD-WE-laite käyttää auringonvaloa suoraan, ja monet sen osista toimivat ilman aktiivista ohjausta. Mallin mukaan tämä voi vähentää sähköliitäntöjen, veden kuljetuksen ja varastoinnin kaltaisia lisäkustannuksia. Suuren mittakaavan toteutus on vielä osoitettava.
”Haluamme välttää hiilidioksidipäästöjä ja saastumista. Samalla kustannukset ovat meille tärkeitä: mitä pienemmät ne ovat, sitä paremmat mahdollisuudet tekniikalla on yleistyä. Uskomme, että tulevilla asennuksilla on suuri potentiaali.”
Yritysesittely: Xylem ja veden saatavuus
XYL Hintakaavio
Eurooppalaisen Veolian ohella Xylem kuuluu suuriin vedenpuhdistuksen, jätevedenkäsittelyn ja suolanpoiston yrityksiin. Artikkelissa käytettyjen yhtiötietojen mukaan sillä oli yli 23 000 työntekijää, joista yli 6 000 insinöörejä. Se toimi 150 maassa ja palveli yli 35 000 teollisuusasiakasta.
Yhtiön tärkeimmät markkinat ovat kunnallinen juomavesi ja jätevesi. Se tarjoaa ratkaisuja myös esimerkiksi terveydenhuoltoon, energiantuotantoon, elintarvikealalle sekä mikroelektroniikkaan.
Lähde: Xylem
Xylem toimittaa veden puhdistukseen ja tuotantoon laitteita, kuten otsonigeneraattoreita, UV-lamppuja, suolanpoistokalvoja ja erittäin puhtaan veden järjestelmiä. Sen valikoimaan kuuluu myös pumppuja, putkistoja ja ohjelmistoja sekä asennus-, huolto- ja korjauspalveluja.
Lähde: Xylem
Vesiala on pirstoutunut. Xylem on yksi alan suurista yrityksistä, mutta sen osuus palvelemistaan markkinoista oli artikkelissa käytettyjen yhtiöarvioiden mukaan noin 10 prosenttia.
Yhtiö käyttää tutkimukseen ja kehitykseen noin neljä prosenttia liikevaihdostaan. Se voi hyötyä uusista PFAS-yhdisteitä (per- ja polyfluorattuja alkyyliyhdisteitä, niin sanottuja ”ikuisuuskemikaaleja”) koskevista määräyksistä, joiden vuoksi tuhannet vesilaitokset saattavat tarvita uusia käsittelyratkaisuja.
Pitkäaikaiset investoinnit vesi-infrastruktuuriin vaikuttavat yhtiön näkymiin. Xylemiin sijoittamista harkitsevan on silti arvioitava ajantasaiset luvut, arvostus ja riskit.
Uusimmat Xylem Inc.:n uutiset
Viitteet:
1. Xuanjie Wang, et al. (2025) “Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater”. Energy Environ. Sci., 2025, 18, 5264–5276. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E
