Vedyn varastointi – Onko ligniinipohjainen suihkumoottoripolttoaine vastaus?

Vedyn toimivuus

Pelkkä akkusähkö ei välttämättä korvaa fossiilisia polttoaineita kaikessa liikenteessä, erityisesti merenkulussa ja lentoliikenteessä. Myös hyvin kuumaa lämpöä vaativissa teollisuusprosesseissa tarvitaan muita ratkaisuja. Akut ovat kehittyneet, mutta suuren energiamäärän varastointi voi silti vaatia painavia tai kookkaita akkuja.

Pitkään harkittu vaihtoehto on ollut vety. Koska vihreää vetyä voidaan tuottaa uusiutuvasta energiasta, se olisi hyvä tapa muuntaa vihreä energia tiheäksi nestepolttoaineeksi.

Kuitenkin vihreä vety on jäänyt jälkeen muista vihreistä ratkaisuista kahdesta syystä: vedyn tuotanto on kallista ja sen varastointi on vaikeaa.

Tuotanto-ongelmaa käsitellään monesta näkökulmasta poiketen tavallisesta vesielektrolyysistä, esimerkiksi keinotekoinen fotosynteesi, mikroaaltauksella & ceriumoksidilla, tai nikkelipohjaisella elektrolyysillä, käyttäen metallisirppua.

Varastointi on vaikeaa, sillä vetykaasu on syttyvää ja sen pienet molekyylit voivat vuotaa joidenkin tiivisteiden ja materiaalien läpi. Tästä syystä on merkittävää, että tutkijat ovat saattaneet tehdä läpimurron tässä aiheessa.

Washington State Universityssa, Pacific Northwest National Laboratoryssa, University of New Havenissa ja Natural Resources Canadassa työskentelevät tutkijat ovat julkaisseet tuloksensa International Journal of Hydrogen Energy -lehdessä otsikolla “In-situ dehydrogenation of lignin-based jet fuel: A novel and sustainable liquid organic hydrogen carrier”¹.

Vedyn varastointi ja kuljetus

Vetykaasu koostuu pienistä H₂-molekyyleistä, joissa on kaksi vetyatomia. Energiankantajana sen varastointia ja kuljetusta vaikeuttavat esimerkiksi seuraavat ominaisuudet:

• Alhainen tiheys.
• Haihtuva ja syttyvä.
• Voi vuotaa joidenkin tiivisteiden ja materiaalien läpi.

Näiden ominaisuuksien vuoksi vedyn varastointi ja kuljetus voivat olla teknisesti hankalia ja kalliita.

Vedyn mahdollisuus haurastuttaa terästä ei myöskään auta, sillä se edellyttää erikoistunutta vedyn putkistoa pitkän matkan kuljetukseen, toisin kuin edullisempi maakaasun käyttämä putkiverkko.

Yksi tapa kiertää näitä ongelmia on muuttaa vety ammoniakiksi, nestepolttoaineeksi, jota on paljon helpompi käsitellä. Muuntaminen ja myöhempi vedyn erottaminen kuitenkin kuluttavat energiaa. Myös ammoniakin käyttö edellyttäisi omaa infrastruktuuriaan.

Ligniinipohjainen polttoaine

Tutkijoiden ehdottama uusi vaihtoehto on käyttää kokeellista polttoainetta, joka perustuu ligniiniin, kasveissa esiintyvään orgaaniseen polymeeriin. Polttoaine kehitettiin Pr Bin Yangin laboratoriossa ja analysoitiin ydinmagneettisella resonanssilla (NMR) Pacific Northwest National Laboratoryssa.

Lähde: Washington State University

Tämä oli aiemmin kehitetty ja todistettu, että maatalouden kasvisjätteestä voidaan valmistaa kestävää lentopolttoainetta. Tämä polttoaineseos oli myös energiatehokkaampi kuin fossiilisiin polttoaineisiin perustuvat tuotteet, ja se vähensi saastumista korvaamalla aromaatteja (hiilen kiertokulkuja, jotka tavallisesti lisätään lentopolttoaineeseen).

Lähde: International Journal of Hydrogen Energy

Ligniinipolttoaine, joka kantaa vetyä

Uusi laboratoriotutkimus viittaa siihen, että ligniinipohjainen lentopolttoaine voisi toimia nestemäisenä orgaanisena vedynkantajana. Käytännön mittakaavan toimivuutta ja energiatehokkuutta ei vielä osoitettu.

Se toimii siten, että ligniinisuihku (LJF) vapauttaa siinä olevat vetyatomit (mono-, di- ja trisykloksyylialkaanit) altistuessaan platina-nanohiukkasille kiteisessä alumiinisilikatissa.

Tutkijat kutsuivat tätä prosessia Ligniinisuihku-pohjaiseksi nestemäiseksi orgaaniseksi vedyn kantajaksi (LJF-HyC).

NMR- ja kaasukromatografiamittauksissa vedyn irrotuksen jälkeen muodostuneiden yhdisteiden osuus oli noin 18,5 painoprosenttia alkuperäisestä polttoaineesta. Luku ei tarkoita, että polttoaineesta 18,5 prosenttia olisi talteen otettavaa vetyä.

“Tämä uusi, ligniinisuihku-pohjainen teknologia voisi mahdollistaa tehokkaan, korkean tiheyden vedyn varastoinnin helposti käsiteltävässä kestävässä lentopolttoaineessa, poistaen tarpeen paineistettuihin säiliöihin varastoinnissa ja kuljetuksessa.”

Pr. Bin Yang – Professor at Washington State University

Nykyisen infrastruktuurin hyödyntäminen

Mielenkiintoista tässä prosessissa on, että suihkumoottoripolttoaineen ja muiden vastaavien nestepolttoaineiden kuljettamiseen on jo olemassa valtava infrastruktuuri. Näin ollen puhtaan vedyn varastoinnin ja kuljetuksen sijaan LJF:ää voitaisiin käyttää vedyn kuljettamiseen pisteestä A pisteeseen B.

Sitä voitaisiin myös helposti käyttää vedyn varastointiin, sillä suihkumoottoripolttoaineen varastointi on yleisesti käytettyä ja taloudellista.

“Tämä innovaatio tarjoaa lupaavia mahdollisuuksia yhteensopivuuteen nykyisen infrastruktuurin kanssa ja taloudelliseen kannattavuuteen skaalautuvassa tuotannossa.

Se voisi auttaa luomaan synergistisen järjestelmän, joka parantaa sekä kestävän lentopolttoaineen että vetyteknologioiden tehokkuutta, turvallisuutta ja ekologisia hyötyjä.

Pr. Bin Yang – Professor at Washington State University

Tutkijoiden seuraava tavoite on suunnitella tekoälyyn perustuva katalyytti, joka tehostaa ja täydentää vetytysreaktioita, tehden niistä tehokkaampia ja kustannustehokkaampia.

Vetyyritys

Plug Power (PLUG ) on vihreän vedyn johtaja, keskittyen polttokennoihin. Huomattavaa on, että sen polttokennot virittävät yli 40 000 trukkia, ja liikevaihto on kasvanut kahdeksankertaiseksi vuodesta 2013. Se on myös aktiivinen vedyn infrastruktuurin rakentamisessa, kuten vedyn tuotannossa, logistiikassa, hyötysuurten energiantuotannossa ja toimituksissa.

Lähde: Plug Power

Yritys pyrkii skaalaamaan toimintaansa vähentääkseen tuotantokustannuksia 10 $/kg:sta 4 $/kg:iin, samalla kun tuotantoa kasvatetaan 14‑kertaiseksi vuoteen 2027 mennessä.

Lähde: Plug Power

Massiivisten investointien ansiosta tuotantokapasiteettia on kasvatettu 19‑kertaiseksi vuodesta 2020, mutta yritys ei ole vielä kannattava. Tämä on johtanut lähes kaksinkertaistuneeseen liikevaihtoon vuoden 2023 alusta loppuun. Suurin osa nykyisestä ja ennustetusta liiketoiminnasta odotetaan tulevan Pohjois‑Amerikasta.

Yritys näkee ratkaisunsa joko suoran liikkuvuuspolttoaineen tai lisänä sähköautoille, sillä vety mahdollistaa kuormituksen vähentämisen sähköverkon huippulatauksissa, jotka eivät vastaa uusiutuvan energian tuotantoa päivän aikana.

Lähde: Plug Power

Suureksi polttokennojen valmistajaksi Plug Power hyötyisi merkittävästi siirtymisestä vetyperusteiseen talouteen. Halvan ja turvallisen vedyn kantajan ilmestyminen parantaisi radikaalisti vedyn polttoaineena käytön taloudellisuutta.

Tämä tekee Plug Powerista hyvän osakkeen panostaa yleiseen siirtymiseen vetyyn, sillä sen polttokennojen kysyntä kasvaa jokaisen kerran, kun keksitään edullisempi tapa tuottaa, varastoida tai kuljettaa vetyä.

Tutkimusviite:

^{1. Andrew S. Lipton et al. (2025) In-situ dehydrogenation of lignin-based jet fuel: A novel and sustainable liquid organic hydrogen carrier. International Journal of Hydrogen Energy Volume 98, 13 tammikuu 2025, Pages 1275-1282}