Energia
Toinen vetypolttoaine – Viisi parasta vihreää ammoniakkiosaketta
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Nestemäisille polttoaineille etsitään korvaajia
Tuuli- ja aurinkovoiman lisääntyessä niiden vaihteleva tuotanto kasvattaa energian varastoinnin ja joustojen tarvetta. Yksi ratkaisu ovat akut, joita käsittelimme artikkelissa ”Energian varastoinnin tulevaisuus – suuren mittakaavan akkuteknologiat”.
Joidenkin käyttökohteiden sähköistäminen on erityisen vaikeaa. Näitä ovat esimerkiksi pitkän matkan merikuljetukset ja lentorahti.
Maanteiden tavaraliikenteessä akkujen paino, latausinfrastruktuuri ja valmistuskapasiteetti aiheuttavat haasteita etenkin pitkillä matkoilla. Sähköistyminen oli silti jo alkanut vuonna 2023: ensimmäiset Tesla (TSLA ) Semi -kuorma-autot toimitettiin joulukuussa 2022.
Bensiini, diesel ja kerosiini sisältävät paljon kemiallista energiaa painoyksikköä kohti, enemmän kuin akut. Kokonaisvertailussa on huomioitava myös voimalinjan hyötysuhde.
Siksi öljytuotteita korvaava nestemäinen polttoaine kiinnostaa. Biopolttoaineet valmistetaan uusiutuvasta biomassasta, ja ne voivat muistuttaa fossiilisia polttoaineita, vaikka koostumus ja ympäristövaikutukset vaihtelevat. Käsittelimme aihetta artikkelissa ”Leväpohjaiset biopolttoaineet: seuraava energiavallankumous?”.
Toinen ajatus on käyttää vetyä energiankantajana. Vaikka se on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, taloudellinen tuotanto, nesteytys, kuljetus ja varastointi ovat haasteita.
Vetyä voidaan varastoida myös yhdisteenä, ei ainoastaan H2-kaasuna. Typpi, jonka osuus ilmasta on noin 78 prosenttia, voidaan yhdistää vetyyn ammoniakiksi.
Ammoniakki energiankantajana
Yksinkertainen kemia
Ammoniakkia eli NH3:a käytetään lannoitteiden valmistuksessa, ja sen polttaminen tai hapettaminen vapauttaa energiaa. Ihanteellinen täydellinen palaminen typeksi ja vedeksi voidaan esittää näin:
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
Tässä ihanteellisessa reaktiossa ei synny suoraa CO2-päästöä, kuten ei puhtaan vedyn palamisessakaan. Todellinen palaminen voi kuitenkin synnyttää haitallisia aineita, ja ammoniakki itsessään on myrkyllistä sekä vaatii turvallista käsittelyä.
Nestemäisen ammoniakin varastointi onnistuu huomattavasti lievemmissä lämpötila- ja paineoloissa kuin nestemäisen vedyn. Viitattu analyysi antaa ammoniakin energiatiheydeksi 3,83 MWh/m³ ja nestemäisen vedyn arvoksi 2,64 MWh/m³. Ero on noin 45 prosenttia tilavuusyksikköä, ei kilogrammaa kohti.
Kleinman Centerin viitatussa analyysissa vedyn nesteytyksen energiankulutus vastaa 44,7:ää prosenttia varastoitavasta energiasta, kun lämpötila on −253 °C (−423°F). Mallin oletuksilla kausivarastoinnin häviöt saattoivat kasvaa 79 prosenttiin. Tulokset riippuvat varastointiajasta ja tekniikasta; aktiivinen jäähdytys voi vähentää haihtumista.
Saman analyysin mukaan ammoniakki voidaan nesteyttää jäähdyttämällä alle −33 °C:seen normaalipaineessa tai nostamalla paine yli 7,5 baariin 20 °C:ssa. Mainittu lähes 99 prosentin hyötysuhde koskee vain nesteytysvaihetta, ei koko ketjua sähköstä polttoaineeksi ja takaisin.
Nykyinen infrastruktuuri
Ammoniakkia tuotetaan jo suuria määriä etenkin lannoitteisiin sekä esimerkiksi muoveihin ja räjähteisiin. Teolliset prosessit ja toimitusketjut ovat siten jo olemassa. Tavanomainen tuotanto on kuitenkin vahvasti riippuvaista fossiilisista raaka-aineista ja energiasta. Ammoniakki kuuluu eniten valmistettuihin teollisuuskemikaaleihin.
Vähäpäästöinen ammoniakkitalous perustuisi ennen kaikkea uusiutuvalla energialla valmistettavaan vihreään ammoniakkiin. Se eroaa seuraavista muista tuotantotavoista:
- Harmaa tai ruskea ammoniakki: tuotetaan fossiilisista raaka-aineista ilman hiilidioksidin talteenottoa.
- Sininen ammoniakki: fossiilinen tuotanto yhdistettynä hiilidioksidin talteenottoon. Ilmastovaikutukseen vaikuttavat muun muassa talteenottoaste ja metaanivuodot.
- Vaaleanpunainen ammoniakki: valmistetaan ydinenergialla. Värinimitykset eivät ole yhtenäisiä, ja keltainen voi tarkoittaa myös muuta tuotantotapaa.
- Turkoosi ammoniakki: metaanin pyrolyysissa tuotettu vety muutetaan ammoniakiksi. Samalla syntyvä kiinteä hiili voidaan varastoida tai käyttää soveltuviin tuotteisiin.
Analyysi mainitsee Yhdysvalloissa noin 5 000 kilometriä ammoniakkiputkia ja 490 000 kilometriä korkeapaineisia maakaasuputkia. Olemassa oleva infrastruktuuri on hyödyksi, mutta laajentaminen edellyttää sopivia materiaaleja ja turvatoimia. Ammoniakkia ei voi yleisesti kutsua syövyttämättömäksi: materiaalien yhteensopivuus ja jännityskorroosio ovat huomioitavia, vaikka ongelmat eroavat vetyhauraudesta.
Tämä vaatisi suuria investointeja tuotantoon ja infrastruktuuriin. Viitatussa skenaariossa puolen maailman maakaasun käytöstä korvaaminen edellyttäisi noin kaksikymmenkertaista ammoniakin tuotantoa. Luku havainnollistaa kyseisen skenaarion mittakaavaa, ei tuotantoennustetta.
Kleinman Centerin taulukko vertailee eri varastointiketjuja. Ammoniakille ilmoitetaan noin 42,5–52,3 prosenttia talteen saatavaa energiaa seitsemän päivän ja 41,8–51 prosenttia 182 päivän varastoinnin jälkeen. Yläraja 84 prosenttia koskee paineistettua vetyä, ei ammoniakkia. Luvut kuvaavat mallinnettua ketjua talteen saatavaan vetyenergiaan asti eivätkä automaattisesti sähköverkkoon palautettua sähköä.
Ammoniakin rajoitukset
Todellisessa ammoniakin palamisessa voi syntyä typen oksideja (NOx), palamatonta ammoniakkia ja dityppioksidia eli ilokaasua (N2O). NOx heikentää ilmanlaatua. N2O on eri kaasu: EPA:n käyttämässä sadan vuoden tarkastelussa sen lämmitysvaikutus kilogrammaa kohti on noin 273-kertainen CO2:een nähden. Tätä lukua ei voi soveltaa kaikkiin typen oksideihin.
Mahdollisia teknisiä ratkaisuja ovat seuraavat:
- Vihreän ammoniakin polttaminen fossiilisen polttoaineen seoksessa. Se ei automaattisesti poista kaikkia päästöjä.
- Ammoniakin sekoittaminen vetyyn palamisen tukemiseksi.
- Ammoniakin hajottaminen tarvittaessa typeksi ja vedyksi käyttöpaikalla, esimerkiksi tankkausasemalla. Prosessia kutsutaan krakkaukseksi.
- Soveltuvien polttokennojärjestelmien käyttäminen sähkön ja sähkömoottorin käyttöenergian tuottamiseen joko suoraan ammoniakista tai vedyn valmistamisen jälkeen.
- NOx-päästöjen vähentäminen pakokaasujen jälkikäsittelyllä. Esimerkki on typen oksidien varastointikatalyysi, jossa käytetään platinaa, palladiumia tai rodiumia. Kaikki ratkaisut eivät tarvitse näitä metalleja: käytössä on myös kuparizeoliitteja ja vanadiinia sisältäviä SCR-katalyyttejä. Kustannukset ja materiaalitarve riippuvat järjestelmästä.
Ilmastohyöty edellyttää siten sekä tuotantopäästöjen että käytön NOx-, N2O- ja ammoniakkipäästöjen hallintaa. Kaikkia NOx-yhdisteitä ei pidä käsitellä yhtenä saman lämmitysvaikutuksen kasvihuonekaasuna.
Ammoniakki vedyn kantajana
Ammoniakki voidaan hajottaa takaisin typeksi ja vedyksi. Siksi se voi toimia vedyn kantajana myös silloin, kun suora polttaminen ei sovi tiettyyn käyttökohteeseen.
Tällöin ammoniakkia käytetään varastointiin ja kuljetukseen sekä joihinkin suoriin käyttökohteisiin. Krakkauksen jälkeen vety voidaan puhdistaa ja tarvittaessa paineistaa polttokennoa tai sopivaa polttomoottoria varten. Myös nämä vaiheet kuluttavat energiaa.
Ratkaisu voi tarjota seuraavia etuja järjestelmästä ja käyttökohteesta riippuen:
- Vetyä helpommat nesteytysolosuhteet ja mahdollisuus käyttää tuotannossa uusiutuvaa energiaa.
- Halvan sähkön hyödyntäminen runsaan tuuli- ja aurinkotuotannon aikana tuotantokustannusten pienentämiseksi.
- Polttoaineen varastoiminen kuukausiksi energiajärjestelmän ja liikenteen häiriönsietokyvyn parantamiseksi. Varasto voi sähkökatkossa tukea esimerkiksi pelastustoimea ja toimitusketjuja, jos myös tuotanto- ja jakelulaitteet pysyvät toimintakunnossa.
- Aurinkoisten tai tuulisten kuukausien ylituotannon säästäminen vähäisemmän uusiutuvan tuotannon ajaksi.
Ammoniakkitalouden ja vetytalouden asettaminen tiukasti vastakkain voi siksi johtaa harhaan.
Yksi mahdollinen skenaario on ammoniakin ja vedyn yhdistävä energiajärjestelmä, jossa kumpaakin käytetään sen ominaisuuksiin sopivissa tehtävissä:
- Ammoniakki energiankantajan kuljetukseen, pitkäaikaiseen varastointiin ja tilapäisten sähköylijäämien hyödyntämiseen.
- Vety suoraan käyttöön, lyhyempään varastointiin ja tiettyihin teollisuusprosesseihin, kuten teräksen valmistukseen. Lentokonemoottorit vaativat edelleen teknistä kehitystä.
Myös ydinvoimalat voisivat osallistua päästöjen vähentämiseen tuottamalla vähähiilistä energiaa vaaleanpunaisen ammoniakin valmistukseen liikenteen sähköistämisen rinnalla.
Polku ammoniakkitalouteen
Laajan käyttöönoton aikataulu on epävarma. Vuonna 2023 käsitellyissä tutkimuksissa laajamittainen vihreä tuotanto kuvattiin toiseksi sukupolveksi, joka voisi yleistyä vuodesta 2030 alkaen. Kyse oli kehitysskenaariosta, ei varmasta kaupallisen läpimurron ajankohdasta.
Vielä tehokkaampi tuotanto suoralla sähkökemiallisella pelkistyksellä esitettiin kolmantena sukupolvena 2030-luvun lopulla. Sekä tekniikka että sopivat sähkökatalyytit olivat vasta kehitysvaiheessa.
Lähde: Science Direct
Vihreään ammoniakkiin kohdistui suuria odotuksia. Vuoden 2023 markkinaennusteessa arvioitiin markkinan kasvavan noin 300 miljoonasta dollarista vuonna 2023 yhteensä 17,9 miljardiin dollariin vuonna 2030 eli noin 72,9 prosentin vuotuisella kasvuvauhdilla. Tämä oli historiallinen ennuste, ei toteutunut kasvu tai takuu.
Viisi vihreään ammoniakkiin ja vetyyn liittyvää yhtiötä
Luettelo keskittyy vihreän ammoniakin tai vedyn yrityksiin. Myös nykyiset suuret ammoniakin tuottajat, kuten CF Industries Holdings, Inc. (CF ) (CF) ja Yara International ASA (YAR.OL), voivat olla merkityksellisiä, jos ne vähentävät tuotantonsa päästöjä.
1. Aker Horizons ASA (AKH.OL)
Aker Horizons oli vuonna 2023 vihreään energiaan keskittyvä yhtiö norjalaisessa Aker-konsernissa. Konserni toimi muun muassa uusiutuvassa energiassa, meriliikenteessä ja offshoreliiketoiminnassa.
Lähde: Aker
Aker Horizons oli holdingyhtiö, jonka sijoitukset liittyivät uusiutuvaan energiaan, hiilidioksidin talteenottoon ja vetyhankkeiden kehittämiseen.
Lähde: Aker
Yhtiö kehitti vety- ja vihreän ammoniakin hankkeita muun muassa arktisen meriliikenteen päästöjen vähentämiseksi. Hankkeiden kehittäminen ei tarkoittanut, että suunnitellut laitokset olisivat jo tuotannossa.
Lähde: Aker
Kyse ei ollut puhtaasti ammoniakkiyhtiöstä. Salkku kattoi eri vaiheita uusiutuvasta sähköstä vetyyn ja suunniteltuun ammoniakin valmistukseen. Artikkeli mainitsi myös jäte-energiahankkeita Ranskassa, biomassan Saksassa sekä hiilidioksidin talteenottoa Saudi-Arabiassa ja Arabiemiirikunnissa.
Vuoden 2023 artikkelin sijoitusajatus oli, että toiminnan laajuus tarjosi altistusta useille energiatekniikoille ja maantieteellisille alueille. Hankkeiden toteutus ja rahoitus pysyivät ratkaisevina tekijöinä.
2. Plug Power Inc. (PLUG)
Plug Power (PLUG ) toimii polttokennojen ja vihreän vedyn alalla. Artikkeli mainitsi historiallisesti yli 40 000 yhtiön polttokennoilla toimivaa trukkia ja kahdeksankertaisen liikevaihdon vuoteen 2013 verrattuna. Yhtiö kehitti myös vedyn tuotantoa, logistiikkaa, toimituksia ja suuren mittakaavan sähköntuotantoa.
Lähde: Plug Power
Lokakuun 2023 esityksessään Plug arvioi mittakaavan kasvun alentavan toimitetun vedyn keskimääräisiä kustannuksia noin 10 dollarista 4 dollariin kilogrammalta vuoteen 2027 mennessä. Artikkeli tulkitsi volyymin kasvun noin neljätoistakertaiseksi. Nämä olivat tavoitteita, eivät toteutuneita tuloksia.
Lähde: Plug Power
Plug oli tappiollinen ja investoi laajentumiseen. Esitys mainitsi laitevalmistuksen kapasiteetin kasvaneen 1 900 prosenttia vuodesta 2020; luku ei tarkoittanut toteutuneen vedyn tuotannon yhdeksäntoistakertaistumista. Vuoden 2023 jälkipuoliskon liikevaihtoennuste oli noin 730 miljoonaa dollaria, kun alkupuoliskon liikevaihto oli noin 470 miljoonaa. Kyse ei ollut jo toteutuneesta kaksinkertaistumisesta. Pohjois-Amerikka oli tärkeä osa toimintaa ja suunnitelmia.
Plug esitteli vetyä liikennepolttoaineena ja mahdollisena sähköautojen täydentäjänä. Vedyn tuotanto sopivina aikoina ja käyttö polttokennoissa voivat lisätä joustavuutta mutta aiheuttavat myös energiahäviöitä.
Lähde: Plug Power
Vety- ja ammoniakkisovellusten kasvu voisi lisätä Plugin tuotteiden kysyntää. Yhtiö keskittyi pääasiassa vetyyn ja polttokennoihin, mutta sen esitys sisälsi myös Suomessa kehitettävän hankkeen, johon kuului ammoniakin tuotantoa. Suoraa yhteyttä ammoniakkiin ei siten voinut kokonaan sulkea pois.
Artikkeli piti yhtiötä mahdollisena sijoituksena vetyyn riippumatta siitä, käytettäisiinkö ammoniakkia kuljetuskantajana. Tulos riippuu muun muassa tuotantokustannuksista, logistiikasta, varastoinnista, kysynnästä ja rahoituksesta.
3. Ballard Power Systems Inc. (BLDP)
Ballard valmistaa myös polttokennoja ja on tekniikan pioneereja. Sen ensimmäinen polttokennobussi esiteltiin vuonna 1993.
Kesäkuussa 2023 Ballard keskittyi busseihin, kuorma-autoihin, juniin ja raitiovaunuihin, laivoihin, kaivos- ja rakennuskoneisiin sekä sähköntuotantoon. Se ennakoi kuorma-autojen osuuden kasvavan vuoteen 2025 mennessä sekä Euroopan osuuden olevan noin 50–60 prosenttia ja Pohjois-Amerikan noin 25 prosenttia liikevaihdosta. Nämä olivat sen ajan odotuksia liiketoiminnan rakenteesta.
Ballard arvioi kuorma-autojen polttokennojen mahdolliseksi markkinaksi noin 7,5 miljardia dollaria vuonna 2030 osana noin 195 miljardin dollarin kuorma-automarkkinaa. Polttokennoarvio oli lähes yhtä suuri kuin kyseisen taulukon muut sovellukset yhteensä, ei kaikki maailman vetykäyttökohteet.
Lähde: Ballard
Pitkä toimintamatka ja nopea tankkaus voivat tehdä polttokennoista kiinnostavia joissakin raskaan liikenteen tehtävissä. Sähköistämättömällä radalla ne voivat vähentää ajolankojen rakentamistarvetta. Soveltuvuus riippuu reitistä ja vetyinfrastruktuurista; kyse on tankkauksesta, ei akun pikalatauksesta.
Lähde: Ballard
Yksi konkreettinen esimerkki oli 8. joulukuuta 2022 tehty sopimus Amogyn kanssa aluksi kolmesta 200 kW:n merikäyttöön tarkoitetusta FCwave-polttokennosta. Amogyn järjestelmä krakkaa ammoniakin vedyksi; PEM-polttokennoihin ei syötetä suoraan ammoniakkia.
Artikkeli näki raskaan liikenteen Ballardille mahdollisena kasvualana vetytalouden laajentuessa. Markkinan kehitys riippuu infrastruktuurista, kustannuksista ja tilauksista eikä seuraa automaattisesti poliittisesta tuesta.
4. FuelPositive Corporation (NHHHF)
FuelPositive kehitti kontteihin sijoitettavaa modulaarista FP300-järjestelmää vihreän ammoniakin paikalliseen tuotantoon, aluksi maataloudessa. Mainitut tekniset tavoitteet olivat enintään 300 kg päivässä eli noin 100 metristä tonnia vuodessa, ja alustava perushinta oli 950 000 Kanadan dollaria. Lopullinen hinta riippui kokoonpanosta.
Lähde: Fuel Positive
Yhtiö käytti esimerkkinä 1 800 eekkerin eli noin 728 hehtaarin maatilaa. Esityksessä noin 1 MW:n aurinkosähköjärjestelmä varastointeineen vei suuntaa antavasti 1,5 eekkeriä eli noin 0,61 hehtaaria. Tämä oli yhtiön esimerkki, ei takuu kyseisen alan riittävyydestä kaikissa ilmastoissa.
Lähde: Fuel Positive
FuelPositive arvioi käyttökustannuksiksi noin 560 Kanadan dollaria ammoniakkitonnilta sähkön hinnasta riippuen. Luku ei sisältänyt koko kustannusta laitoksen hankintoineen. Paikallinen tuotanto voisi vähentää altistumista markkinahintojen vaihtelulle mutta ei poistaa kaikkia riskejä. Artikkeli mainitsi tietyn ajanjakson historiallisen hinnan, joka nousi enimmillään 1 350 dollariin tonnilta.
Lähde: BusinessAnalitIQ
Yhtiö oli vuonna 2023 varhaisessa vaiheessa. Yhtiökokouksen tavoitteisiin kuuluivat ensimmäisten 30 järjestelmätilauksen vahvistaminen ja uuden valmistuslaitoksen toiminta vuoden 2025 alussa. Tämä ei osoittanut 30 jo vahvistettua tilausta. Ensimmäinen toimitus maaliskuussa tai keväällä 2024 oli tuolloin suunnitelma, ei jo toteutunut toimitus.
Artikkeli korosti modulaarisuutta, joka voisi tukea hajautettua tuotantoa ja standardoitujen laitteistojen valmistusta.
FuelPositive kehitti yhteistyötä Cipher Neutronin kanssa. Tämä kehitti anioninvaihtokalvoon perustuvia elektrolyysilaitteita ilman platinaryhmän metalleja.
Lannoitteet olivat ensimmäinen kohdemarkkina. Ammoniakin käyttäminen maatalouskoneiden polttoaineena edellyttäisi sopivia moottoreita tai vetyjärjestelmiä ja tarvittavaa infrastruktuuria.
Hajautettu ja modulaarinen ratkaisu voisi palvella myöhemmin myös ammoniakin käyttöä energiankantajana. Lannoitemarkkina tarjosi yhtiölle ensimmäisen kaupallisen kehityskohteen ennen laajempia energiakäyttöjä.
5. AmmPower Corp. (AMMPF)
AmmPower kehitti niin ikään modulaarisia laitteita. IAMM-järjestelmän suunniteltu kapasiteetti oli neljä metristä tonnia ammoniakkia päivässä. Kohteina olivat yli 10 000 eekkerin eli noin 4 047 hehtaarin maatilat ja teollisuus, kuten tekstiilit, jäähdytys, kaivostoiminta, lääkkeet ja puolijohteet. Nimelliskapasiteetti ei tarkoittanut, että käytössä olisi jo laaja laitekanta.
Lähde: AmmPower
Artikkeli mainitsi tuolloin 30 miljoonan dollarin mahdolliset lähiajan tilaukset ja myyntimahdollisuuksia 690 laitteelle 52 maassa. Luvut kuvasivat kaupallisia mahdollisuuksia, eivät vahvistettuja sopimuksia tai toteutunutta liikevaihtoa.
Mainittu 360 dollarin arvio tonnia kohti koski ainoastaan sähköä, ei tuotannon, kunnossapidon ja pääoman kokonaiskustannuksia.
Modulaarisella toteutuksella tavoiteltiin alle vuoden toimitusaikaa, kun jotkin tavanomaiset hankkeet kestävät kolme tai neljä vuotta. Se oli kehitystavoite, ja todellinen aika riippui myös hankkeesta sekä luvista.
AmmPower ilmoitti 15. kesäkuuta 2023 yhteisyrityssopimuksesta CTEC Energy Sales USA:n kanssa jätteen hyödyntämiseksi ammoniakin tuotannossa. Suunnitellussa ketjussa jätteestä saatu vety ja sähkö syöttäisivät IAMM-synteesilaitteita.
Artikkeli kertoi myös suunnitelmasta perustaa erillinen tytäryhtiö ammoniakin krakkaukseen vedyksi ja hakea sille erillistä rahoitusta. Tekniikka oli kehitysvaiheessa, ei kaupallisessa mittakaavassa osoitettu ratkaisu.
AmmPower tavoitteli teollisuusasiakkaita ja suuria maatiloja, joilla oli suhteellisen hyvä pääsy rahoitukseen. Ammoniakin synteesi ja krakkaus voisivat avata mahdollisuuksia vetymarkkinalla, mutta laajentuminen riippui rahoituksesta, teknisestä kehityksestä ja todellisista tilauksista.
