Geologia vetytalouden murroksessa
Kiinnostus vetytaloutta kohtaan elää aallon lailla. Viimeisen 3‒4 vuoden aikana on noussut jälleen voimakas vetybuumi. Edellinen nousukausi ajoittuu 90-luvun lopulle, joskin pientä nousu- ja laskuliikettä on ollut havaittavissa muulloinkin. Viimeisellä kiinnostuksen aallonharjalla vaikuttaa olevan mahdollisuus jäädä pysyväksi ”vetykaudeksi”, ja vetytalous elääkin vahvinta ajanjaksoaan. Syykin on selvä: pyrkimys ilmastonmuutoksen hillitsemiseen vähäpäästöisellä energiantuotannolla.
Vetyä on maailmankaikkeuden näkyvistä atomeista noin 90 %. Jäljelle jäävä 10 % koostuu heliumista, jota on noin 9 % ja muita alkuaineita on vain 1 %. Jos emme huomioi pimeää ainetta ja energiaa, elämme isossa mittakaavassa vedyn ja heliumin maailmassa. Muut alkuaineet ja yhdisteet ovat tästä ihmisen toimintaympäristön kannalta rajoittuneesta näkökulmasta vähäpätöisiä. Maapallo on maailmankaikkeudessa siis vain pieni erikoisen alkuainejakauman jyvänen. Siksi elinympäristössämme on eri alkuainejakauma kuin vaikkapa kotigalaksissamme keskimäärin. Näin ollen vedyn tuottaminen ja käyttäminen Maassa ei ole niin yksinkertaista kuin maailmankaikkeuden ainemäärien perusteella voisi kuvitella. Päinvastoin, se on varsin monimutkaista ja vaatii siksi selvittämisekseen eri alojen asiantuntijoiden yhteistyötä.
GTK:lle on perustettu tänä vuonna useista tutkimusalueista koostuva vetyryhmä. Vetyryhmän asiantuntemus keskittyy rakennegeologiaan, geoenergiaan, geokemiaan, pohjavesigeologiaan sekä ympäristögeologiaan. Tarkoituksemme on edistää uusiutuvien energialähteiden käyttöä ja vedyn hyödyntämistä teollisuudessa kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi.
Suuren kansallisen ja kansainvälisen kiinnostuksen jouduttamana olemme mukana vihreän siirtymän murroksessa, jossa vetytaloudella on viimein mahdollisuus nousta laajempaan rooliin.
GTK:n vetytalouden palvelut jakautuvat kahteen pääteemaan: vedyn kallioperävarastoinnin geologisiin selvityksiin sekä geologisen vedyn tutkimuksiin.
Vedyn varastointi mahdollistaa vedyn hyödyntämisen
Vedyn varastoiminen kallioperään on tulevaisuudessa tarpeellista, sillä teollisuuden kasvava tarve vaatii niin suuria määriä vetyä, ettei varastointi pienempiin säiliöihin maan päälle ole enää taloudellisesti kannattavaa.
Suomen kiteiseen kallioperään vetyvarastot täytyy toteuttaa vuorattuun tilaan, sillä rikkonainen kallioperämme ei yksin riitä pidättämään pienen molekyylirakenteen omaavaa, herkästi liikkuvaa vetyä. Vastaavista kiteiseen kallioon toteutetuista varastoista on kansainvälisestikin vielä vähän kokemusta, mutta kiinnostus aiheeseen on suurta.
Kalliovaraston toimivuuden, rakennus- ja käyttökustannusten sekä turvallisuuden optimoinnin kannalta on tärkeää löytää varastotiloille vakaat kalliolohkot ja tunnistaa tarkasti alueen kallioperän ominaisuudet. Vaikka toteutus olisi mahdollista heikompaankin kallioon, on huomioitava käyttöiän aikana kallioon kohdistuvat paine- ja lämpötilavaihtelut, jotka rasittavat vuorausrakennetta ja lähialueen kalliovyöhykettä.
Tutkittavia kysymyksiä ovat muun muassa kallioperän rikkonaisuus sekä kallion muokkautuminen jatkuvasti vaihtuviin paine- ja lämpöolosuhteisiin, eli mekaaniseen stressiin. Geokemia ja rakoilu ovat keskeisiä tutkimusaiheita, kun pohditaan esimerkiksi vuorausrakenteiden kestävyyttä käyttöajalla ja mahdollisia vuototilanteita, joissa vetyä pääsisi vuotamaan kallion rakenteisiin.
Varastointi jaetaan yleisesti kaasumaisen, nestemäisen ja kiinteän vedyn varastoihin (Chalk & Miller, 2006; Midill ym. 2005; Principi ym. 2009). Suomessa tarkastellaan tällä hetkellä kaasumaisen vedyn kalliovarastointia, sillä nesteytys vaatii erittäin matalaa lämpötilaa ja paljon energiaa. Vedyn varastointi on kiinteästi linkittynyt vedyn tuotantoon, sillä uusiutuvalla energialla tuotettuna vedyn saatavuudessa on todennäköisesti kausia, jolloin tuotanto on suurta ja toisaalta kausia, jolloin tuotanto on hyvinkin pientä. Varastointia tarvitaan siis tasaamaan saatavuutta teollisuuden käyttöön. Näin on esimerkiksi tuulivoimalla tuotetun energian kanssa.
Vetytalouden tutkimushankkeissa kiinnitetäänkin paljon huomiota eri saatavuusratkaisuihin. GTK:lla tavoitteena on työskennellä nimenomaan vihreän, eli uusiutuvalla energialla tuotetun vedyn käytön edistämiseksi. Toinen ilmastonmuutosta ajatellen suotuisa ja mahdollinen tuotantotapa on ydinvoiman käyttö vedyn tuotannossa, jolloin viitataan niin kutsuttuun pinkkiin vetyyn.
Geologista vetyä Suomen kallioperästä?
Geologinen vety tarkoittaa maankamarasta huokuvaa vetyä. Geologisen vedyn syntyprosesseja tutkitaan edelleen, vaikkakin useita erilaisia prosesseja on jo tunnistettu. Vetyä tiedetään muodostuvan pääasiassa ei-elollisesti, mutta esimerkiksi mikrobien vaikutusta vedyn syntyyn (ts. elollinen vedyn tuotanto) ei ole vielä selvitetty huolellisesti.
Vetyä tiedetään huokuvan maasta monilla geologisesti erilaisilla alueilla. Ensimmäiset raportit ja mittaukset vedyn muodostumisesta ovat saksalaiselta suolakaivokselta 1910-luvulta (Ball & Czado, 2022). Welhan ja Graig (1979) raportoivat taas merkittävästä vetyvuosta meren keskiselänteiden tutkimuksissa. Vuonna 1997 ranskalaiset totesivat vetyrikasta hydrotermistä nestettä tutkiessaan ns. mustia savuttajia Atlantin keskiselänteellä (Wang ym. 2023).
Myöhemmin geologista vetyä on todettu myös mantereisissa olosuhteissa, kuten rikkonaisuusvyöhykkeissä, vulkaanisissa olosuhteissa sekä kiteytyneen ja paksun maankuoren alueella. Voidaankin todeta, että geologista vetyä muodostuu niin geologisesti aktiivisissa kuin passiivisissa ympäristöissä.
Geologisen vedyn muodostumistavoista mainitaan useimmin serpentinisaatio. Siinä rauta- ja mangaanirikkaat mineraalit, kuten oliviini, pyrokseenit ja amfibolit muuttuvat hydrotermisesti, eli rapautuvat serpentiinimineraaleiksi. Euroopassa ja kiteisen kilven ulkopuolisilla alueilla puhutaan usein vain ofioliiteista geologisen vedyn lähteenä. Huomioitavaa on, että serpentinisaatiota tapahtuu kuitenkin muissakin ultramafisissa kivissä, eikä geologisen vedyn etsintää kannata rajata pelkästään ofioliittirakenteisiin. Suomi on kiinnostava maa tässä suhteessa, koska meillä on paljon ultramafisia kiviä ‒ erikoisuutena esimerkiksi muinaiset komatiittiset laavarakenteet.
Toinen yleinen geologisen vedyn muodostumistapa on veden radiolyysi. Siinä radioaktiivisten mineraalien hajoaminen kallioperässä tuottaa alfa-, beeta- ja gammasäteilyä. Säteily ”pilkkoo” vesimolekyylejä tuottaen siten vetyradikaaleja (H), minkä jälkeen kaksi vetyradikaalia linkittyy yhteen muodostaen vetyä (H2). Suomessa on paljon radioaktiivisia mineraaleja sisältäviä kivilajeja, joten radiolyysi on kiinnostava geologisen vedyn muodostumisprosessi. Radiolyysin voi toteuttaa myös teollisesti.
Muita geologisia prosesseja, jotka tuottavat vetyä ovat kallioperän liikkeen aiheuttama kallion rikkoutuminen esimerkiksi aktiivisten mannerlaattojen alueella sekä kaasujen erkaantuminen magmasta vulkaanisilla alueilla. Näitä vedyn muodostumisprosesseja ei esiinny enää Suomessa, mutta molempia on tapahtunut kallioperässämme aiempien geologisten ajanjaksojen kuluessa.
Suomen kallioperä tarjoaa mahdollisuudet geologisen vedyn syntyyn. GTK:lla on tutkimustuloksia geologisen vedyn pitoisuuksista erilaisten kivilajien alueilla, mutta ei vielä kattavasti selkeän kokonaiskuvan muodostamiseksi. Geologisen vedyn saralla on siis paljon avoimia kysymyksiä, kuten voisimmeko keinotekoisesti nopeuttaa vedyn tuotantoa Suomen ultramafisten kivien alueella? Perustavin kysymys lienee kuitenkin, onko geologista vetyä mahdollista tuottaa Suomen kallioperästä kannattavasti kaupalliseen käyttöön. Tähän kysymykseen pyrimme nyt GTK:lla löytämään vastauksia yhdessä muiden vetytalouden toimijoiden ja yhteistyökumppaneidemme kanssa.
Teksti
Teppo Arola, johtava asiantuntija
Taina Karvonen, ryhmäpäällikkö
Kiitos erikoisasiantuntija Markku Hagströmille kommenteista ja korjauksista
Kirjallisuusviitteet
Ball, P. Czado, K. 2022. Natural Hydrogen: the new frontier. Geoscientist. Spring 2022.
Chalk, S.G. Miller, J.F. 2006. Key challenges and recent progress in batteries, fuel cells, and hydrogen storage for clean energy systems. J. Power Sources 2006, 159, 73‒80.
Midilli, A. Ay, M. Dincer, I. Rosen, M.A. 2005. On hydrogen and hydrogen energy strategies. I: Current status and needs. Renew. Sustain. Energy Rev. 2005, 9, 255–271.
Principi, G. Agresti, F. Maddalena, A. Lo Russo, S. 2009. The problem of solid state hydrogen storage. Energy 2009, 34, 2087–2091.
Wang, L. Jin, Z. Chen, X. Su, Y. Huang, X. 2023. The Origin and Occurrence of Natural Hydrogen. Energies 2023, 16(5), 2400.
Welhan, J.T. Craig, H. 1979. Methane and hydrogen in East Pacific Rise hydrothermal fluids. Geophys. Res. Lett. 1979, 6, 829–831.
