Polttokennojen kaupallinen läpimurto lähestyy

20.6.2018

Suomen ensimmäiset kaupallisen kokoluokan polttokennot toimitetaan ensi vuonna Lempäälään. Laitteet toimittavat Elcogen ja Convion edustavat polttokennoteknologian kärkiosaamista maailmassa.

Matti Noponen ja Paul Hallanoro
Elcogenin tuotekehitysjohtaja Matti Noposen ja toimitusjohtaja Paul Hallanoron mukaan polttokennostojen kehittämisen suurimpana haasteena on tällä hetkellä kennostojen eliniän pidentäminen vähintään viiteen vuoteen.

Erilaisia polttoaineita on periaatteessa suhteellisen helppo muuttaa sähköenergiaksi hapen, polttoaineiden ja katalyyttien kohtaamisesta syntyvillä sähkökemiallisilla reaktioilla. Alun perin pääasiassa NASAn avaruusohjelmissa kehitettyjä polttokennoja käytetään nykyisin jo suhteellisen runsaasti esimerkiksi vetyautoissa, minkä lisäksi polttokennoteknologia tarjoaa muutenkin runsaasti kiinnostavia, ympäristöystävällisiä mahdollisuuksia sähkön ja lämmön tuotantoon.

Suomessa polttokennoteknologiaa ja teknologian kaupallisia hyödyntämismahdollisuuksia on tutkittu aktiivisesti vuosituhannen vaihteesta lähtien. Vantaan Koivuhaassa polttokennostoja kehittävän  Elcogen oy:n tutkimusjohtaja, teknillisen fysiikan tohtori Matti Noponen oli 2000-luvun alussa käynnistämässä VTT:n polttokennotutkimusta.

– Polttokennotutkimukseen on käytetty Suomessa tähän mennessä yli 350 miestyövuotta, Noponen kertoo.

Elcogenin toimitusjohtaja Paul Hallanoron mukaan virolaisomisteisen Elcogenin polttokenno-osaaminen periytyy VTT:n ja Teknillisen korkeakoulun lisäksi Neuvosto-Virosta, jossa tutkittiin aikoinaan paljon keraamiteknologiaa.

Maailmalla polttokennojen tutkimukseen on käytetty kohtalaisia summia esimerkiksi Siemensin ja Westinghousen kaltaisissa yrityksissä. Käytetyistä resursseista huolimatta eri toimijat ovat vielä toistaiseksi suurin piirtein samalla viivalla.

– Monissa yrityksissä ollaan lähellä kaupallisten ratkaisujen saamista markkinoille. Polttokennojen haasteena ovat teknologian kustannukset, hyötysuhde ja kennojen elinikä. Monet yritykset ovat onnistuneet taklaamaan hyvin kaksi haastetta näistä kolmesta, mutta jokin kolmesta on jäänyt aina puuttumaan niin pahasti, ettei laitteita ole saatu kaupallisesti kannattaviksi, Hallanoro selvittää.

Nyt läpimurto on kuitenkin jo entistä lähempänä.

– Viiden vuoden kehitystyön jälkeen alamme olla siinä vaiheessa, että olemme päässeet testaamaan laitteita yhdessä asiakkaiden kanssa. Teknologia ei ole teoriassa monimutkaista, mutta toimivan laitoksen rakentamiseen tarvitaan osaamista useilta eri tieteenaloilta, Hallanoro kertoo.

Polttokennot madollistavat vedyn valmistuksen

Polttokennojen avulla sähköä voidaan muuttaa vedyksi myöhempää käyttöä varten. Myös Elcogenin valmistamat polttokennostot sopivat periaatteessa myös elektrolyysikäyttöön eli vedyn valmistukseen sähkön avulla.

– Meidän kennostomme toimii tässäkin hyvällä hyötysuhteella, mutta jos polttokennon halutaan toimivan molempiin suuntiin, siihen tarvitaan esimerkiksi molempiin suuntiin korkeissa lämpötiloissa toimivia venttiilejä, ja se nostaa merkittävästi teknologian hintaa ja lisää monimutkaisuutta, Matti Noponen kertoo.

Elcogen tekee runsaasti yhteistyötä polttokennoalan toisen suomalaisen pääpelaajan, Convion oy:n, kanssa. Convionin tausta on Wärtsilä oyj:n vuosina 2002 - 2012 toimineessa polttokennotutkimuksen tuotekehitysosastossa. Vuonna 2013 toiminta siirrettiin osaston työtekijöiden perustamalle Convionille Wärtsilän säilyttäessä oasomistuksen nykyisin pääasiassa kansainvälisen pääomasijoittajan omistamasta yrityksestä. Erkko Fontell

– Onneksi osaaminen on säilynyt Suomessa, Convionin toimitusjohtaja Erkko Fontell toteaa.

Polttokennoilla tuotetun sähkön hinta on vielä moninkertainen muihin tuotantomuotoihin verrattuna, mutta Fontell uskoo, että yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto polttokennoilla saadaan taloudellisesti kannattavaksi seuraavien viiden vuoden aikana. Vastaavasti vedyn valmistus sähkön avulla tulee todennäköisesti arkipäiväistymään reilun kymmenen vuoden sisällä.

– Pienet volyymit pitävät kustannukset vielä korkealla, mutta markkinat ovat kuitenkin heräämässä. Polttokennoissa tarvittavat materiaalit eivät ole erityisen arvokkaita ja tuotantoteknologia on jo skaalattavissa massavalmistukseen, Fontell sanoo.

Convion ja Elcogen ovat erikoistuneet korkean lämpötilan kiinteäoksidipolttokennojärjestelmiin (SOFC, solid oxide fuel cell). Toisin kuin esimerkiksi vetyautoissa käytettävissä matalissa, alle sadan asteen lämpötilassa toimivissa polttokennoissa, noin 700 asteen lämpötilassa toimivissa SOFC-laitteissa voidaan käyttää polttoaineena vedyn lisäksi myös perinteisiä polttoaineita, kuten maa- ja biokaasua.

Polttokennotutkimus saa runsaasti EU-tukea

Hallanoron mukaan polttokennojen päämarkkinat ovat tällä hetkellä Japanissa, jossa pieniä, kilowatin suuruusluokan polttokennovoimaloita on käytössä jo noin 200 000 pääasiassa asuinkiinteistöissä. Euroopassa vastaavia pienvoimaloita on tällä hetkellä noin tuhat. Määrän voi odottaa kasvavan lähitulevaisuudessa nopeasti, sillä myös Euroopan unioni tukee merkittävästi polttokennojen yleistymistä. Myös Elcogen ja Convion saavat EU:n tutkimus- ja tuotekehitystukea Inno-SOFC -projektin kautta.

Elcogenin vantaalaisella teollisuusalueella sijaitsevassa peltihallissa sijaitsevat tutkimustilat tuovat mieleen varhaiset rakettilaboratoriot, joissa polttokennoille syötetään erilaisia kaasuja monimutkaisten putkistojen ja mittauslaitteiden läpi. Pilottituotanto on suunniteltu alusta saakka tulevaa massatuotantoa silmällä pitäen.

– Me olemme tehneet alustavia suunnitelmia siitä, mitä tehtaan rakentaminen käytännössä tarkoittaisi, Hallanoro kertoo.

Sähköntuotannossa Elcogenin kennoilla on päästy Matti Noposen mukaan parhaimmillaan yli 70 % hyötysuhteeseen. Polttokennojen generaattoreita parempi hyötysuhde korostuu erityisesti pienissä, alle 1 000 kilowatin laitteistoissa. Kun polttokennot ovat lisäksi lähes äänettömiä, sähköä ja lämpöä voidaan tuottaa lähes päästöttömästi myös kiinteistöjen välittömässä läheisyydessä. Polttokennojen mahdolliset riskit liittyvät ainoastaan helposti syttyvien polttoaineiden varastointiin.

– Englanniksi polttokenno on fuelcell eli polttoainekenno. Suomeksi tästä syntyy hieman väärä mielikuva, koska polttokennoissahan ei tapahdu palamista, vaan ainoastaan sähkökemiallisia reaktioita, Erkko Fontell sanoo.

  
Lempäälään toimitetaan 24 polttokennostoa

Suomen ensimmäinen laajamittaisempi polttokennojen kokeiluhanke käynnistyy ensi vuoden alussa Lempäälässä. Työ- ja elinkeinoministeriön energiateknologian kärkihankkeisiin kuuluvassa LEMENE-hankkeessa Tampereen moottoritien varressa sijaitsevasta Marjamäen pienteollisuusalueesta rakennetaan energiankäytön suhteen omavarainen saareke, jonka energia tuotetaan aurinkopaneeleilla, kaasumoottoreilla ja polttokennoilla.

Convion toimittaa alueelle kaksi sekä lämpöä että normaalia vaihtovirtaa tuottavaa Convion C50 -polttokennojärjestelmää, joihin kuuluu 24 Elcogenin valmistamaa kolmen kilowatin polttokennostoa.

Siemens-osakeyhtiö toimittaa Lempäälään älykkään keskijänniteverkon, verkon automaatiojärjestelmän ja sähkövaraston. Järjestelmä pystyy tarvittaessa myös itsenäiseen saareketoimintaan irtautumalla valtakunnan verkosta. Työ- ja elinkeinoministeriö tukee hanketta yhteensä 4,74 miljoonalla eurolla.


Mikko Arvinen, teksti ja kuvat