Kemian laitoksella on kykyä edistää vetytaloutta
Vihreällä sähköllä tuotettavaan vetyyn liittyy suuria odotuksia ja se on osa Suomen energia- ja ilmastostrategiaa. Jyväskylän yliopiston kemian laitos on mukana Suomen vetysiirtymässä. Laitoksella tutkitaan uusia tapoja vedyn tuotantoon. Se on myös mukana ensimmäisen ja tärkeän vetytalouden koulutuskokonaisuuden järjestämisessä.
Uusiutuvalla energialla valmistettua vetyä voidaankin kutsua vihreäksi vedyksi, jolloin haitallisia ilmastonmuutosta vauhdittavia hiilidioksidipäästöjä ei synny. Vety voittaa myös monet muut kilpailijat, sillä se on uusiutuvaa ja sitä voidaan käyttää liikennepolttoaineena ja kemikaalina teollisuuden prosesseissa kuten ammoniakin valmistuksessa.
Suomi on linjannut, että sen tavoitteena on olla hiilineutraali vuoteen 2035 mennessä. Jotta hiilidioksidipäästöjä ei syntyisi, vaatii siirtymä kohti vetytaloutta, mikä on myös Euroopan unionin tavoite.
Vetytaloudella tarkoitetaan sitä, että vetyä tuotetaan vedestä sähkön avulla. Yksi suurimmista haasteista vetytaloudessa piileekin sähkön tuottamisessa, sillä prosessi ahmii sähköä. Käytettävän sähkön tulee olla uusiutuvaa, ja ainoa mahdollinen tapa lisätä uusiutuvaa sähköä on tuuli- ja aurinkovoima.
”Tuulipuistojen määrää pitäisi lisätä ja sähkö siirtää vetyä tuottaviin laitoksiin, mikä taas vaatii uusia sähkölinjoja. Myöskään vetymolekyylin siirtäminen putkea pitkin paikasta toiseen ei ole yksinkertaista”, sanoo professori Karoliina Honkala, joka tutkii vedyn katalyysikemiaa Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella ja on mukana kehittämässä muun muassa vihreää vetyä tuottavia katalyyttejä
Suomessa ja Euroopassa ei vielä tiedetä tarkkaan, mitä vetytalous tuo tullessaan. Vety on kuitenkin keino, jolla voidaan vähentää ilmastopäästöjä ja varastoida energiaa. Siksi vetytalouden mahdollisuuksiin kannattaa varautua ja sen tutkimusta edistää.
Vetytutkimusfoorumi edistää vetyosaamista – teknologioista käydään kansainvälistä kisaa
Suomeen perustettiin vuonna 2022 (Hydrogen Research Forum Finland), joka on Suomen yliopistojen ja tutkimuslaitosten verkosto.
Foorumin tavoitteena on tehdä yhteistyötä, edistää kotimaista vetyosaamista ja viedä vetytaloutta eteenpäin akateemisessa maailmassa. Professori Karoliina Honkala ja yliopistolehtori Manu Lahtinen ovat Jyväskylän yliopiston edustajia vetytutkimusfoorumissa.
”Vetytaloudessa on odotettavissa tiukka kansainvälinen kilpailu eri teknologioiden välillä, ja valmisteilla on tuhansia vetyhankkeita niin Euroopassa kuin sen ulkopuolellakin. Suomen menestyminen kansainvälisessä vetykilpailussa vaatii osaajia ja tutkimusinnovaatioiden kiihdyttämistä”, kertoo Suomen vetytutkimusfoorumin koordinaattori Timo Fabritius.
Foorumi on luomassa oman ehdotuksen kansallisesta toimintasuunnitelmasta vetyyn liittyen.
”Siinä on huomioitu vaadittavan tutkimusinfrastruktuurin kehittäminen, kansallinen ja kansainvälinen yhteistyö sekä vetysiirtymän vaikutukset koko yhteiskuntaan”, jatkaa Fabritius.
Suomen vetytutkimusfoorumi on listannut myös toimenpiteitä seuraavan hallitusohjelmatyön tueksi. Suomella on nimittäin erinomaiset edellytykset menestyä kansainvälisessä vetykilpailussa, jos vetyosaajien ja -innovaatioiden lisäämistä kiihdytetään seuraavassa hallitusohjelmassa 2023–2027.
Koulutus avainasemassa vetysiirtymässä
FITech-verkostoyliopisto sai rahoituksen koulutuksen järjestämiseen ja ensimmäiset ovat alkaneet tämän vuoden tammikuussa. Koulutushanketta koordinoi Aalto-yliopisto, ja koulutuksen valmistelusta ja toteutuksesta vastaavat FITech-verkoston yliopistot yhdessä.
Jyväskylän yliopiston kemian laitos on mukana järjestämässä koulutuskokonaisuuteen oman kurssin, joka liittyy vedyn peruskemiaan ja esittelee erilaisia vedyn valmistustapoja ja niiden vaatimia materiaaleja. Kemian laitos tuottaa myös muille kursseilla opetusmateriaaleja.
”Tärkeää on ymmärtää vedyn peruskemia, jotta uusia innovaatioita voisi syntyä. Meidän järjestämällä kurssilla käydään läpi kemiallisia reaktioita, miten vetyä tuotetaan termokatalyysin, elektrokatalyysin ja valokatalyysin avulla. Lisäksi tutustutaan käytettyihin katalyyttimateriaaleihin ja esitellään vaihtoehtoja mitä ne voisivat olla mahdollisesti tulevaisuudessa”, kertoo Karoliina Honkala.
Vetytalouden koulutuskokonaisuus on lähtenyt liikkeelle elinkeinoelämän tarpeesta. Koulutuksen suunnitteluun on myös osallistunut vetyklusterin jäsenyritysten henkilöstö. Vetyklusteri on vetyalan yritysten luoma verkosto, jossa on mukana jo yli 60 yritystä ja kuusi toimialaliittoa.
Koulutus antaa laaja-alaisen osaamisen erityisesti insinööritieteissä ja siihen kuuluu esimerkiksi peruskemiaa, materiaalitekniikkaa ja lainsäädäntöä sekä tietoa vedyn ja siitä jalostettujen polttoaineiden käytöstä työkoneissa ja liikenteessä. Opintokokonaisuus on tarkoitettu sekä jo työelämässä oleville että tohtoriopiskelijoille, mutta se on avoin kaikille ja soveltuu hyvin muillekin yrityksille, opiskelijoille ja päättäjille.
”Kokonaisuus on suunniteltu siten, että työelämässä olevat voivat helposti suorittaa haluamansa määrän opintopisteitä. Kaikki kurssit ovat verkko-opintoja ja ne ovat pilkottu sopivan pieniksi paloiksi siten, että ne ovat helposti ja joustavasti suoritettavissa”, sanoo Honkala.
Tänä vuonna Vetytutkimusfoorumi järjestää toistamiseen kesäkoulun, jossa syvennetään osaamista vetytalouteen ja sen mahdollisuuksiin. Lisäksi elokuussa järjestetään vetytalouteen liittyvä seminaaritapahtuma.
Uusia lähestymistapoja vedyn tuotantoon
Vetyyn liittyvää tutkimusta tehdään Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella ja Nanotiedekeskuksessa (NSC). Usealla kemian laitoksen tutkimusryhmällä on menossa alan tutkimusta ja nyt kemian laitos kokoaa joukkojaan miettien, miten yhteistyötä vetytutkimuksen parissa voisi tiivistää tutkimusryhmien välillä.
Kemian professori Karoliina Honkala sekä fyysikko, kemisti, laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkinen ovat mukana Suomen Akatemian rahoittamassa hankkeessa, jossa hyödynnetään kultananoklustereita vedyn valmistamiseen.
Akatemiahankkeen vetäjänä toimii professori Tommi Kärkkäinen informaatioteknologian tiedekunnasta, hänen kanssaan yhteistyötä tehdään tiiviisti koneoppimisen osalta.
Mukana hankkeessa on myös Japanissa toimiva tutkimusryhmä, jolla on pitkä kokemus ligandisuojattujen kultaklustereiden elektrokatalyyttisten ominaisuuksien kokeellisesta tutkimuksesta.
”Tutkimme laskennallisesti ligandisuojattujen kultaklustereiden ominaisuuksia muuntaa vettä vedyksi elektrokatalyyttisesti. Tavoitteemme on ymmärtää, mitkä ominaisuudet tekevät kultaklustereista yhtä hyviä katalyyttejä vedyn valmistamiseen kuin paras perinteinen ja pitkään tunnettu elektrokatalyytti platina. Samalla tutkimme, miten klustereiden elektrokatalyyttisiominaisuuksia voidaan entisestään parantaa”, kertoo Honkala.
Myös yliopistonlehtori Manu Lahtisen tutkimusryhmässä tutkitaan vetyä. Magnus Ehrnroothin säätiön rahoittamassa väitöskirjatyössä tutkitaan metalliorgaanisiin huokosmateriaaleihin pohjautuvien valokatalyyttien soveltuvuutta vihreän vedyn tuotantoon vedestä.
Metalliorgaaniset huokosmateriaalit (MOF) ovat kiteisiä yhdisteitä, jotka perustuvat orgaanisten ligandien ja metallikationien muodostamiin 3-ulotteisesti jatkuviin polymeerisiin rakenteisiin, joiden kanavistoissa olevia aktiivisia kohtia voidaan hyödyntää erilaisissa kemiallisissa ja fysikaalisissa prosesseissa.
Hankkeessa materiaalien kemiallista koostumusta pyritään muokkaamaan siten, että yhdisteiden valonsieppaus- ja katalyyttisiä ominaisuukset voisivat soveltua entistä paremmin vedyn tuottoreaktioissa. Hankkeessa tutkittavia materiaaleja ovat muun muassa tietyt siirtymämetalleihin pohjautuvat MOF-materiaalit, joihin litetyt orgaaniset yhdisteet toimivat reaktiossa kuluvan valoenergian vastaanottajina.
Sen lisäksi Lahtisen ohjauksessa on kaksi kandidaatin tutkielmaa ja yksi pro gradu -tutkielma liittyen vihreän vedyn valmistukseen sekä elektrolyyttisesti että valokatalyyttisesti.
Vedyn tuottoon soveltuvien elektrodien kehittäminen
Sähkökemiallisen vedyn tuoton ytimessä ovat elektrodit. Elektrodien tehokkuuden kannalta keskeinen ominaisuus on niiden aktiivinen pinta-ala. Myös tavallisesti tehokas vedyn tuotto vaatii avukseen katalyyttejä, jotka ovat tekniikasta riippuen usein melko kalliita materiaaleja, kuten platinaa.
Professori Matti Haukan johdolla kemian laitoksella kehitetäänkin 3D-tulostettuja elektrodeja, joiden huokoisuutta ja pinta-alaa voidaan optimoida.
”Valmistamme elektrodeja käyttäen ns. jauhepetitulostustekniikkaa, jossa aktiivinen katalyytti voidaan sitoa elektrodin pinnalle yksinkertaisella yksivaiheisella tulostuksella. Tulostusmateriaalina käytetään katalyytin, tukipolymeerin ja johtavan komponentin seosta. Jauhepetitekniikkaa käyttämällä arvokas katalyyttinen komponentti voidaan levittää ja sitoa pintarakenteisiin menettämättä arvokasta materiaalia elektrodin bulkkirakenteeseen. Tämä mahdollistaa tehokkaan katalyyttisesti aktiivisen komponentin hyödyntämisen, jolloin sen kokonaismäärä voidaan pitää alhaisena”, kertoo Matti Haukka.
Suomen vetytutkimusfoorumissa mukana ovat Jyväskylän yliopiston lisäksi Aalto Yliopisto, LUT-yliopisto, Teknologian tutkimuskeskus VTT, Vaasan yliopisto, Åbo Akademi, Turun, Tampereen yliopistot sekä Oulun yliopisto, joka aluksi koordinoi foorumin toimintaa.
