Miten vety oikeasti toimii polttoaineena? 1,7 miljoonaa euroa saanut tutkimushanke pureutuu vedyn palamisen fysiikkaan ja kemiaan

Vedyn ja siitä jalostettujen polttoaineiden, kuten ammoniakin, käytöstä ei synny lainkaan hiilidioksidipäästöjä. Vedyllä onkin keskeinen rooli Suomen ja Euroopan pyrkiessä vähentämään riippuvuuttaan fossiilisista polttoaineista ja siirtymisessä kohti hiilineutraalia yhteiskuntaa. EU:n tavoite on, että vihreän sekä vähähiilisen vedyn ja niistä johdettujen polttoaineiden osuus energian loppukäytöstä olisi lähes viidennes vuonna 2050.

Nyt Business Finland on myöntänyt 1,7 miljoonan euron rahoituksen HENNES-tutkimushankkeelle, jossa tutkitaan vedyn palamisen fysiikkaa ja kemiaa. Yliopistoista hankkeessa ovat mukana Aalto-yliopisto ja Turun yliopisto. Tutkimus on osa Wärtsilän Zero Emission Marine -ekosysteemihanketta, jonka tavoitteena on edesauttaa muun muassa nollapäästöisen meritekniikan kehittämistä.

”Vetykäyttöisiä polttomoottoreja on tutkittu melko paljon. Niitä ei kuitenkaan ole otettu laajalti käyttöön sähköntuotannossa ja liikenteessä, sillä vedyn palamisesta moottorissa on vain vähän perustietoa. Tarvitsemme syvempää tietoa ja ymmärrystä vedyn termodynamiikasta, virtausmekaniikasta, typenoksidipäästöistä ja palamisprosesseista”, kertoo virtausfysiikan ja energiatekniikan professori Ville Vuorinen Aalto-yliopiston konetekniikan laitokselta. Aallosta tutkimuksessa on mukana myös palotekniikan professori Simo Hostikka.

Edistyneiden 3D simulointimenetelmien ja kokeellisen tutkimuksen yhdistäminen on hankkeessa avainroolissa. Vedyn perusominaisuuksia selvittävän tutkimusprojektin tuloksia voivat hyödyntää niin tiedeyhteisö ja kuin teollisuus.

Tutkimuksen ja tuotekehityksen tiivis yhteistyö avainroolissa

Vety poikkeaa perinteisistä polttoaineista termodynaamisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa suhteen ja käyttäytyy palamisprosesseissa eri tavalla. Myös vedyn syttymisherkkyys ja molekyylin pieni koko asettavat haasteita sekä palamisen hallinnalle että vedyn varastoinnille.

Vetypalamisen tarkka mallinnus on erittäin haastava laskennallisen fysiikan ja kemian ongelma, jonka ymmärrys on tärkeää suunniteltaessa tehokkaita palamisprosesseja. Tietoa tarvitaan esimerkiksi nestemäisen vedyn varastoimiseen ja energian siirroissa käytettävien lämmönvaihtimien ja höyrystimien kehittämiseen ja suunnitteluun.

Professori Vuorisen ryhmän tutkimuskohteina ovat erityisesti polttimien liekit ja palamisilmiöt polttomoottoreissa. Professori Hostikan ryhmä keskittyy vedyn paloturvallisuuden tutkimukseen.

Turun yliopiston konetekniikan apulaisprofessori Armin Wehrfritz ja hänen tutkimusryhmänsä tutkivat vedyn ja vedystä johdettujen polttoaineiden termodynaamisia sekä olomuodonmuutosten ominaisuuksia, erityisesti polttoaineen varastointi- ja syöttöjärjestelmien sovellusten osalta.

”Ilmastopäästöjen vähentäminen ja fossiilivapaan energia- ja liikennesektorin kehittäminen vaatii akateemisen tutkimuksen ja yritysten tuotekehityksen tiivistä yhteistyötä. Vetypolttoaineella on suuri potentiaali erityisesti merenkulussa, mutta vedyn arvoketjun kehittäminen tuotannosta, varastoinnista, kuljetuksesta aina polttoainekäyttöön saakka vaatii perusteellista ymmärrystä vedyn ominaisuuksista. HENNES-hanke mahdollistaa vedyn käytön kokonaisvaltaisen tutkimuksen ja kehityksen”, Wehrfritz sanoo.

Tutkijat käyttävät hankkeessa avoimen lähdekoodin simulaatiotyökaluja selvittääkseen, miten vety käyttäytyy esimerkiksi teollisuudelle tärkeissä moottoreissa ja polttimissa sekä energian siirrossa käytettävissä lämmönvaihtimissa. Simulaatioilla voidaan tutkia myös vedyn paloturvallisuutta. Uuden tiedon avulla on mahdollista suunnitella entistä tehokkaampia ja kestävämpiä vedyllä toimivia polttomoottoreita, mikä puolestaan edistää hiilivapaan energian käyttöä maailmanlaajuisesti.

Wärtsilä saa tutkimuksen kautta arvokasta tietoa vihreille polttoaineille suunnatuista teknologiaratkaisuista.

”Wärtsilä on sitoutunut kehittämään hiilivapaita polttoaineita käyttäviä polttomoottoreita sekä merenkulun käyttökohteisiin että sähkömarkkinoita tukeville voimalaitoksille. Vedyn palamisen mallinnus on osa ydinosaamista, jota tarvitaan moottorin suorituskyvyn optimoinnissa”, tähdentää Jari Hyvönen Wärtsilä Marine Powerin tuotekehityksestä.

Aalto-yliopiston osuus Business Finlandin myöntämästä rahoituksesta on 1,1 miljoonaa euroa ja Turun yliopiston 0,6 miljoonaa euroa. Hankkeessa on Wärtsilän lisäksi mukana useita yrityksiä: AGCO Power, Oilon, Finno Exergy, Vahterus, Auramarine, KK-Palokonsultti Oy sekä P2X Solutions, joka tuottaa tutkimuksessa tarvittavan vedyn tuulivoiman sähköllä hajottamalla vesimolekyylejä vedyksi.