Miten hyödyntää hiilidioksidia, vetyä tai metaania auringon avulla – ilman fossiilisia polttoaineita? Suomen Akatemian rahoituksella tutkitaan aurinkoon perustuvaa kemiaa. Rahoitus on kansainvälinen ja siinä ovat mukana myös Puola, Ranska, Saksa ja Sveitsi.

Metaania hyödynnetään polttoaineena ja se on mahdollista tehdä myös aurinkoenergian avulla. Se voidaan muuntaa hiilivedyiksi hyödyntämällä auringon energiaa tehokkaiden talteen otettavien kierrätettävien nanomateriaalien avulla.

Pedro H. C. Camargo selvittää, miten metaanista saadaan hyödyllinen raaka-aine.

Epäorgaanisen materiaalikemian professori Pedro H. C. Camargo ryhmineen tutkii tätä Helsingin yliopistossa. Tutkimus tehdään yhteistyössä ranskalaisen ja puolalaisen tutkimusryhmän kanssa.

Hankkeessa valmistetaan fotokatalyyttisiä materiaaleja, jotka absorboivat auringon säteilyä ja voivat näin muuntaa metaanin hyödynnettäviksi hiilivedyiksi. Muuta kuin aurinkoenergiaa ei tarvita. Näin päästään metaanin ympäristöä vahingoittavista ominaisuuksista, koska se on hiilidioksidiakin pahempi kasvihuonekaasu.

Hiilidioksidin ja metaanin päästöjä on vähennettävä, mutta ne voidaan auringon avulla ottaa myös hyötykäyttöön.

”Olemme kiinnostuneita löytämään keinoja tehokkaaseen, kestävään ja auringonvaloon perustuvaan metaanin muuntamiseen polttoaineiksi ja kemikaaleiksi eli erittäin arvokkaiksi raaka-aineiksi. Tämä on tärkeää fossiilisten ja uusiutuvien energialähteiden järkevän hyödyntämisen ja kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisen kannalta. Uusien kestävien teknologioiden kehittäminen metaanin kemialliseen muuntamiseen voi ratkaista sekä fossiilisten ja uusiutuvien luonnonvarojen järkevän käytön haasteet että vastata ilmaston lämpenemiseen ja ympäristöongelmiin”, korostaa Camargo. 

Hiilidioksidista polttoainetta nanopartikkeleiden avulla  

Toisessa Akatemian rahoittamassa tutkimuksessa Camargon ryhmä yhdessä VTT:n kanssa muuntaa hiilidioksidia polttoaineeksi auringon avulla. Tämä tehdään nanopartikkeleiden avulla.  

”Käytännössä tämä kehitys tapahtuu nanopartikkeleiden synteesin optimoinnin ja hallinnan, edistyneen karakterisoinnin, katalyyttisen testauksen ja teoreettisen mallintamisen avulla. Tulosten avulla voimme selvittää mekanismit, jotka vaikuttavat nanopartikkeleiden valon absorptio-ominaisuuksien parantamiseen, selektiivisyyteen ja reaktioreitteihin.” 

Tämä on tärkeää, jotta päästään siirtymään vihreään kemianteollisuuteen. 

”Onnistuessaan hankkeemme mahdollistaa sen, että visio fossiilisista polttoaineista saatuun energiaan perustuvien teollisten prosessien korvaamisesta auringonvalolla on askeleen lähempänä todellisuutta. Taloudelliset, geopoliittiset ja ympäristövaikutukset ovat valtavat”, painottaa Camargo. 

Hiilidioksidista hyödyllisiä kemikaaleja

Hiilidioksidi on haluttu raaka-aine kemianteollisuudessa. Emeritus professori Markku Leskelän johtama Helsingin yliopistossa toteutettava osahanke kehittää aurinkoenergiaan perustuvia prosesseja, joita voitaisiin hyödyntää tähän. Projektin yhteistyökumppaneita ovat Ulmin yliopisto Saksasta ja Krakovan yliopisto Puolasta. 

Markku Leskelä tutkii hiilidioksidin hyödyntämistä auringon avulla.

”Hankkeen hyödyt tulevat auringon energiasta, koska normaalisti reaktioita tehtäessä reaktoria pitää lämmittää, mikä tapahtuu yleensä fossiilisilla polttoaineilla. Nyt kehitettävät prosessit toimisivat huoneen lämpötilassa ja normaalipaineessa. Valokatalyyttisten prosessien kehittäminen voi auttaa myös synteettisten polttoaineiden kehittämisessä”, kertoo Leskelä. 

Prosessissa käytetään auringon valon avulla aktivoituja katalyyttejä eli kemiallista reaktiota nopeuttavia aineita, joiden avulla esimerkiksi hiilidioksidi pelkistyy hyödyllisiksi kemikaaleiksi.

Hankkeessa valmistetaan katalyyttejä atomikerroskasvatuksella (ALD). Helsingin yliopiston ryhmä tunnetaan johtavana ALD-kemian ja -prosessien kehittäjänä. Auringon valoa voidaan hyödyntää puolijohteissa, yleisimmin piiaurinkokennoissa, joista saadaan sähköä. Auringon valon virittämiä puolijohteita voidaan käyttää myös katalyysiin.

”Itsepuhdistuvat pinnat ovat esimerkki tästä. Pinnalle levitetty titaanidioksidi virittyy auringon valossa ja hyödyntäen ilman happea se katalyyttisesti hajottaa tai hapettaa pinnalla olevan orgaanisen lian. Tuotteena syntyy hiilidioksidia ja vettä”, Leskelä selventää. 

Vety teollisuuden ja raskaiden kulkuneuvojen polttoaineeksi

Vedyn hyödyntäminen aurinkoenergian varastoimiseen ei välttämättä ole kovinkaan energiatehokasta. Siksi vedyn käyttö kannattaa suunnata teollisuuden ja raskaiden kulkuneuvojen polttoaineeksi, koska ne taas eivät saa akuista riittäviä tehoja.

Akatemiatutkija Pekka Peljo Turun yliopistosta selvittää, kuinka aurinkoenergian avulla voidaan tuottaa vetyä kaksifaasisysteemillä veden ja orgaanisen hiilivety-yhdisteen rajapinnalla. Siinä molekyylit säteilytetään auringon ultraviolettisäteilyllä, mikä tuottaa vetyä. Peljon hanketta tehdään yhteistyössä puolalaisten ja sveitsiläisten kanssa.

Nykyisin vetyä tuotetaan teollisuuden polttoaineeksi lähinnä maakaasusta. Vaikka se on siitä suhteellisen helposti tuotettavissa, pitää kuitenkin pyrkiä hiilineutraaliuteen. Siksi vedyn tuottamiseen etsitään muita tapoja.

Vety sopii erityisesti sähkön varastoimiseen ja teollisuuden tai raskaiden ajoneuvojen polttoaineeksi.

”Aurinkopaneeleilla energia muutettaisiin ensin sähköksi ja siitä vedyksi. Olisiko järkevämpää tehdä energiaa suoraan molekyylien kautta, jolloin keräyskustannukset ovat matalammat, vaikka hyötysuhde on huonompi? Esimerkiksi putkisto jollain kentällä, jos saataisiin kerättyä auringonvalo halvemmalla kuin aurinkopaneeleilla”, Peljo pohtii.

Vetyä käyttävän energiavaraston hyötysuhde on yleensä 50–60 prosenttia, kun taas akuissa hyötysuhde on 80 prosenttia.  Suomessa aurinkoenergian tuottamisen lyhyt kausi haittaa tuottavuutta.

ERC-rahoituksenkin saanut Peljo tekee akatemiatutkijana akkututkimusta. Vedyssä häntä kiinnostaa sen varastoitavuus.

”Akuilla saadaan maksimissaan viikon varasto. Jos Suomessa halutaan kesällä varastoida sähköä jotenkin talveksi, silloin ainoa järkevä vaihtoehto ovat kemikaalit kuten esimerkiksi vety”, perustelee Peljo vedyn käyttöhyötyjä.

Teksti: Leena Vähäkylä
Kuvat: Veikko Somerpuro, Mostphotos