Tiina Keipi 
saa TEKin ja 
TFiFin vuoden 2019 väitöskirja­palkinnon 
28.11.
Tiina Keipi väitöskirjapalkinto Tampereen yliopisto
Kuvaaja
Sara Pihlaja
Kirjoittaja
Petja Partanen

Vetyä vähin päästöin

Tiina Keipi kehitti vähäpäästöistä vedyn tuotanto
teknologiaa. Se voi olla ensi askel tähän asti ikuisena tulevaisuuden lupauksena pysyneeseen vetytalouteen.

Vetyä on jo 1970-luvulta lähtien väläytelty hiiliyhdisteiden polttoon perustuvan globaalin energiajärjestelmämme seuraajaksi. Jos sähköä olisi rajattomasti tarjolla, olisi vetytalous ihanteellinen ratkaisu: raaka-aineena vesi, joka hajoaa sähkövirran avulla vedyksi ja hapeksi, ilman päästöjä. 

Vetytalouden kompastuskivi on kuitenkin vedyn tuotanto. Nykyisin vedyn tärkein – ja halvin – tuotantomuoto on maakaasun höyryreformointi. Suomen suurin vedyntuottaja on Nesteen öljynjalostamo. Höyryreformoinnilla valmistettu vety käytetään jalostamolla hiilivetyketjujen katkomiseen. 

– Fossiilisiin polttoaineisiin perustuva vedyntuotanto on merkittävä hiilidioksidipäästöjen aiheuttaja, kertoo väitöstutkija Tiina Keipi, joka työskentelee nykyisin Valmetin tuoteinsinöörinä.

Keipin väitöskirjassaan kehittämä vedyntuotantomenetelmä leikkaa vedyntuotannon hiilidioksidi- eli CO2-päästöjä radikaalisti. Lähtöaine on edelleen metaanikaasu, mutta Keipin rakentama pilottilaitteisto hajottaa kaasun termisesti vedyksi ja kiinteäksi hiileksi, joka ei vapaudu ilmakehään ilmastonmuutosta edistämään.

Keipin kehittämä vedyntuotantomenetelmä leikkaa vedyntuotannon CO2-päästöjä radikaalisti.

– Menetelmällä voi tuottaa vetyä nykyistä vähemmillä CO2-päästöillä. Mutta lopputuotteena syntyvälle kiinteälle hiilelle pitää olla järkevä käyttökohde, jotta se olisi taloudellisesti kannattavaa, Keipi kiteyttää väitöstyönsä päätulokset.

Keipin tutkima TDM-menetelmä (Thermal Decomposition of Methane) ei ole uusi keksintö. Se on ollut käytössä jo sata vuotta sitten, kun kumipyörien vallankumous oli alkamassa. Pian kumiteollisuus siirtyi kuitenkin halvempiin menetelmiin renkaiden valmistuksessa tarvittavan hiilimustan tuotannossa. 

TDM-menetelmä tuli uudelleen käyttöön 1990-luvun ihmemateriaalin hiilinanoputkien valmistuksessa. Samoihin aikoihin Florida Solar Energy Centerin tutkimusprofessori Nazim Muradov ehdotti ensimmäisenä tutkijana menetelmän hyödyntämistä vedyn valmistuksessa. 

Keipi päätyi tutkimaan aihetta, kun hänen pomonsa, termisiin prosesseihin erikoistunut TTY:n emeritusprofessori Risto Raiko sai alan yritykset innostumaan menetelmästä, joka voisi tasoittaa tietä vetytalouteen. Tekesin rahoittamassa tutkimushankkeessa olivat mukana eturivin suomalaiset energiajätit Fortum, Gasum, Neste ja Helen. Kun professori ehdotti Keipille projektista väitösaihetta, päätti hän tarttua haasteeseen.

Koereaktori omaa suunnittelua

Työ imaisi väitöskirjastaan palkitun Tiina Keipin vetytalouden pariin. – Väitöskirjan aihe olisi voinut olla mikä tahansa muukin.

Kirjallisuusselvityksen pohjalta TTY:n tutkijat ideoivat uudenlaisen TDM-reaktorin, jota ei oltu aikaisemmin kokeiltu.

– Sen pohjalta lähdimme rakentamaan demolaitteistoa, Tiina Keipi kertoo. 

Koelaitteisto ei ollut mikään pöytämalli.

– Halusimme, että tulokset skaalautuisivat vähän isompaan kokoluokkaan. 

Lopputulos on vaikuttava, laboratoriohalliin noussut viiden metrin korkuinen putkihäkkyrä. Sen sydämenä ovat 60 kW:n lämpövastukset, jotka lämmittävät reaktoriin virtaavan kaasuseoksen jopa 1 200 asteen lämpötilaan.

– Saamme mitattua laitteistolla, mitä kaasua menee sisään ja mitä tulee ulos, sekä pääteltyä mallinnuksen avulla, mitä reaktorin sisällä tapahtuu. 

Keipi vastasi laitteiston suunnittelusta, ja suurelta osin myös rakentamisesta. Sähkö- ja hitsaustyöt tekivät toki alan ammattilaiset. 

– Kyllä siinä on tunteja mennyt, laitteistoa kasatessa ja instrumentoidessa.

Jännittävin vaihe väitöstyössä oli itse suunnitellun laitteiston ensitestit. Keipin vetytehdas ylitti odotukset. Sisään syötetty metaanin ja typen seos muuttui reaktorissa vetykaasuksi ja kiinteäksi hiileksi. 

– Saimme tehtyä kaikki suunnitellut testit ja paljon muutakin, mitä matkan varrella tuli mieleen. 

Kun laitteiston testiajot oli tehty, alkoi reaktion mallinnus. Sitä Keipi teki viiden kuukauden tutkijavierailullaan Trondheimissa.

– Tampereella on hyvä tutkimusinfra kokeellista tutkimusta varten. Laiteprotoja on rakennettu paljon, siitä oli minulle apua.

Norjalainen tutkimusryhmä oli taas erikoistunut palamisreaktioiden mallintamiseen.

– Sain sieltä hyviä apuja TDM-reaktion mallinnukseen.

Vierailun aikana syntyi väitöskirjan tieteellisesti paras paperi. Keipin rakentama matemaattinen malli kuvaa hyvin koelaitteiston sielunelämää.

– Suurin onnistuminen oli, että sain yhdistettyä kokeelliset mittaustulokset ja mallin niin hyvin. Palaset sopivat hyvin yhteen.

Päästöoikeuden hinta ratkaisee

Tampereen yliopistossa on paljon kokemusta koelaitteistojen rakentamisesta.
 – Oli valtavan palkitsevaa, kun saimme tämän laitteiston toimimaan ja halutut testit tehtyä, Tiina Keipi sanoo.

Väitöstyön viimeinen julkaisu keskittyy menetelmän taloudelliseen kannattavuuteen. Tiina Keipin laskelmien perusteella TDM on nykyistä höyryreformointia halvempi tuotantotapa, jos päästöoikeuksien hinta nousee nykyisestä, ja lopputuotteena syntyvälle tuotehiilelle on markkinoita myös tulevaisuudessa.

Hiilimustaa käytetään nykyisin esimerkiksi kumiteollisuudessa ja vedenpuhdistuksessa.

Parhaimmillaan TDM-menetelmä olisi hajautetussa vedyntuotannossa ja keskisuurissa, yli 1 000 vetykuutiota tunnissa tuottavissa laitoksissa. Tällainen tuotantoyksikkö voisi toimia esimerkiksi 500 vetyautoa päivässä tankkaavan vetyaseman yhteydessä. Raaka-ainetta laitokselle voisi toimittaa nykyisen maakaasuverkon avulla. 

– Näin nykyisellä infrastruktuurilla päästäisiin nopeasti kohti vetytaloutta, Keipi pohtii.

– Ajattelen tätä nimenomaan siirtymävaiheen teknologiana, koska pohjana on edelleen metaani, joka on pääosin fossiilista.

Vetytalouden lopullinen tavoite on kuitenkin Keipin mukaan selvä: vedyn tuotanto elektrolyysillä ja uusiutu-
villa energialähteillä. 

– Jos mietitään uusiutuvan energian tuotannon tasaamista, on vedyn varastointi isossa mittakaavassa helpompaa kuin sähkön varastointi. Vety on myös monikäyttöistä. Se toimii paitsi energianlähteenä, myös kemian teollisuuden raaka-aineena.

Vedyn varastointi on isossa mittakaavassa helpompaa kuin sähkön.

Niin vastaväittäjä kuin TEKin ja TFiFin vuoden väitöskirjapalkinnon raati kiittelivät Keipin työn laaja-alaisuutta.

– Tällä alalla kysytään usein, teetkö mallinnusta vai kokeellista tutkimusta. Minä tein molempia, ja vielä vähän muutakin.

Väitöstyössä syntyivät myös kannattavuuslaskelmat sekä karkea suunnitteluohje teollisen mittakaavan laitteiston toteuttamiseen.

– Aihe oli todella ajankohtainen, ja näimme, että työllä on kaupallista potentiaalia, TEKin asiamies Martti Kivioja perustelee palkinnonsaajan valintaa.

Keipi toivoo, että hänen väitöstyönsä päätyy tulevaisuudessa tutkijoiden lisäksi myös potentiaalisten sijoittajien luettavaksi. 

– Jos on kiinnostunut investoimaan tähän teknologiaan, tämä on hyvä lähtöaineisto. 

Väitöskirjapalkinto oli Keipille mieluisa yllätys. TEKin ja TFiFin lisäksi kovatasoisen väitöskirjan on ehättänyt palkitsemaan myös Tampereen kaupungin tiederahasto. Väitöstyön alkutaipaleella palkinnot eivät käyneet edes mielessä.

– Aluksi epäilytti, että tuleeko tästä mitään.

Käännekohta oli, kun kahden vuoden tutkimustyön jälkeen Keipi sai tutkijakoulupaikan ja rahoitus varmistui.

– Tuli olo, että nyt se pitää pistää purkkiin.

Tiina Keipin tie tekniikan tohtoriksi

  • 1988 Tiina Keipi syntyy Nousiaisissa.
  • 1994 Insinööritaipumukset paljastuvat esikoulussa.
    – Tykkäsin hirveästi pelata matemaattis-
loogisia Luko-pelejä.
  • 2007 Ylioppilaaksi Nousiaisten lukiosta, TTY:lle ympäristö- ja energiatekniikkaa opiskelemaan. 

    – Se kuulosti hyvältä vaihtoehdolta.
  • 2012 Keipi valmistuu DI:ksi, aloittaa yliopistolla tutkijana. 

    – Tein aluksi kokeellista tutkimusta ilman väitössuunnitelmia.
  • 2014 Jatko-opinnot käyntiin, kun sopiva väitösaihe ja siihen liittyvä tutkimusprojekti löytyvät.
  • 2016 Tutkijavierailu Trondheimissa Norjan teknis-luonnontieteellisessä yliopistossa.
  • 2017 Tiina Keipin väitöstyö Technology Development and Techno-Economic Analysis of Hydrogen Production by Thermal Decomposition of Methane hyväksytään kiitettävällä arvosanalla.
  • 2018 Keipi aloittaa työt 
Valmetilla.
  • 2019 Keipi vastaanottaa TEKin ja TFiFin väitöskirjapalkinnon vuoden parhaasta väitöskirjasta.

Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
Toivon, että voisin edes­auttaa materiaalien ja 
energian tehokkaampaa käyttöä, vähentää päästöjä ja tehdä sitä kautta maailmaa paremmaksi.

Suosikki
leikkikalu?
Perinteinen paperivihko. Muistiinpanot tulee tehtyä käsin.

Lempiharrastus?
Ruuanlaitto, kuntosali, ratsastus, lukeminen. Olen ratsastanut lapsesta asti. Hevosen selässä ei voi paljoa ajatella työasioita.

Soodakattiloita ympäri maailmaa

Tänään Tiina Keipin käyntikortissa lukee Product Engineer (Recovery boilers). Väitöskirjan valmistuttua työpaikka löytyi nopeasti Valmetilta.

– Me toimitamme teknologiaa, automaatiota ja palveluita sellu-, paperi- ja energiateollisuudelle.

Keipin tuotevastuulla ovat sellunvalmistuksen soodakattilat.

– Sellunkeiton kemikaalit otetaan kattilassa talteen ja saadaan palautettua takaisin käyttöön.

Juuri nyt työn alla on kattilatoimitus Chileen. Kyse ei ole nappikaupasta, sillä koko toimituksen arvo on 300 miljoonaa euroa. 

Väitöskirjan teosta on ollut paljon iloa nykytyössä. Väitösprojektissa tuli hankittua kaikki tuoteinsinöörin hyödylliset kansalaistaidot projektinhallinnasta aina rahoitusneuvotteluihin.

– Se opetti itsenäistä työskentelyä ja ottamaan asioista selvää. Väitöstyön prosessisuunnittelu ja -mitoitus olivat nekin samaa hommaa kuin nykytyössä, vähän pienemmässä mittakaavassa vain.