Carbonaide tähtää hiilinegatiiviseen betoniteknologiaan

Artikkelit
Tapio Vehmas

Betonitehtaan kovetustilan kyljessä Hollolassa on kontti, jossa piilee ratkaisu hiilinegatiivisen betonin valmistamiseen. Kontissa hiilidioksidia sitoutetaan automatisoidulla järjestelmällä betonikappaleisiin. Prosessi tapahtuu ilmanpaineessa ja on helposti toteutettavissa nykyisissä tuotantoprosesseissa.

Carbonaide-tiimiä vetävä VTT:n erikoistutkija Tapio Vehmas kertoo menetelmän kehitysvaiheista. Sen kaupallistaminen spin-off-yrityksenä etenee parhaillaan VTT LaunchPad -yrityshautomon tukemana.

Betoni on yksi suurimmista yksittäisistä hiilidioksidin päästölähteistä. VTT:n tutkijat kehittivät ratkaisun, jolla voidaan valmistaa hiilinegatiivisia  betonituotteita. Laskennallinen hiilinegatiivisuus saavutetaan, kun tehokas karbonointiprosessi yhdistetään matalan hiilijalanjäljen sideaineisiin. Vuonna 2019, VTT demonstroi hiilinegatiivisen betonin karbonoimalla terästeollisuuden masuunikuonaa ja paperiteollisuuden sivuainevirtoja. Jos viisi-kerroksinen talo rakennettaisiin Carbonaide-menetelmällä valmistetusta hiilinegatiivisesta betonista, vältyttäisiin 440 tonnilta hiilidioksidipäästöjä. 

”Olemme tähän mennessä ajaneet Hollolassa viisi koeajoa. Johtopäätös on selkeä: hiilinegatiivisen betonin valmistus tällä karbonointimenetelmällä on toteutettavissa. Se on hyvä alku uuden startup-yrityksen perustamiselle”, toteaa erikoistutkija Tapio Vehmas.

Hiilidioksidilla on taipumus sitoutua betoniin eli karbonatisoitua, mikä aiheuttaa raudoitteiden ruostumista, mikä puolestaan rikkoo betonirakenteita. ”Käänsimme haitan hyödyksi. Carbonaide-menetelmällä betoninvalmistuksen laskennallinen hiilijalanjälki on hiilinegatiivinen: -60 kg hiilidioksidia betonikuutiota kohden. Tavanomaisen betonin hiilijalanjälki on noin 250–300 kg hiilidioksidia kuutiota kohti”, kertoo Vehmas.

VTT:llä on tutkittu betonirakenteita koko sen 80-vuotisen historian aikana. Betonin karbonatisoituminen on ollut merkittävä tutkimuskohde ja 70-luvulla saatiin aikaan mullistavia tutkimustuloksia. Tutkimus kohdistui pääasiassa karbonatisoitumisen aiheuttamiin ongelmiin. Myönteiset ominaisuudet tulivat esiin, kun VTT:llä kehitettiin ensimmäiset konseptit hiilensidontaan ja -hyödyntämiseen vuonna 2010. Tutkimusaallon uudelle harjalle päästiin vuonna 2016, kun VTT kehitti Euroopan aluekehitysrahaston (EAKR) hankkeessa biogeenisen hiilidioksidin arvoketjua ja hyödyntämistä. 

”Projektissa tutkija Sampo Mäkikouri selvitti, missä ja miten hiilidioksidia voitaisiin hyödyntää, ja betoni tuli esiin yhtenä mahdollisuutena. Karbonatisoitumisen näimme kuitenkin edelleen haittana ja pohdimme, kannattaako tutkimusta enää jatkaa”, muistelee Vehmas. 

Tutkimus sai käänteen oivalluksesta: ”Hiilidioksidilla, joka syötetään kappaleeseen kovettumisen aikana, voidaan samalla luoda karbonaattimineraalien muodostumiselle edulliset olosuhteet. Kun hiilidioksidi mineralisoidaan betoniin, muodostuu normaalista poikkeavia reaktiotuotteita. Tämän ansiosta voimme ottaa käyttöön sellaisia sivuvirtoja, joita ei ollut mahdollista aiemmin hyödyntää. Normaalisti kalsiumoksidin lisäämisellä ei saa mitään aikaiseksi, mutta jos käyttää karbonointiprosessia, muuttuu kalsiumoksidi reaktiiviseksi sideaineeksi”, kertoo Vehmas.

Tutkimus eteni mallinnusvaiheeseen, jonka tulokset raportoitiin BioCO2-seminaarissa 2018. Sattumakin tuuppasi ideaa eteenpäin, kun Vehmas sai tilaisuuden esitellä ideaa VTT:n hallitukselle VTT:n tutkimushallissa 20 metriä merenpinnan alapuolella. ”Pidätkin huolen, ettei idea ei jää tänne maan alle”, kannusti VTT:n hallituksen edustaja. 

Tavoitteena Beyond the Obvious

BioCO2-seminaarin jälkeen alkoi uuden projektin valmistelu. ”Innostuimme VTT:n uudesta Beyond the Obvious -sloganista, ja asetimme tavoitteet sen mukaisesti. Päätimme kehittää hiilinegatiivisen betonin tietämättä tarkemmin, miten se yksityiskohtaisesti tehdään. Lähdimme selvittämään kokeellisesti, miten hiilidioksidi toimii betonissa, miten karboaluminaatteja muodostuu sekä miten se korvaa sementtiä ja alentaa hiilijalanjälkeä”, kertoo Vehmas. VTT:n laaja-alaisen osaamisen avulla saatiin kehitettyä ensimmäiset hiilinegatiivisuuteen kykenevät sideainekonseptit.

Ratkaisu terästeollisuuden masuunikuonasta

Kokeet osoittivat, että terästeollisuuden sivuvirtana muodostuvaa masuunikuonaa voidaan myös tehokkaasti karbonoida. Karbonoitu masuunikuona toimii erinomaisena sideaineena ja alentaa betonin hiilijalanjälkeä huomattavasti - jopa negatiivisen puolelle. 

”Ihan heti tämä ei onnistunut, vaan jouduimme kehittämään materiaalikonseptia ja etsimään sopivia aktivaattoreita. Lopullinen sideainekombinaatio muodostui masuunikuonasta, viherlipeäsakasta ja biotuhkasta”, kertoo Vehmas.

Konseptin hiilinegatiivisuus perustuu masuunikuonalle laskettuun alhaiseen hiilijalanjälkeen, joka on nykyisin 42 kg hiilidioksidipäästöjä kuonatonnia kohti. Tilanne muuttuu, jos terästeollisuudessa muodostuvaan masuunikuonaan kohdennetaan enemmän hiilidioksidipäästöjä.

Hiilidioksidia betonikappaleeseen ilmakehän paineessa

”Haimme Business Finlandilta Research-to-Business-rahoitusta menetelmän kaupallistamismahdollisuuksien selvittämiseksi. Ilmeni, että jäte- ja sivuainevirtojen hyödyntäminen ei ole kaupallistettavissa, ja päätimme keskittyä maailman parhaan karbonointimenetelmän toteuttamiseen. Kaupallisessa selvityksessä ymmärsimme, että korkean paineen käyttö prosessissa ei tule olemaan kannattavaa ja tulee muodostamaan esteen prosessin teolliselle skaalattavuudelle. ”Tällä hetkellä pilot-laitteistomme kykenee karbonoimaan tuotteet ylipainemenetelmää tehokkaammin. Lisäksi laite operoi ilmakehän paineessa, joka tekee prosessista helposti kaupallistettavan,” kertoo Vehmas.

Lopulta edettiin pilotoinnin suunnitteluun ja toteutukseen. Automatisoitu karbonointimenetelmä rakennettiin konttiin, joka vietiin betonitehtaan kylkeen Hollolaan. Rakennusbetoni- ja Elementti on ollut mukana auttamassa koejärjestelyissä ja toiminut Carbonaiden -projektin ohjausryhmässä. Menetelmän pilotointi Hollolassa käynnistyi syksyllä 2021, ja tavoitteena on toteuttaa ensimmäiset kohteet kesällä 2022.
 

Carbonaide containers

”Olemme piilottaneet konttiin erityisen systeemin, jolla hiilidioksidi tunkeutetaan koekappaleisiin ilman ylipainetta. Keksinnön patentointi on aloitettu ja tavoitteena on skaalata prosessi teolliselle tasolle start-up-yrityksen ensimmäisen toimintavuoden aikana. Lisäksi meillä on patenttihakemus hiilinegatiivisen betonin kovettumismekanismista. Tulevaisuudessa hiilinegatiivisilla betonituotteilla tulee olemaan erityisarvo. Maailmalla on muutamia kilpailijoita, mutta uskon, että karbonointiin perustuva ratkaisumme on tehokkain ja sen ansaintalogiikka paras”, toteaa Vehmas. 

”Yrityksenä sijoittuisimme liiketoiminnan arvoketjussa betonituotemarkkinoiden ja päästökauppamarkkinoiden polttopisteeseen tarjoamalla betoniteollisuudelle helpon laiteratkaisun. Startup-yrityksen ansaintalogiikka perustuisi hiilensidonnan myymiseen eri päästökauppalustoilla. Jos sementti kallistuu ja hiilidioksidi halpenee, on tuote betoninvalmistajalle entistä kannattavampaa”, kertoo Vehmas.

Suomi on Vehmaksen mukaan hyvä paikka lähteä maailmalle, koska täällä on valmis kansainvälisten betonituotelaitteiden valmistajien verkosto. Hänen visionsa on, että maailmalla on kolmen vuoden kuluttua 100 Carbonaide-tuotantolaitetta ja vuoteen 2050 mennessä menetelmällä sidottaisiin noin 500 megatonnia hiilidioksidia vuosittain, mikä vastaa 10–20 % betonimarkkinoista. 

Tulevan startup-yrityksen tuote olisi betonitehtaan kovetustilan kylkeen liitettävä ratkaisu, joka sisältää automatisoidun järjestelmän, jota yrityksemme operoi. Ratkaisu voidaan toteuttaa missä vain ja tuote on helposti globaalisti skaalattava.

Carbonaide blocks

Carbonaide-tiimi on saanut VTT LaunchPad -yrityshautomossa tukea tutkijasta-yrittäjäksi-prosessiin, spin-off-yrityksen kehittämiseen ja rahoituksen rakentamiseen. Uutta yritystä ovat perustamassa Tapio Vehmaksen lisäksi kaksi muuta henkilöä.

Jaa
Tapio Vehmas

Tapio Vehmas

Senior Scientist