Hiilidioksidin talteenotolla ja hyötykäyttöteknologioilla on paljon potentiaalia ilmastovaikutusten vähentämisessä

Artikkelit
Vafa Järnefelt

Hiilidioksidin talteenotto-, käyttö- ja varastointiteknologioilla on valtava potentiaali ympäristövaikutusten vähentämisessä ja ilmastonmuutoksen hillitsemisessä. Nämä teknologiat eivät kuitenkaan yksin ratkaise ilmastokriisiä. Ilmastonmuutoksen hillinnän näkökulmasta pitäisi ensisijaisesti pyrkiä välttämään ja vähentämään päästöjä, ja samaan aikaan tuottamaan ratkaisuja tämän päivän kiireellisimpiin haasteisiin, joihin nämä CCU- ja CCS-teknologiat sekä niiden yhdistelmä voivat olla toimiva osaratkaisu muiden teknologioiden rinnalla.

Hallitustenvälisen ilmastopaneeli IPCC:n julkaiseman tuoreimman raportin mukaan ilmastonmuutoksen hillintä vaatii nopeita päästöleikkauksia. Maapallon lämpeneminen tulisi pysäyttää selvästi alle kahden, jopa alle 1,5 asteen. Tähän tavoitteeseen on yhä mahdollisuus päästä. Rivakoita toimenpiteitä tarvitaan kuitenkin monella saralla. On esimerkiksi siirryttävä päästöttömiin energialähteisiin, lisättävä tuotantoprosessien energiatehokkuutta ja edistettävä kiertotaloutta ja kestävää ruoantuotantoa. Hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö (englanniksi CCU, carbon capture and utilisation) sekä talteenotto ja varastointi (englanniksi CCS, carbon capture and storage) tuovat lupaavan lisäratkaisun ongelmaan. CCU-teknologioilla voidaan tuottaa hiilidioksidipohjaisia raaka-aineita esimerkiksi korvaamaan fossiilisia ja bioperäisiä raaka-aineita. CCS-teknologioilla hiilidioksidi puolestaan pyritään varastoimaan pysyvästi esimerkiksi maanpinnan tai merenpohjan alaisiin geologisiin muodostumiin.

BECCU-hankkeen konsepti polyolien valmistukseen

Yksi CCU-teknologioiden käyttömahdollisuuksista on valmistaa talteenotetusta hiilidioksidista erilaisia polttoaineita ja kemikaaleja. Business Finlandin rahoittamassa BECCU-hankkeessa (Bio-Energy with Carbon Capture and Utilisation) VTT ja suuri joukko suomalaisia yrityksiä tutkivat ja kehittävät bioperäisen hiilidioksidin talteenottoa ja hyödyntämistä erityyppisten polyolien ja liikennepolttoaineiden valmistuksessa. Keskiössä ovat polykarbonaattipolyolit, jotka ovat erikoiskemikaaleja, joita voidaan käyttää erilaisten polyuretaanisovellusten, kuten esimerkiksi liimojen, rakennusten eristelevyjen ja päivittäistavaroiden (vaikkapa kenkien) valmistuksessa. Hiilidioksidin hyödyntämisen lisäksi BECCU-hankkeen tavoitteena on vähentää prosessin ympäristövaikutuksia ja ylittää tavanomaisten polyuretaanisovelluksissa käytettävien polyolien ominaisuudet.
 
BECCU-konseptin mukaisella polykarbonaattipolyolilla voidaan korvata perinteistä, fossiilisista raaka-aineista valmistettua polyeetteripolyolia. Parhaillaan polykarbonaattipolyolille löytyy esikaupallistettu vähäpäästöisempi reitti, jossa hiilidioksidia käytetään polyolin valmistusprosessin loppupäässä (polymerisaatiovaiheessa lisätty hiilidioksidi), jolloin polyolin hiilisisällöstä parhaimmillaankin noin 30 % on lähtöisin talteenotetusta hiilidioksidista. BECCU- konseptissa taas kaikki polyolin valmistukseen tarvittava hiili saadaan talteenotetusta hiilidioksidista.

VTT CO2

CCU-teknologioiden epäsuorat päästöt

Hiilidioksidin talteenotto- ja hyötykäyttöteknologioista aiheutuu myös niin sanottuja epäsuoria päästöjä. Ne liittyvät valmistusprosessissa kuluvaan energiaan ja raaka-aineisiin. Näin ollen ei voida sanoa, että yksikään teollisuudessa käytettäväksi suunniteltu CCU-teknologia olisi täysin nollapäästöinen. 

Osa hiilidioksidipohjaisten tuotteiden valmistukseen tarvittavasta energiasta on mahdollista saada hyötykäyttöprosessista itsestään, esimerkiksi syntynyttä lämpöä voidaan hyödyntää, mutta lisäksi tarvitaan systeemin ulkopuolista energiaa. Sillä, käytetäänkö konseptissa energianlähteenä maakaasua, tuulta, ydinvoimaa tai aurinkoa, saadaan merkittäviä eroja konseptille laskettuihin ympäristövaikutuksiin.

Moni teollinen CCU-konsepti hyödyntää vetyä. Vetyä voidaan tuottaa esimerkiksi elektrolyysillä, jossa vettä hajotetaan sähkön avulla vedyksi ja hapeksi. Elektrolyysi kuluttaa merkittävän määrän sähköä. Elinkaariarvioinnit osoittavat, että jotta tällaisen CCU-teknologian käyttö olisi ilmastovaikutusten kannalta hyödyllistä, vetyä täytyisi tuottaa vähäpäästöisellä energialla, kuten tuulivoimalla.

CCU-teknologioiden ympäristökestävyysarviointien haasteet

CCU-teknologiaa soveltamalla tuotetun polyeetterikarbonaattipolyolin elinkaariarvioinnin tulosten mukaan hiilidioksidin käyttö raaka-aineena vähentää sekä valmistuksen kokonaishiilidioksidipäästöjä että fossiilisten raaka-aineiden käyttöä tavanomaisen polyolin valmistukseen verrattuna. Samaan aikaan täytyy huomioida, että hiilidioksidin talteenotto ja käyttöteknologiat ovat varhaisessa kehitysvaiheessa, ja siksi niiden ympäristöarviointeihin liittyy epävarmuuksia. 

Kestävyysarviointimenetelmistä elinkaariarviointi (LCA, life cycle assessment) on maailmanlaajuisesti hyväksytty ja käytetty menetelmä myös CCU-teknologioiden arvioinnissa. LCA-laskennan avulla voidaan saada kokonaiskuva tuotteiden, palveluiden tai järjestelmien ympäristövaikutuksista. LCA:n soveltaminen CCU-teknologioiden arviointiin ei ole kuitenkaan vielä vakiintunut käytäntö, mikä on puolestaan johtanut alalla toisistaan poikkeaviin tuloksiin saman teknologian arvioinneissa tehden tuloksista epävarmoja. Systeemin rajaus, tuplalaskentojen välttäminen sekä erityisesti vertailtavien skenaarioiden rajausten määrittäminen niin, että vertailut ovat totuuden mukaisia, tekevät CCU-teknologioiden elinkaariarvioinneista haastavia. CCU-teknologioiden elinkaariarviointien kehittämistä varten on perustettu Yhdysvalloissa Michiganin yliopistosta käsin toimiva The Global CO2 Initiative -verkosto, jossa on mukana tiedeyhteisön jäseniä ympäri maailmaa tavoitteenaan yhtenäistää CCU-teknologioiden elinkaariarviointeihin liittyvää tarkastelua, menetelmien soveltamista ja päätöksentekoa.

Niin erilaisten kuin samantyyppistenkin CCU- ja CCS-teknologioiden ympäristövaikutusten vertaaminen on tärkeää, kun arvotetaan niiden kestävyyttä vallitseviin ratkaisuihin. On ensiarvoisen tärkeää ymmärtää olemassa olevien ja kehitteillä olevien ratkaisujen eroja niin tarkasti kuin pystytään. Väärin tehdyt arvioinnit voivat johtaa virheisiin päätöksenteossa, ohjata tutkimusta väärään suuntaan sekä vaikuttaa pahimmillaan vääränlaisten teknologioiden valintaan ja kannattamattomiin investointeihin, jotka voivat olla ovat käytössä vähintään seuraavat 20–30 vuotta.

CCU-teknologioiden mahdollisuudet ilmastonmuutoksen hillinnässä

CCU-teknologian käyttämä määrä hiilidioksidia ei useinkaan vastaa poistetun tai varastoidun hiilidioksidin määrää. Lisäksi hiilidioksidin käyttö ei aina vähennä päästöjä tai johda ilmastonmuutoksen hillintään, kun teknologian epäsuorat vaikutukset otetaan huomioon. Silti näiden teknologioiden hyödyntäminen esimerkiksi polykarbonaattipolyolin tuotannossa on vähäpäästöisempää kuin vastaava tuotanto muulla tapaa. Hiilidioksidin varastoinnin pysyvyys vaihtelee CCU-teknologiasta toiseen, jossa varastointiaika voi olla päivästä tuhansiin vuosiin. CCU-ratkaisun kokonaisilmastovaikutus on myös pitkälti riippuvainen käytettävissä prosesseissa syntyvien päästöjen kokonaismäärästä eli päästöintensiteetistä. Ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi tarvitaan hiilinieluja ja teknologioita, joiden avulla hiilidioksidi voidaan varastoida hyvin pitkäksi aikaa, puhutaan vähintään vuosisadoista tai vuosituhansista. Toisaalta jo esimerkiksi polyoleista valmistettavilla rakennusten eristemateriaaleilla, joilla hiili sidotaan kierrosta useiksi vuosikymmeniksi, voi olla merkitys ilmastonmuutoksen hillinnän kriittisimmän ajanjakson yli. Jotta ilmastonmuutoksen hillinnässä voidaan merkittävästi edistyä, pitäisi pikaisesti satsata teknologioihin, joilla on mahdollista saavuttaa nettonegatiiviset päästöt. Toisin sanoen, pitäisi pyrkiä siihen, että hiilidioksidia sidotaan enemmän kuin sitä syntyy. 

Jos prosesseista vapautuva hiilidioksidi saadaan hyödynnettyä raaka-aineena, parhaimmillaan lopputuotteen päästöt sekä fossiilisten raaka-aineiden käyttö vähenevät. Toisaalta esimerkiksi monet (mutta eivät kaikki) teolliset hiilidioksidinkäyttökohteet, kuten hiilidioksidipohjaiset polttoaineet ja kemikaalit voidaan luokitella ”kiertäviksi”; ne poistavat hiilidioksidia teollisuuden pistelähteistä vain päiviksi, viikoiksi, kuukausiksi tai parhaassa tapauksessa vuosikymmeniksi. Näin olleen ns. kiertoon nopeasti päätyvät käyttökohteet eivät johda nettonegatiivisiin päästöihin, mutta niillä voi olla silti ilmastonmuutosta hillitsevä vaikutus. Ilmaston kannalta positiivisia vaikutuksia voidaan siis saavuttaa, jos CCU-teknologioiden käytöllä saadaan vähennettyä tuotannon kokonaispäästöjä. Lisäksi näiden teknologioiden käyttö voi vaikuttaa lähiympäristössä välillisesti muullakin tavalla, esimerkiksi vähentäen vesistöjen rehevöitymistä tai happamoitumista. 

Vuoden 2019 Nature lehden julkaisun (Hepburn et al.) mukaan pitkällä tähtäimellä lyhyen aikavälin CCU-käyttökohteiden hiilidioksidin kierto pitäisi saada suljettua, jotta päästään nettonollapäästöihin, mikä tarkoittaa, että hiilidioksidia pitäisi ottaa käyttöön (resurssina) suoraan ilmakehästä DAC-teknologioilla (direct air capture) tai varastoida pysyvämmin erilaisilla maankäyttötavoilla, kuten fotosynteesillä (metsittäminen) tai hiilidioksidia mineralisoimalla. Vaikka DAC on kaupallistettu teknologia, sen käyttöön liittyy monenlaisia haasteita, kuten esimerkiksi merkittävä päästöttömän energian tarve ja korkea hintataso. Samaan aikaan täytyy huomioida, että pysyvän varastoinnin ratkaisuilla on omat hiilen vapautumiseen liittyvät riskinsä. 

CCU- ja CCS-teknologioilla on valtava potentiaali ympäristövaikutusten vähentämisessä sekä oikein sovellettuna ilmastonmuutoksen hillitsemisessä. Jotta positiivisia ilmastovaikutuksia saadaan aikaan, näiden teknologioiden on toimittava päästöttömällä energialla. Vähähiiliseen energiajärjestelmään siirryttäessä CCU- ja CCS-teknologiat sekä niiden yhdistelmä voivat olla toimiva osaratkaisu ilmastokriisin ratkaisemisessa muiden teknologioiden rinnalla. 

BECCU-konseptin elinkaariarviointityö on parhaillaan käynnissä. Tähän asti tehdyt LCA-mallit ovat tuottaneet tietoa polyolituotannon ympäristövaikutuksista. Malleja päivitetään koedatan perusteella sekä tarkennetaan. Tulokset julkaistaan hankkeen loppupuolella vuoden 2022 aikana. Projektin tuloksista ja tapahtumista tiedotetaan BECCU:n nettisivuilla (beccu.fi) sekä LinkedInissä.

Artikkeli on julkaistu Ympäristö ja Terveys -lehden numerossa 6/2021.

Jaa
Vafa Järnefelt

Vafa Järnefelt

Research Scientist