Kemianteollisuudella on edessään uusien ratkaisujen aika. Ala on vastuussa noin seitsemästä prosentista maailman hiilidioksidipäästöistä, ja siksi sen on löydettävä nopeasti keinoja vähentää riippuvuuttaan fossiilisista raaka-aineista.
Lue tiivistelmä
- VTT on kehittänyt taloudellisesti kilpailukykyisiä sähkökemiallisen tuotannon ketjuja, joissa hiilidioksidia ja biopohjaisia raaka-aineita yhdistetään vähäpäästöisten muovien valmistamiseksi.
- Sähkökemiallisten prosessien joustavuus sähkön hinnan ja saatavuuden mukaan lisää niiden kustannustehokkuutta ja mahdollistaa uuden liiketoiminnan kehittämisen.
- Laaja yhteistyö ja johdonmukainen poliittinen tuki ovat keskeisiä sähkökemiallisten teknologioiden onnistuneelle teollistamiselle.
Tiivistelmä on tekoälyn tekemä ja ihmisen tarkistama.
Perinteisesti kemikaalien valmistus on nojannut vahvasti fossiilipohjaisiin lähtöaineisiin ja energiaintensiivisiin prosesseihin, kuten höyrykrakkaukseen.
”Vaikka nämä menetelmät ovat olleet teollisen kehityksen keskeisiä ajureita, niihin liittyy myös huomattavia ilmastovaikutuksia. Tällä hetkellä ne hidastavat merkittävästi ilmastotavoitteiden saavuttamista”, toteaa tutkimusryhmän vetäjä Alexander Reznichenko VTT:ltä.
Nyt horisontissa siintää muutos. Uudet teknologiat, jotka hyödyntävät uusiutuvaa energiaa kemiallisten reaktioiden käyttövoimana, avaavat väyliä päästöttömään tuotantoon. Ne mahdollistavat fossiilivapaiden, vähäpäästöisten raaka-aineiden käytön ja pienentävät merkittävästi tuotannon hiilijalanjälkeä.
Hiilijalanjälki voi pienentyä 90 % - avainasemassa sähkökemiallinen jalostus
Monet tekijät tukevat käynnissä olevaa muutosta. Kysyntä uusiutuvista ja kiertotaloutta tukevista ratkaisuista kasvaa nopeasti materiaalien koko arvoketjussa. Samalla kehitetään lainsäädäntöä ja sertifiointijärjestelmiä, jotta uudet tuotteet saadaan helpommin markkinoille.
Fossiilivapaaseen kemikaalituotantoon siirtyminen ei kuitenkaan ole yksinkertaista. Sen haasteita ovat muun muassa korkea energiankulutus, rajallisesti saatavilla olevat biopohjaiset raaka-aineet ja se, että uusien teknologioiden kehitys on vielä melko varhaisessa vaiheessa.
”Ratkaisun avaimet ovat sähkökemiallisessa jalostuksessa”, kertoo VTT:n erikoistutkija Tom Wirtanen. ”Menetelmässä muunnetaan yksinkertaisia molekyylejä arvokkaiksi kemikaaleiksi käyttämällä sähköä – mielellään uusiutuvista lähteistä – ilman fossiilipohjaisia välivaiheita.”
Sähkökemiallisen jalostuksen potentiaaliset vaikutukset ovat mittavia. Esimerkiksi petrokemian ja muovien tuotannossa voidaan päästä merkittäviin päästövähennyksiin. Nykyiset biojalostamot ja sellutehtaat voivat hyödyntää ylijäämäenergiaansa valmistamalla korkean lisäarvon kemikaaleja ja samalla pienentäen omaa ympäristökuormaansa.
Sähkökemialliset prosessit voivat parhaimmillaan kutistaa kemianteollisuuden hiilijalanjälkeä jopa 90 prosenttia
Kilpailukykyiset kustannukset
VTT on kehittänyt useita sähkökemiallisia tuotantoketjuja, joissa arvokkaita molekyylejä valmistetaan kokonaan hiilidioksidista tai sen ja biopohjaisten raaka-aineiden yhdistelmästä. Näistä voidaan edelleen jalostaa tuotteita, joita käytetään esimerkiksi pinnoitteissa, tekstiileissä, pakkauksissa ja erikoismuoveissa.
”Me VTT:llä uskomme, että todellinen vaikutus syntyy vasta, kun tuotantomäärät ovat riittävän suuria. Siksi keskitymme erityisesti volyymituotteiden päästöjen vähentämiseen”, Reznichenko kertoo.
VTT:n kehittämien tuotantoketjujen ytimessä ovat muun muassa:
- Polyolit, kuten etyleeniglykoli ja propeeniglykoli. Etyleeniglykoli on keskeistä esimerkiksi pulloissa ja tekstiileissä käytetyn PET-muovin tuotannossa. Propeeliglykolia käytetään useilla teollisuudenaloilla, muun muassa elintarvikkeissa, kosmetiikassa, lääketeollisuudessa ja jäähdytinnesteenä.
- α-hydroksihapot, kuten glykolihappo ja maitohappo, jotka toimivat biohajoavien muovien, kuten polyglykolihapon ja polymaitohapon raaka-aineina. Näitä käytetään niin pakkauksissa kuin kulutustavaroissakin.
- Dikarboksyylihapot, kuten sukkiniini- ja adipiinihappo, joita hyödynnetään polyestereissä ja polyamideissa, kuten nailonissa.
Nämä menetelmät eivät ole enää välttämättä hintavampia kuin perinteiset ratkaisut.
”Laskelmiemme mukaan osa tuotantoreiteistä on jo nyt taloudellisesti kannattavia. Siksi esimerkiksi sääntelyn kehittämistä ei tarvitse tai kannata jäädä odottamaan. Yhdistämällä hiilidioksidin ja biopohjaiset raaka-aineet voidaan ottaa käyttöön uusiutuvia muoveja, joissa on aidosti vähäpäästöinen hiilipohja”, Wirtanen sanoo.
Tuotantomäärä joustaa sähkön saatavuuden mukaan
Yksi sähkökemiallisten prosessien eduista on niiden joustavuus. Tuotantomäärää voi säätää sähkön hinnan ja saatavuuden mukaan, mikä lisää prosessien kustannustehokkuutta. Lisäksi ne toimivat matalammissa lämpötiloissa kuin perinteiset menetelmät, mikä vähentää energian tarvetta.
VTT:llä on käytössään kehittyneet testausympäristöt ja pilottilaitteistot, joiden avulla yritykset voivat viedä teknologiat nopeasti laboratoriosta teolliseen mittakaavaan.
”Autamme asiakkaita tunnistamaan lupaavimmat katalyytit ja tuotantomenetelmät nopeasti”, Wirtanen kertoo.
Uusia liiketoimintamahdollisuuksia avautuu
Vaikka näkymät ovat lupaavat, ei murros tule tapahtumaan hetkessä. Teknologia tarvitsee vielä kehitystä, uusiutuvan sähkön hinnan vakaus on keskeinen kysymys, ja skaalattavia esimerkkitoteutuksia tarvitaan.
”Laaja yhteistyö, johdonmukainen poliittinen tuki ja demohankkeet ovat olennaisia seuraavia askelia”, Reznichenko painottaa.
Kun sähköstä tulee kemianteollisuuden ensisijainen käyttövoima, vaikutukset ulottuvat paljon päästövähennyksiä laajemmalle.
”Näillä teknologioilla voidaan avata kokonaan uusia liiketoimintamalleja. Ne tarjoavat mahdollisuuksia myös uusille toimijoille ja kasvuyrityksille kehittää innovatiivisia tuotteita ja ratkaisuja”, Reznichenko summaa.
