Uusi ympäristöystävällinen teknologia hiilidioksidin talteenottoon

Artikkelit
Tuula Kajolinna

Ilmastonmuutoksen pääasiallisena aiheuttajana olevat maailman hiilidioksidipäästöt ovat vuosittain noin 35 miljardia tonnia. Hiilidioksidin talteenotto, käyttö ja varastointi (carbon capture, utilization and storage, CCUS) on noussut varteenotettavaksi teknologiaksi, jolla haitallisia hiilidioksidipäästöjä voidaan vähentää. Energia- ja teollisuuslaitosten vuotuinen hiilidioksidin talteenottokapasiteetti vuonna 2021 oli kuitenkin vain 40 miljoonaa tonnia, mikä vastaa 0,1 prosenttia vuotuisista kokonaishiilidioksidipäästöistä (IEA, 2022). Jos merkittäviä päästövähennyksiä ei saavuteta nopeasti, on ilmastokriisin torjumiseksi tarpeen ottaa hiilidioksidi talteen päästölähteistä tai suoraan ilmakehästä.

Talteenotettua hiilidioksidia voidaan käyttää joko tuotteiden tai prosessien raaka-aineena tai varastoida pysyvästi maan alle, jotta estetään hiilidioksidin vapautuminen ilmakehään. Hiilidioksidin hyödyntämisellä on tulevaisuuden skenaarioissa keskeinen merkitys pyrittäessä saavuttamaan hiilineutraalius, mikä asettaa uusia vaatimuksia myös hiilen talteenotolle. Hiilidioksidin hyödyntämisessä on kuitenkin tiukkoja vaatimuksia talteenotetun kaasun laadulle mm. epäpuhtauksien, virtausten ja prosessiin liitettävyyden osalta, mikä edellyttää uusia teknologioita.

Mistä hiilidioksidia kestävällä tavalla ja mitä tarvitsee kehittää?

Hiilidioksidia saadaan nykyisin pääasiassa palamisprosessissa syntyvistä savukaasuista tai muista vastaavista savukaasuvirroista, mitä kutsutaan polton jälkeiseksi talteenotoksi. Hiilen talteenottoprosessit erilaisista lähteistä voidaan jaotella neljään luokkaan: polton jälkeiseen talteenottoon, ennen polttoa tapahtuvaan talteenottoon, happipolttoon ja polttoaineeseen sisältyvän hiilidioksidin talteenottoon. Polton jälkeinen talteenotto on yleensä niin sanottua piipunpääteknologiaa, joka voidaan integroida olemassa oleviin prosesseihin ilman suuria muutoksia, jolloin ne soveltuvat hyvin jälkiasennuksiin.  

Hiilidioksidin talteenottoon on kehitetty useita tekniikoita, kuten nestemäiset absorbentit, kiinteät adsorbentit, membraanit, kryogeeninen erotus, hapen kantajiin perustuva poltto ja sähkökemiallinen erotus. Kun käytetään nestemäisiä absorbentteja – mikä on tällä hetkellä yleisin menetelmä – hiilidioksidi imeytyy nestemäiseen liuokseen ja vapautuu erillisessä prosessivaiheessa regeneroitumalla, yleensä liuosta kuumentaen. Amiiniabsorbentteja käytetään yleisesti korkean teknologisen kypsyyden ja korkean talteenottotehon ansiosta. Amiinit kärsivät kuitenkin korkean energiaintensiteetin ja haitallisten amiinipohjaisten päästöjen kaltaisista haitoista, mikä on herättänyt kiinnostuksen kehittää vaihtoehtoisia teknologioita, jotka olisivat ympäristöystävällisempiä ja kuluttaisivat vähemmän energiaa.

VTT:n kehittämä uusi hiilidioksidin talteenottomenetelmä

VTT:llä kehitetään hiilidioksidin talteenottoon innovatiivista bikarbonaattiteknologiaa, joka voisi tarjota amiineihin nähden kestävämmän vaihtoehdon. Teknologiassamme hyödynnetään ympäristöystävällistä soodaliuosta, jota käytetään entistä tehokkaammin uuden kaasu-neste-sekoittimen kanssa, mikä nopeuttaa hiilidioksidin liukenemista nesteeseen. Soodaliuos voi sitoa jopa 30 kertaa enemmän hiilidioksidia kuin vesi, mutta sitä on silti lähes yhtä turvallista käsitellä kuin vettä. Prosessissa ei myöskään synny haitallisia epäpuhtauksia, mikä on merkittävä etu yleisesti käytettyihin amiiniabsorbentteihin verrattuna.  

Prosessi kehitettiin alun perin biokaasun puhdistamista varten, mutta sen potentiaali on tunnistettu sittemmin myös hiilidioksidin talteenotossa savukaasuista. Prosessia on aiemmin kokeiltu BioMet2020- ja BECCU-hankkeissa, joissa hiilidioksidia otettiin talteen synteettisistä kaasuseoksista, biomassan poltosta peräisin olevista savukaasuista ja raakabiokaasusta. E-fuel-hankkeessa pyrimme viemään soodaprosessia laajempaan mittakaavaan prosessisimulaatioiden ja käytännön kokeiden avulla. VTT:n TRL 5 -tason testipenkki on rakennettu konttiin, jossa testit voidaan tehdä myös kenttäolosuhteissa.

Miten VTT:n soodapohjainen talteenottoprosessi toimii?

VTT:n kehittämässä tehostetussa soodapuhdistusprosessissa käytetään natriumkarbonaatin (Na2CO3) vesiliuosta eli soodaa hiilidioksidin talteenottoon kemiallisen absorption avulla. Liuokseen liuennut hiilidioksidi reagoi soodan ja veden kanssa kemiallisen absorption kautta muodostaen natriumbikarbonaattia (NaHCO3) eli leivontasoodaa. Liuoksesta vapautetaan hiilidioksidi regenerointivaiheessa, jossa bikarbonaatti muunnetaan takaisin karbonaatiksi alipaineessa ja 65–75 °C:n lämpötilassa. Regeneroinnin jälkeen talteenottoliuos kierrätetään takaisin absorptiovaiheeseen. Näin syntyy tehokas hiilidioksidin talteenottojakso, jossa korvaavan absorbentin tarve on pieni. Tuotetun hiilidioksidivirran puhtaus on yli 95 tilavuusprosenttia, mitä voidaan tarvittaessa parantaa kuivaamalla ja poistamalla typpeä ennen hiilidioksidin kuljetusta ja/tai käyttöä.   

Prosessin tehokkuuden parantamiseksi kaasun ja nesteen sekoittumista tehostetaan uudella mikrokuplageneraattorilla, joka tuottaa hyvin pieniä kuplia. Ne mahdollistavat laajan kaasu-neste-reaktioalueen, jolla hiilidioksidi liukenee tehokkaasti liuottimeen, mikä parantaa hiilidioksidin absorptionopeutta. Suuri absorptionopeus pienentää reagointiin tarvittavan laitteiston tilavuutta ja näin mahdollisesti alentaa pääomakustannuksia perinteisiin absorptiokolonneihin verrattuna.

Soodapohjaisen talteenottoprosessin absorptiotehokkuustestit tasoittavat tietä prosessin laajentamiselle

Soodapohjaisen talteenottoprosessin laajentaminen edellyttää prosessin simulointia ja prosessiparametrien optimointia. Siksi oli tärkeää kerätä tietoja järjestelmän suorituskyvystä. Tavoitteeksi asetettiin absorptiotehon ajoparametrien tutkiminen. Tutkimuksissa tuotettiin luotettavaa dataa aineensiirrosta ja kinetiikasta käyttämällä erilaisia neste- ja kaasuvirtauksia. Testit tehtiin kesällä 2021 VTT:n tiloissa Espoossa. Testeissä käytettiin hiilidioksidin lähteenä synteettisiä kaasuseoksia, ja niissä mitattiin erilaisia parametreja (esim. pH, virtausnopeudet, CO2-pitoisuudet, liuennut happi ja kuplakoot suurnopeuskameralla). Testit tehtiin yhteistyössä VTT:n ja LUT:n (Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto) kanssa ja tulokset julkaistiin diplomityössä.  

Absorption tehokkuuskertoimet tarjoavat tärkeää tietoa prosessien laajentamista varten. Tässä tapauksessa tulokset osoittivat, että absorptioreaktio tapahtuu niin nopeasti, että ylimääräistä viiveaikaa ei tarvita, mikä mahdollistaa prosessin pienemmän koon ja sitä kautta pienemmät pääomakustannukset. Tulokset osoittivat myös, että hiilidioksidi liukenee soodaan noin 10 kertaa nopeammin kuin tavalliseen veteen. Suurempi tehokkuuskerroin tarkoittaa parempaa aineensiirtoa, ja kun siihen liittyvät prosessiparametrit tunnetaan, voidaan niitä optimoida edelleen. Absorptiojärjestelmän CO2-aineensiirtotehokkuus määritettiin ilman ja veden osalta 15 tilavuusprosentin CO2-kaasuseoksen ja 8 prosentin massakonsentraation Na2CO3-liuoksen kanssa. Ilmalla tehdyt testit liittyivät standardinmukaiseen liuenneen hapen menetelmään, jolla vertaillaan eri järjestelmien aineensiirtotehokkuutta. 

Jotta kaasu-neste-sekoittimen (mikrokuplageneraattorin) toiminnan vaikutus absorptiotehokkuuteen voitaisiin määrittää, kuplan koot ja nopeudet arvioitiin LUT:n käyttämän suurnopeuskameran avulla (katso kuva alla). Kuvan tallennus tehtiin kolmella eri tarkennusalueella läpinäkyvästä putkesta mikrokuplageneraattorin jälkeen. Mittaamalla keskimäärin 20 vähimmäiskokoista kuplaa ja 20 enimmäiskokoista kuplaa arvioitiin kuplan keskimääräinen koko. Soodaliuoksessa keskimääräiset kuplakoot olivat virtausparametreistä riippuen 334–2500 µm. Keskimääräinen kuplakoko vedessä oli 370–4140 µm. Yhdessä absorption kanssa tulokset osoittavat, että pienemmät kuplat merkitsevät suurempaa absorptiotehokkuutta. 

Jatkokehittämisen tarpeet ja kaupallisen mittakaavan kehittäminen

VTT:n uutta soodapohjaista hiilen talteenottoprosessia voidaan kehittää edelleen parantamalla regenerointiprosessia, optimoimalla lämpöä ja virtausnopeuksia sekä kartoittamalla erilaisia lämmön integrointivaihtoehtoja, joita voitaisiin hyödyntää teollisuuslaitoksissa. Kleener Power Solutions Oy on aloittanut prosessin kaupallistamisen. 

Linkit aiheeseen liittyviin diplomitöihin 

Linjala, Onni. Review on Post-Combustion Carbon Capture Technologies and Capture of Biogenic CO2 Using Pilot-Scale Equipment. Lappeenranta-Lahden teknillinen yliopisto LUT. 2021. https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202103046520 

Narayanasamy, Mohankumar. Mass Transfer Efficiency for CO2 Capture Using Soda Solutions. Lappeenranta-Lahden teknillinen yliopisto LUT. 2021. http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021110954433 

 

Yläkuvassa  VTT:n ja LUT:n testiryhmä VTT:n testaustiloissa Espoossa elokuussa 2021. Kuvassa ovat Mohankumar Narayanasamy (LUT), Tuula Kajolinna (VTT), Kristian Melin (LUT), Andrey Saren (LUT) ja Johannes Roine (VTT). Kuva: VTT

E-fuel-hanke Suomessa  

Nesteen Veturi-ohjelman E-fuel-hanke käynnistettiin vuoden 2021 alussa. Hankkeessa pyritään sähköpolttoaineiden laajamittaiseen tuotantoon ja kaupallistamiseen, ja siinä on mukana 15 kumppania. Sähköpolttoaineiden kehittämiseen on osoitettu E-fuel-hankkeessa yli kuusi miljoonaa euroa. 

Yksi hankkeen yleisistä tavoitteista on parantaa hiilidioksidin talteenottoa savukaasusta ja teollisista lähteistä peräisin olevan hiilidioksidin puhdistusta synteesi- tai yhteiselektrolyysitarkoituksiin. Polton jälkeinen hiilidioksidin talteenotto, jossa pyritään hiilidioksidin talteenottoon savukaasusta, on tällä hetkellä yleisimmin käytetty menetelmä. Piipunpääteknologiana polton jälkeinen talteenotto soveltuu jälkiasentamiseen. 

E-fuels-hankkeessa testataan myös sähköpolttoaineen tuotantoa merikonteissa sijaitsevissa penkkimittakaavan yksiköissä käyttäen todellisia hiilidioksidin syöttöjä. Testattuun konseptiin sisältyy hiilidioksidin talteenotto savukaasusta, vedyn tuotanto elektrolyysillä, hiilivetypolttoaineen synteesi ja tuotetun sähköpolttoaineen loppukäyttötestit. Sähköpolttoaineiden tuotantoteknologiat kaupallistetaan yhdessä arvoketjun yritysten kanssa. 

Kuva 1. Esimerkki suurnopeuskameran kuvasta soodaliuoksesta, jossa nesteen virtausnopeus on 15 l/min ja 15 tilavuusprosentin CO2-kaasuseoksen virtausnopeus on 10 l/min. Kuva: LUT.

Efuel soda solution
Jaa
Tuula Kajolinna
Tuula Kajolinna

Ilmastonmuutos on hillittävissä, mutta vaatii kaikilla aloilla ripeitä toimia. Edistämme asiakkaidemme kanssa siirtymistä puhtaaseen energiasysteemiin ja irrottautumista fossiilisesta taloudesta.