Meri-Porin hiilidioksidipesuri kaatui, mutta suomalaista happipolttoa kokeillaan Espanjassa.

Teksti: Kalevi Rantanen

Meri-Porin hiilidioksidipesuri kaatui, mutta suomalaista happipolttoa kokeillaan Espanjassa.

Julkaistu Tiede -lehdessä 1/2011.

Hiilenpoisto ei ole vielä käytössä yhdessäkään suomalaisessa voimalaitoksessa. Meri-Porin hiilivoimalan perään kaavailtiin hiilidioksidipesuria, mutta suunnitelma kaatui, kun Fortum lokakuussa luopui hankkeesta. Suomalaista hiilenpoistotekniikkaa rakennetaan nyt ensimmäiseksi Espanjaan, jonne kattilanvalmistaja Foster Wheeler toimittaa 30 megawatin koelaitoksen. Laitos toimii happipoltolla.Tähän asti tulipesään on ollut halpaa syöttää ilmaa, mutta vaatimus hiilen poistmisesta muuttaa tilanteen. Polton jälkeen on kallista erottaa hiilidioksidi laihasta kaasuseoksesta, jossa on enimmäkseen typpeä.Kun kattilaan syötetään happea, hiilen palamisesta syntyy lähes puhdasta hiilidioksidia. Se vain puristetaan ja jäähdytetään varastoimista varten. Siksi hapen syöttäminen kattilaan kannattaa, vaikka hapen tuotanto maksaa.

Leijuen palaa tehokkaastiToinen puoli ratkaisua on leijupetitekniikka, joka kehitettiin kauan sitten kemian teollisuudessa ja omittiin sieltä energiakattiloihin. Puhaltamalla alhaalta ilmaa ja hiekkaa polttoaineen sekaan synnytetään leijuva kerros, jossa palava aine ja happi kohtaavat hyvin. Hiekka myös tehostaa lämmönsiirtoa polttoaineeseen ja vesiputkiin.1970-luvulla keksittiin erityisen tehokas versio: kiertoleijupeti. Palamatta jäänyt aines kierrätetään kattilan perästä takaisin petiin, jolloin hankalimmatkin polttoaineet palavat varmasti. Leijupetipoltto on suomalaisten leipälaji. Kattilanvalmistajat Foster Wheeler ja Metso Power toimittavat yli puolet korkealaatuisista leijupetikattiloista maailmassa.

Yhdistetään happi ja leijuntaLuonteva kehitystie on happipoltto leijupedissä. Teknologian tutkimuskeskus VTT ja Foster Wheeler ovatkin vuodesta 2004 kehittäneet tällaista polttoa kiertopetikattilaa varten. Vuonna 2005 nämä tekniikat yhdistettiin tiettävästi ensimmäisenä maailmassa VTT:n laboratoriolaitteessa Jyväskylässä.Fortumkaan ei ole vetäytynyt kokonaan syrjään hiilenpoistosta vaan testaa niin ikään happipolttoa yhdessä Metso Powerin kanssa.Nyt Foster Wheeler on toimittamassa happipolttoa kiertopedillä testaavan 30 megawatin koelaitoksen Luoteis-Espanjaan, Compostillan voimalan viereen. Laitos kuuluu Euroopan Unionin Flexi burn cfb -kehityshankkeeseen, jota koordinoi VTT. Suomalaisyhtiöllä on hyvä sauma päästä rakentamaan myös seuraavaa vaihetta, 300 megawatin laitosta. Sillä on 2020-luvulla mahdollista aloittaa kaupallinen hiilenpoisto.

Happi kiertävästä metallistaHappitehdas kattilan kyljessä on alussa välttämätöntä mutta kömpelöä ja kallista tekniikkaa. Laboratorioissa on jo vuosia haettu yksinkertaisempia ja halvempia ratkaisuja.Polttamiseen ei onneksi tarvita puhdasta happea. Siihen voi käyttää myös happipitoisia yhdisteitä, kuten nikkelin tai raudan oksideja. Metallioksidi luovuttaa ensin happiatomeja tulipesässä eli polttoreaktorissa. Samalla se pelkistyy puhtaaksi metalliksi. Se jatkaa ilmareaktoriin, missä se reagoi ilman hapen kanssa ja muuttuu uudelleen oksidiksi. Sitten kierros alkaa alusta. Hapenkantaja siis kiertää kehää. Menetelmän englanninkielinen nimi onkin chemical looping combustion eli clc. Käsitteen voi suomentaa hapenkantajapoltoksi.

Kantajia etsitään SuomessakinHapenkantajapoltto on toisen sukupolven tekniikkaa, jota Suomessakin kehitetään.– VTT on tutkinut monissa yksiköissään erilaisia hapenkantajamateriaaleja, kertoo VTT:n asiakaspäällikkö Matti Nieminen, joka seuraa kehitystä aitiopaikalta. Parhaat sekä sitovat että luovuttavat happea hyvin ja ovat lisäksi mekaanisesti kestäviä. – Clc-tutkimuksella haetaan suuria kustannussäästöjä. Nykytekniikalla happipolttoon perustuva hiilenpoisto saattaa alentaa voimalaitoksen hyötysuhdetta jopa lähes kymmenen prosenttiyksikköä, mikä valtaosin johtuu hapenvalmistuksesta. Hapenkantajapoltossa häviön uskotaan olevan paljon pienempi.Hapenkantajapoltossa sekä kattila että hapetin ovat leijupetireaktoreita. Osin juuri leijupetiosaamisensa ansiosta suomalaiset ovat vahvoilla uusissa polttotekniikoissa, jotka avaavat tietä hiilineutraaliin energiaan.

Palstan pitäjä Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Miksi happipoltto

– Hiiltä poltetaan vielä paljon ja pitkään, ja biomassan ja jätteiden poltto lisääntyy. Siksi kaivataan tehokkaita ja halpoja tapoja hiilidioksidin keräämiseen savukaasuista.– Jos tulipesään syötetään ilmaa (78 prosenttia typpeä, 21 prosenttia happea), vapautuvasta kaasusta vain 5–15 prosenttia on hiilidioksidia ja sen erottaminen typen seasta tulee kalliiksi. – Käyttämällä ilman sijasta happea saadaan 85–95-prosenttista hiilidioksidia.