Voimalaitosten piipuista tupruava ilmastoa lämmittävä hiilidioksidi on muuttumassa arvotavaraksi. Siitä saa vaikkapa patjoja, betonia ja polttoaineita.

Teksti: Maria Korteila

Voimalaitosten piipuista tupruava ilmastoa lämmittävä hiilidioksidi on muuttumassa arvotavaraksi. Siitä saa vaikkapa patjoja, betonia ja polttoaineita.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2012

Kun kaatopaikat täyttyivät, keksittiin kierrätys. Kun hiilidioksidipäästöt alkoivat kuormittaa ilmakehää liikaa, piti taas keksiä jotain. Päästöjen vähentäminen on pitkä ja kivinen tie, joten hiilidioksidiylimäärään olisi hyvä löytää muitakin ratkaisuja.

Ensimmäinen ajatus oli kerätä hiilidioksidi ja piilottaa se maan- ja merenalaisiin varastoihin. Varastointihankkeet ovat kuitenkin viime vuosina olleet vastatuulessa, sillä niistä ei millään saa taloudellisesti kannattavia.

Katseet ovat kääntyneet hiilidioksidin hyötykäyttöön. Jos kierrätämme sanomalehdet, pullot ja pakkaukset, miksemme hiilidioksidiakin? Esimerkiksi Yhdysvallat, joka on ollut etunenässä kehittämässä varastointia, ilmoitti syksyllä siirtävänsä painopisteen hyödyntämistutkimukseen. Rahoitusta siihen on osoitettu miljardi dollaria.

Aivan kokonaan hyötykäyttö ei tulevaisuudessakaan korvanne varastointia, sillä teollisuuden hiilidioksidin tarpeet ovat rajalliset.

Joka tapauksessa hiilidioksidia ei enää pidetä pelkästään kiusallisena jätekaasuna vaan myös monipuolisena kemiallisena raaka-ainelähteenä. Pisimmällä on jätehiilidioksidia hyödyntävien muovien ja polttoaineiden kehitys.

Ohessa kymmenen esimerkkiä siitä, mitä kaikkea hiilidioksidista voi tehdä.

1 Patjoja ja eristeitä unelmareaktiolla

Hiilidioksidi käy muoviteollisuuden raaka-aineeksi. Se sopii esimerkiksi polyuretaanimuoviin, joka käytetään huonekalujen pehmusteisiin, eristeisiin, cd-levyihin, kengänpohjiin ja moniin muihin arkituotteisiin. Vuosittain polyuretaania valmistetaan noin 13 miljoonaa tonnia.

Nykyisin polyuretaanit ovat öljypohjaisia, mutta muoviteollisuus haluaa edes osittain eroon öljyriippuvuudestaan.

Hiilidioksidin hyötykäyttö ei ole ihan helppoa. Hiilen ja happimolekyylien väliset sidokset eivät hevin katkea, joten hiilidioksidi on haluton kemiallisiin reaktioihin. Asiaa on tutkittu kemianteollisuudessa 1960-luvulta lähtien, mutta sopivia reaktioiden vauhdittajia eli katalyyttejä on löytynyt vasta viime aikoina.

Esimerkiksi saksalainen kemianjätti Bayer on kehittänyt sinkkipohjaisen katalyytin, jolla hiilidioksidi alistuu raaka-aineeksi. Bayer kutsuu innovaatiotaan unelmareaktioksi. Katalyytin avulla voimalaitosten hiilipäästöt voi muuttaa polyuretaaniksi ja vieläpä kustannustehokkaasti.

Viime kesästä saakka Saksassa on ollut käynnissä Bayerin ja energiayhtiö RWE:n yhteinen hiilidioksidimuovin koelaitos, joka on saanut tukea myös Saksan valtiolta.

Hiilidioksidi erotellaan voimalan savukaasuista, muutetaan nestemäiseksi ja kuljetetaan prosessoitavaksi Bayerin laitokseen. Siellä syntyy polyeetteri-polykarbonaatti-polyoleja, joka jalostetaan edelleen polyuretaaniksi. Myöhemmin hiilidioksidi on tarkoitus prosessoida voimalaitoksessa tai sen vieressä, jotta päästään eroon kuljetuskustannuksista.

Vaikka prosessin tehokkuudessa riittää parantamista, koelaitoksen tulokset ovat varsin lupaavia. Teollista tuotantoa pitää kuitenkin odottaa vielä muutama vuosi. Ensimmäisten kaupallisten tuotteiden, polyuretaanista valmistettujen patjojen, on määrä saapua kauppoihin vuonna 2015.

Hankkeen kumppanukset ovat mielissään. Ilmastomyönteisemmän imagon lisäksi Bayer vähentää öljyriippuvuuttaan ja RWE hiilidioksidipäästöjään. Hyödyt eivät jää siihen: rakennusten eristeenä polyuretaani voi säästää jopa 70 prosenttia enemmän energiaa kuin sen valmistus kuluttaa.

Bayerin projekti ei ole ainoa laatuaan. Esimerkiksi yhdysvaltalainen Novomer tekee aivan samaa. Se on kehittänyt oman hiilidioksidille sopivan katalyyttinsa ja valmistaa polypropyleeni- ja polyetyleenikarbonaatteja. Näitä muoveja käytetään laajalti pakkauksissa, pinnoitteissa, elektroniikassa ja öljyntuotannossa. Hanke on siirtymässä koevaiheesta kaupalliseksi.

2 Hiilirenkaita voimalan piipusta

Rengasmaisia eli syklisiä karbonaatteja käytetään muun muassa litiumparistojen elektrolyytteinä, polttonesteiden lisäaineina ja kemianteollisuuden reagensseina.

Syklisiä karbonaatteja on valmistettu puhtaasta hiilidioksidista teollisesti jo pitkään. Perinteinen valmistusprosessi vaatii kuitenkin niin korkeaa lämpötilaa ja painetta, että kokonaisuudessaan se tuottaa hiilidioksidia enemmän kuin kuluttaa.

Mutta ei aina: englantilaisen Newscastlen yliopiston kehittämä hiilidioksidikatalyysi toimii normaalissa ilmanpaineessa ja vain sadan asteen lämpötilassa. Innovaatio on poikinut Dymeryx-yrityksen, joka valmistaa karbonaatteja uudenlaisilla katalyyteillään suoraan voimalaitosten kaasupäästöistä. Valmistus on suunniteltu voimalaitosten yhteyteen.

Menetelmä pystyy hyödyntämään tehokkaasti myös laimeita kaasuseoksia, joiden hiilidioksidipitoisuus on vain viisi prosenttia. Savukaasujen epäpuhtaudet, kuten typen ja rikin oksidit, eivät haittaa.

Dymeryx uskoo pääsevänsä täyteen kaupalliseen vauhtiin vajaassa neljässä vuodessa. Yhtiö laskee olevansa kannattava, vaikka karbonaattien hinnat laskisivat nykytasolta 60 prosenttia.

3 Hiilivetyyn suoraan ilmasta

Moni hakee hiilidioksidinsa voimalaitoksien päästöistä, mutta sitä voi myös "louhia" suoraan ilmasta, missä sen osuus kaasuista on noin 0,3 prosenttia ja kasvussa.

Jättikokoisia hiilidioksidi-imureita on kehitteillä ja koekäytössä ainakin Yhdysvalloissa. Osa niistä on suunniteltu varastointikeruuseen.

Brittifirma Air Fuel Synthesiksen mielestä pieni on kaunista. Se keksi tuottaa hiilidioksidin louhintaan tarvittavan energian uusiutuvasti, tuulivoimalla.

Tuulivoimamenetelmässä hiilidioksidin kerää rikkidioksidia hyödyntävä suodatin. Rikkidioksidi kierrätetään uudelleen läpi prosessin.

Lisäksi tarvitaan vettä. Siitä valmistetaan elektrolyysillä vetyä, joka puolestaan reagoi hiilidioksidin kanssa. Näin syntyy ilman öljyä hiilivetypohjaista polttoainetta vaikkapa lentokoneisiin ja muihin kulkuvälineisiin.

Jos tuulivoimalan läheltä ei helposti saa vettä, myös sen voi "louhia" ilmasta.

Tätä nykyä yritys rakentaa koelaitosta, joka tuottaisi viisi litraa polttoainetta päivässä. Yhden litran tuotanto on jo osoittautunut toimivaksi. Ajan mittaan pyritään tuhanteen litraan ja lopulta satoihin tonneihin päivässä.

Jotta prosessi kannattaisi, tärkeintä on halpa hiilineutraali sähkö. Tekniikka ei sinänsä ole monimutkaista – laitteiston osat saa periaatteessa kaupan hyllyltä.

Käyttämällä ilmaa kemikaalilähteenä polttoainetta voi tuottaa pieninkin erin ja hajautetusti. Keksinnön avulla voisi esimerkiksi hyödyntää tuulienergiaa polttoainetuotantoon siellä, missä tuulella ei kannata tuottaa verkkosähköä.

4 Polttoainetta auringonvalolla

Yhdysvalloissa Sandian laboratorioissa on opittu tuottamaan hiilidioksidista polttoainetta aurinkoenergialla. Valtavan aurinkoreaktorin keräämässä 1 400 asteen lämmössä hiilidioksidi hajoaa hiilimonoksidiksi ja hapeksi. Hiilimonoksidi jalostetaan edelleen hiilivedyiksi, joista voi valmistaa metanolia tai dieseliä.

Jatkokehitystä varten on perustettu tutkimuslaitosten ja yritysten yhteenliittymä, joka tähtää ensimmäiseen teolliseen laitokseen muutaman vuoden sisällä. Aurinkoreaktorit sijoitettaisiin esimerkiksi hiili- ja maakaasuvoimaloiden yhteyteen. Testilaitokset pyörivät jo Kaliforniassa ja New Mexicossa.

5 Metanolitehdas kuumaan lähteeseen

Islannissa hiilidioksidista valmistetaan maalämmön energialla metanolia liikenteen polttoaineiksi. Raaka-aineena käytetään geotermisen voimalaitoksen jäämähöyryä. Hiili­dioksidista syntyy metanolia reaktioissa vedyn kanssa.

Islantilainen Carbon Recycling International avasi marraskuussa ensimmäisen ison kaupallisen laitoksensa. Tavoitteena on tuottaa vuodessa viisi miljoonaa litraa metanolia, joka käytetään osana biobensiiniä. Tuolla tuotannolla laitos laskee vuodessa poistavansa4,5 tuhatta tonnia hiilidioksidia.

6 Sapuskaa mikro-leväviljelmille

Yksi tulevaisuuden biopolttoaineiden, bioöljyjen, lannoitteiden ja proteiinien raaka-aineista ovat mikrokokoiset levät. Ne sopivat myös energiantuotantoon. Runsaasti biomassaa sisältävät levät kasvavat merivesialtaissa.

Levät ovat kasveja, joten ne kaipaavat runsaasti hiilidioksidia. Päästölähteistä erotetun ylimääräisen hiilidioksidin avulla kasvua ja tuotannon tehokkuutta voisi vauhdittaa merkittävästi.

Lähes kaikki mikrolevähankkeet ovat vielä tuotekehitysasteella. Niiden kannattavuus pitäisi käyttöä ajatellen nostaa nykyisestä vähintään kymmenkertaiseksi. Mikrolevistä kuitenkin ennustetaan tärkeitä öljyn korvaajia.

Saksassa kehitetään myös muita mikrobiviljelmiä, jotka mikrolevien tapaan syövät hiilidioksidia ja joita voisi käyttää hyödyllisten kemikaalien tuottoon.

7 Vauhtia mineraalien karbonointiin

Yksi mahdollinen mutta vasta kehitysvaiheessa oleva sovellus on mineraalien karbonointi eli hiilen lisääminen niihin hiilidioksidin avulla. Tekniikka ei ole uusi, mutta uutta olisi energiatehokkuus. Luontainen karbonaatioreaktio on hyvin hidas ja sen nopeuttaminen vaatii korkeaa lämpötilaa ja painetta, mikä syö energiaa.

Mineraalit, kuten kalsiumsilikaatti ja magnesiumsilikaatti, sitovat karbonoinnissa hiilidioksidia pysyvästi. Tuote sopii esimerkiksi maantäyttöaineeksi. Laskelmien mukaan mineraalivarat ovat niin suuret, että teoriassa vaikka kaikki maailman hiilidioksidipäästöt voisi sitoa mineraaleihin.

Suomessa fyysikko Matti Nurmia on kehittänyt menetelmän, jossa hiilidioksidi liuotetaan veteen ja kuljetetaan maasälpämurskeen tai muun silikaattimineraalin läpi. Tuloksena syntyy vaaratonta bikarbonaattia sekä alumiinin valmistukseen sopivaa alumiinihydroksidia. Koelaitokset ovat nousemassa Etelä-Afrikkaan ja Botswanaan, mutta kehitystyö ja testaukset vienevät vielä muutaman vuoden.

8 Rakennusmateriaalia hiivan avulla

Jos ilmaa voi louhia, voi vettäkin. Massachusettsin tekninen yliopisto MIT on kehittänyt menetelmän, joka kaappaa hiilidioksidin vedestä. Sitten ohjat ottaa muuntogeeninen leivinhiiva. Se auttaa hiilidioksidia kytkeytymään mineraali-ioneihin, jolloin syntyy kiinteitä mineraalikarbonaatteja. Niille on käyttöä esimerkiksi rakennusmateriaaleina.

MIT väittää menetelmänsä olevan huomattavasti tehokkaampi kuin muut kemialliset mineraalikarbonointitekniikat.

9 Sementtiä sementin paikalle

Tavallisen sementin valmistus vaatii noin 1 500 asteen lämpöä, ja siksi se synnyttää runsaasti hiilidioksidipäästöjä – noin viisi prosenttia kaikista maailman päästöistä. Otollinen kohde kehittää hiilidioksidineutraalimpaa tuotantoa!

Australialainen sementtiyhtiö Calix lupaa poistaa hiili- tai maakaasuvoimalan hiilidioksidipäästöistä 90 prosenttia ja tehdä sen halvalla. Hiilidioksidin ja kalkin avulla yritys valmistaa dolomiitista sementtiä, johon jätehiilidioksidi sitoutuu. Menetelmän valtteina ovat nopeus ja tehokkuus: se sitoo hiilidioksidin sekunneissa.

Vastaavia virityksiä on ainakin Kaliforniassa ja Britanniassa. Osa tekee tavalliseen sementtiin sekoitettavaa lisäainetta, osa kokonaan uudenlaista sementtiä.

Lontoolaisen Novacemin tavoitteena on imeä talteen enemmän hiili­dioksidia kuin sementin valmistus tuottaa. Prosessiin käytetään perinteisen kalkkikiven sijasta magnesiumyhdisteitä.

Magnesiumsilikaattien karbonoinnissa syntyy uutta hiilidioksidia, mutta se kierrätetään takaisin prosessiin. Yrityksen mukaan yksi tonni sementtiä sitoo sata kiloa enemmän hiilidioksidia kuin valmistuksessa syntyy. Kovettuessaan sementti reagoi ilman hiilidioksidin kanssa eli sitouttaa myös sitä. Novacemin mukaan nykylaatu riittää ainakin muuraukseen. Firma kuitenkin valittelee rakennusteollisuuden konservatiivisuutta: aivan uudenlaista sementtiä ei ole otettu vastaan avosylein.

10 Himoittu korvaaja kylmäaineille

Hiilidioksidista on pitkään kehitetty korvaajaa perinteisille kylmäaineille, jotka ovat sitäkin pahempia ilmakehässä. Käyttö alkaa yleistyä, mutta hiilidioksidi on yleensä ollut teollisesti tuotettua.

Kiinassa maan suurin energiayhtiö Huaneng Group on aloittanut kaksi koeprojektia, joissa se myy voimaloidensa jätehiilidioksidia elintarviketeollisuudelle. Paitsi kylmennykseen hiilidioksidia käytetään myös esimerkiksi kasvihuonetomaattien kasvun vauhdittamiseen.

Tehokkaan tekstiilienpuhdistajankin siitä saa, kun paineella ja lämmöllä muuntaa sen ylikriittiseksi eli nesteen ja kaasun välimuodoksi.

Lähteitä ja lisätietoa:

Raportti The Centre for Low Carbon Futures: Carbon Capture and Utilisation in the green economy, 2011, co2chem.co.uk/

International Energy Agency, www.iea.org/ccswww.iea.org/ccs

VTT:n teknologiaraportti Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi, 2011, www.vtt.fi/inf/pdf/workingpapers/2011/w161.pdf

TEKNIIKAN PÄIVÄT 2012

Professori Risto Nieminen Aalto-yliopistosta puhuu aiheesta Hiilen uusi aikakausi: fullereenista grafeeniin perjantaina 13.1. kello 11.

Professori Esko Kauppinen Aalto-yliopistosta puhuu aiheesta Hiilestä taipuisaa elektroniikkaa perjantaina 13.1. kello 11.30.

Ruotsinkielinen paneelikeskustelu aiheesta Vår gemensamma planet och dess begränsade resurser perjantaina 13.1. kello 15.30.

Professori Olli Dahl Aalto-yliopistosta puhuu aiheesta Mitä insinööri voi tehdä? Onko yhden poiste toisen raaka-aine? lauantaina 14.1. kello 15.30.