Hiilidioksidin talteenotto tarjoaa lupauksen ilmastokriisin torjunnasta, mutta on yhä pääasiassa osa fossiilitaloutta. Otimme selvää, miten hiilidioksidin talteenotto toimii ja miten sitä maailmalla käytetään. Jutun kartasta näet merkittävimmät talteenottolaitokset maailmassa.
Kesän kunniaksi T&T julkaisee uudelleen parhaita lukemistojuttuja. Tämä artikkeli on julkaistu alun perin maaliskuussa 2022.
Hiilidioksidin talteenotosta ja varastoinnista (CCS) puhutaan keinona ilmastokriisin torjuntaan, jos päästövähennykset eivät riitä. Nykytodellisuudessa kuitenkin enemmistö maailman suurimmista CO2:n talteenottolaitoksista on tiiviisti osa fossiilista energiantuotantoa: teollisuudesta kerättyä, nesteytettyä hiilidioksidia käytetään öljyn- ja kaasuntuotannon tehostamiseen pumppaamalla sitä öljy- tai kaasumuodostumaan. Hiilidioksidi auttaa tuottamaan kovemman paineen näihin maanalaisiin esiintymiin, jolloin niiden saanto paranee.
Projekteissa, joissa tavoitteena on nimenomaan pysyvä varastointi ilmastosyistä, vanhoja öljyn- ja kaasuntuotantopaikkoja hyödynnetään niin ikään. Sopivia paikkoja loppusijoitukseen maan uumenissa ei ole ihan missä vain, mutta tyhjiin pumpatuissa öljylähteissä piisaa sopivaa tilaa.
Toisin kuin ydinjätteen loppusijoitukseen, Suomen kova ja tiivis kallioperä ei tarjoa kovin hyviä paikkoja hiilidioksidin loppusijoitukseen.
”Täältä nesteytetty hiilidioksidi pitäisi käytännössä kuljettaa rekoilla ja laivoilla loppusijoituspaikkaan, mikä tuo lisää sekä kustannuksia että ympäristövaikutuksia”, johtava asiantuntija, tekniikan tohtori Anna Pääkkönen insinööritoimisto Enmacista huomauttaa.
Tällaisia suunnitelmia on öljy-yhtiö Nesteellä, jonka Porvoon jalostamon tuottamaa hiilidioksidia laivattaisiin tulevina vuosina miljoonia tonneja varastoitavaksi Pohjanmerelle vanhoihin öljylähteisiin.
”Hiilidioksidin talteenotto ei välttämättä vie erityisen paljon energiaa, mutta paineistus ja kuljetus kyllä”, Pääkkönen sanoo.
”Paineistusta tarvitaan, jotta hiilidioksidi saadaan nestemäiseen muotoon, jossa sitä on järkevintä siirtää: kaasumaisena se veisi turhan paljon tilaa, ja siirtäminen ja varastointi olisi kalliimpaa.”
Pääkkösen mukaan raha on keskeinen syy siihen, ettei CCS ole jo yleistä: se ei ole nykyisin läheskään kaikissa olosuhteissa taloudellisesti kannattavaa.
Erityisen hyvä paikka CCS:lle globaalissa mittakaavassa on ainakin Islanti. Islannissa on runsaat määrät päästötöntä, geotermistä energiaa. Siksi sinne on myös keskittynyt esimerkiksi terästeollisuutta, jonka tuottamia CO2-päästöjä voidaan ottaa talteen. Lisäksi laavakivimaaperä tarjoaa mahdollisuuden varastoida hiilidioksidia mineralisoituna: se voidaan viedä huokoisen kiven sisään nestemäisenä, kuten öljylähteisiin, mutta mineralisaation avulla hiili saadaan loukkuun vielä vakaampaan muotoon kuin nesteenä.
Geoterminen energia alentaa talteenoton kustannuksia ja sen omia päästöjä niin paljon, että Islannissa on tätä nykyä myös maailman suurin hiilidioksidia suoraan ilmasta nappaava laitos, Orca. Ilmassa CO2:n konsentraatio on hyvin pieni verrattuna siihen, mitä saisi teollisuuslaitoksen ”piipunpäästä”, alle puoli promillea. Tämä vähentää väistämättä talteenottoprosessin tehoa ja saa isot toimijat maailmassa keskittymään enimmäkseen talteenottoon sieltä, missä hiilidioksidia tuotetaan merkittävästi.
Orca ottaa talteen 4 000 tonnia hiilidioksidia vuodessa, maailman suurimmat kaupalliset CCS-laitokset ”piipunpäästä” noin tuhatkertaisesti, muutamia miljoonia tonneja.
”Norjassa on meneillään suuren kokoluokan Northern Lights -hanke, jossa vanhoihin öljylähteisiin sijoitetaan hiilidioksidia”, Pääkkönen kertoo.
Hankkeessa CO2 viedään putkea pitkin 2 600 metriä merenpohjan alapuolelle. Vuonna 2024 pitäisi päästä puolentoista miljoonan tonnin vuosivarastointivauhtiin, myöhemmin vielä viiteen miljoonaan tonniin. Vertailun vuoksi Suomen kasvihuonekaasupäästöt olivat 2020 noin 48,3 miljoonaa hiilidioksidiekvivalenttitonnia.
Vaikka teollisen mittakaavan talteenottolaitoksia on maailmassa vähän, projekteissa on kuhinaa. Global CCS Instituten tietojen perusteella suunnitteilla tai rakenteilla on reilusti yli sata CCS-laitosta joko teollisessa mittakaavassa tai vähintään isona tutkimuspilottina.
Toinen hiilidioksidin talteenotossa yhä merkittävämpi käsite on CCU, talteenotto käyttöön, jatkojalostettavaksi esimerkiksi metaaniksi tai metanoliksi polttoainekäyttöön.
”CCU on vielä selvästi vähäisempää kuin CCS. Hiilen sitominen synteettisiin polttoaineisiin on siinä yleisintä. Yksittäisissä hankkeissa Japanissa ja Hollannissa hiilidioksidia viedään kasvihuoneisiin. On myös joitakin tutkimusprojekteja, joissa siitä tehdään kiinteää hiiltä”, Anna Pääkkönen kertoo.
CCU viittaa siis tällaiseen uudenlaiseen hyötykäyttöön, josta saadaan myös ilmastohyötyjä, perinteistä käyttöä öljyteollisuudessa ei kategoriaan kelpuuteta.
Kaikki kaupallisessa mittakaavassa toimivat CCS-laitokset nappaavat hiilidioksidin talteen niin sanotulla amiinitekniikalla, jossa CO2 absorboituu amiiniyhdisteisiin. Muut tekniikat ovat vasta tutkimus- tai korkeintaan pilotointivaiheessa.
LUT-yliopistossa on tutkittu hiilidioksidin talteenottoa energiantuotannon ja teollisuuden savukaasuista jo yli kymmenen vuoden ajan. Siellä on keskitytty kahteen päämenetelmään, jotka ovat hapenkuljetusmetallioksideihin ja kalkkikiertoprosessiin perustuvat tekniikat. Molemmissa hyödynnetään teollisuuden muissa prosesseissa yleisesti käytössä olevaa kiertoleijuteknologiaa.
”Vallitseva amiinierotusprosessi pystytään integroimaan helposti erilaisiin olemassa oleviin laitoksiin, mutta sen haasteita ovat kustannukset ja myös päästöjä aiheuttava amiinimateriaalin valmistus”, LUTin apulaisprofessori Tero Tynjälä sanoo.
Amiiniprosessissa hiilidioksidi liukenee nesteeseen. Tynjälä kollegoineen tutkii amiiniprosessien ohella kaasu-kiintoainekontaktiin perustuvia kuiva-adsorptioprosesseja.
”Näistä uusista menetelmistä kalkkikiviprosessi on lähimpänä käytäntöä. Kalkkikivi on halpaa ja helposti saatavilla. Siitä saadaan tiettyjä integrointietuja, kun sitä prosessoidaan jo yleisesti esimerkiksi sementinvalmistuksessa ja paperiteollisuudessa”, Tynjälä kertoo.
Hapenkuljetusmetallioksideihin perustuva kemikaalikiertoprosessi vaikuttaa Tynjälän mukaan paperilla vieläkin tehokkaammalta ja lupaavammalta kuin kalkkikiviprosessi. Hapenkantajametallimateriaalit ovat kuitenkin kalkkikiveä huonommin tunnettuja, joten opittavaa riittää.
LUTin CCS-tutkijat ovat osallistuneet useaan laajoihin EU-hankkeisiin, joissa on ollut myös yrityksiä mukana. Tynjälän mukaan tutkimuspiloteissa hiilidioksidin talteenotto on ollut korkeintaan 10 000–20 000 tonnin tasolla vuodessa, noin sadasosan isoimmista kaupallisista laitoksista. Talteenottoa on tehty esimerkiksi Italiassa ja Espanjassa megawatin tai parin kokoisissa tuotantolaitoksissa.
Ovatko nämä LUTissakin tutkitut pari menetelmää ainoat CCS:n tulevaisuudenlupaukset lähitulevaisuudessa?
”Happipolttoprosessi on jo vanhempi ja testattu kymmenien tai satojen kilotonnien luokassa. Siinä polttoainetta poltetaan puhtaalla hapella, jolloin hiilidioksidi on helppo erottaa. Se on hyvin tunnettu ja olisi mahdollinen, mutta puhtaan hapen valmistaminen on kallista ja vaatii paljon energiaa”, Tynjälä sanoo.
”Jos paljon puhuttu vetytalous yleistyy, on kuitenkin olemassa mahdollisuus, että happea alkaa saada halvemmalla, kun sitä syntyy joka tapauksessa erotettaessa vetyä vedestä”, hän pohtii.
Tynjälä mainitsee mahdollisina erotuskeinoina myös membraaniratkaisut. Ne vaikuttavat teoriassa hyvin potentiaalisilta, mutta kovin isossa mittakaavassa niitä ei ole vielä kokeiltu.
Sadan vuoden historia
Hiilidioksidin talteenottoa on tehty jo 1920-luvulta alkaen. Aluksi sitä käytettiin erottamaan maakaasun joukossa monissa esiintymissä oleva CO2 kaupallisesti arvokkaasta metaanista. Hiilidioksidi öljyntuotannon työaineena otettiin käyttöön Teksasissa 1970-luvun alkupuolella. CO2 oli peräisin maakaasulaitoksesta, josta se kulki putkea pitkin läheiselle öljykentälle. Kun sitä pumpattiin öljylähteeseen, öljyntuotanto tehostui.
Terrellin maakaasunkäsittelylaitos (entinen Val Verden maakaasulaitos) Teksasissa on maailman vanhin toimiva laitos, josta hiilidioksidia kerätään öljyntuotannon tehostamiseen. Talteenotto käynnistyi 1972.
Nykyään hiilidioksidia käytetään öljyntuotantoa avittamaan miljoonia tonneja vuodessa eri puolilla maailmaa. Toisinaan se on peräisin teollisuuslaitoksista, toisinaan maanalaisista esiintymistä. Koska puhdas hiilidioksidi on kallista, sama CO2 tyypillisesti kierrätetään uudelleenkäytettäväksi samalla öljy- tai kaasukentällä. Kun tuotanto kentällä loppuu, hiilidioksidi on mahdollista varastoida tyhjään öljylähteeseen.
Hiilidioksidin varastoimista talteenoton jälkeen eli varsinaista CCS:ää (carbon capture and storage) ilmastosyistä ehdotettiin ensi kertaa tiettävästi vuonna 1977. Tekniikkaa siihen oli jo olemassa, mutta kannattavuus oli tietysti eri asia.
Vuonna 1991 perustettiin Kansainvälisen energiajärjestö IEA:n alainen tutkimusohjelma IEAGHG, joka pääasiassa tutkii ja edistää hiilidioksidin talteenotto- ja varastointitekniikoita.
Lue myös:
