Ovatko CCU ja hiilen uusiotalous osa ratkaisua?

Miksi hiili – yksi maailmankaikkeuden yleisimmistä alkuaineista – näyttelee huikaisevan tärkeää roolia nykyisessä yhteiskunnassa? Ikävä kyllä sen käyttöön liittyy myös usein ikävä kytkentä aikamme suurimpaan ongelmaan, ilmastonmuutokseen.

CCU, hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö, sekä sen serkku hiilen uusiotalous eivät ole yksinkertaisia tai välttämättä helposti hahmotettavia konsepteja. CCU on teknologialähtöinen termi, jota käytetään hyvin monissa asiayhteyksissä ja tarjotaan ratkaisuiksi erilaisiin tarpeisiin.

Tästä moninaisuudesta johtuen ajavia voimia on useita, ja asiaa voi ajatella hyvin monelta kantilta aina maailman pelastamiseen ilmastonmuutokselta uusiin liiketoimintamahdollisuuksiin ja hiilenlähteisiin. Tämä moninaisuus aiheuttaa myös epäselvyyttä ja väärinkäsityksiä siitä, millaisia vaikutuksia niin hyvässä kuin pahassa tämän teknologian soveltamisella voisi olla. Jotta asiaan saataisiin selvyyttä, pyrimme tässä määrittelemään, mistä CCU:ssa ja hiilen uusiokäytössä on kyse. Miksi siitä pitäisi olla kiinnostunut, ja miten se mahdollisesti voisi palvella esim. Euroopalle tärkeitä teollisuudenaloja?

Mistä on kyse?

Lyhyesti sanottuna CCU:lla (carbon capture and utilisation) tarkoitetaan hiilidioksidin erottamista esimerkiksi savukaasuista, jotta hiilidioksidi ei vapaudu suoraan ilmakehään vahvistamaan ilmastonmuutosta. Lisäksi se tarkoittaa hiilidioksidin käyttöä sellaisenaan tai hiilen lähteenä muissa prosesseissa.

Hiilen uusiotaloudella sen sijaan viitataan kemian prosesseihin ja konsepteihin, joissa hyödynnetään syötteenä joko hiilidioksidia tai muita yksihiilisiä molekyylejä, kuten esimerkiksi kaasutuskaasun hiilimonoksidia tai biokaasun metaania.

CCS (carbon capture and storage) taas tarkoittaa hiilidioksidin talteenottoa ja varastointia. Se voi olla ratkaisu fossiilisten raaka-aineiden käytöstä aiheutuvaan ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousuun. CCU sen sijaan ei tarjoa pitkän aikavälin kokonaisvaltaista ratkaisua, jos fossiilisia resursseja edelleen käytetään. Se on enemmänkin teknologinen ratkaisu, joka mahdollistaa hiilipohjaiset tuotteet ja prosessit täysin kestävässä järjestelmässä.

Ilmastonmuutoksen hillintä ja kestävyys leimaavat käynnissä olevaa energiajärjestelmän muutosta. CCU:n arviointia tästä näkökulmasta vaikeuttaa sovellusten ja konseptien moninaisuus ja siitä seuraava moninaisuus myös CCU:n ilmastovaikutuksista. Vaikutukset voivat olla kaikkea negatiivisesta hyvin positiiviseen, riippuen aina energiajärjestelmästä ja sen muutoksen suunnasta ja nopeudesta, jossa CCU:ta sovelletaan. Hiilidioksidin käyttö raaka-aineena, muuten kuin puhtaana hiilidioksidina, vaatii termodynamiikan pääsääntöjen mukaan aina energiaa. Jotta hiilidioksidin käyttö raaka-aineena olisi kestävää, on tämä energia tuotettava kestävästi, mikä linkittää CCU:n tiiviisti uusiutuvan ja muun päästöttömän energian lisäämiseen; tässäkin korostuu järjestelmänäkökulma.

Mutta voiko hiilidioksidin hyötykäytölle olla muita syitä kuin pelkkä ilmastonmuutoksen hillintä?

Talteen otettua hiilidioksidia (CCU) käytetään jo monissa kohteissa. Sitä käytetään suoraan esimerkiksi suojakaasuna tai virvoitusjuomissa. Lisäksi hiilidioksidia konvertoidaan jo joiksikin kemikaaleiksi, kuten ureaksi tai epäorgaanisiksi karbonaateiksi.

Kuten edellä mainittiin, vaatii hiilidioksidin käyttö aina energiaa, ja vety on yksinkertaisin tapa tuoda energiaa hiilidioksidiin. Yksi merkittävimpiä haasteita CCU:ssa ja hiilen uusiokäytön ekonomiassa on kohtuuhintaisen vähähiilisellä energialla tuotetun vedyn saatavuus. Siitäkin huolimatta, että vähähiiliseen energiaan investoidaan globaalisti ennätyksellisen paljon ja sen hinnan odotetaan laskevan merkittävästi lähivuosina, on kestävästi tuotetun vedyn saatavuus tekijä, joka tullee eniten hidastamaan CCU-investointeja. Tästä johtuen hiilen uusiokäytön ekonomian prosessit voidaankin luokitella kolmeen niiden vedyntarpeen mukaan:

  1. prosesseihin, jotka eivät tarvitse vetyä
  2. hybridiprosesseihin, joiden vedyntarve on rajallinen ja jotka voivat hyödyntää hiilidioksidin lisäksi myös muita C1-kaasuja
  3. prosesseihin, joiden vedyntarve on merkittävä.

Prosesseja, jotka eivät tarvitse vetyä, ovat esimerkiksi erilaiset mineraaliprosessit, joissa tuotetaan epäorgaanisia karbonaatteja. VTT tutkii esimerkiksi hiilidioksidin talteenottoa kalkkiuuneissa ja sen hyödyntämistä puhtaan saostetun kalsiumkarbonaatin valmistuksessa. Tiettyjä orgaanisia erikois- ja hienokemikaaleja voidaan myös valmistaa hiilidioksidista ilman vetyä. Hybridiprosesseja voidaan hyödyntää esimerkiksi biomassan kaasutusprosessien yhteydessä. Kaasutuksen tuotekaasun tärkeimmät hyötykomponentit ovat hiilimonoksidi ja vety. Sivutuotteena syntyy kuitenkin merkittäviä määriä hiilidioksidia, joka voitaisiin ulkopuolisen vähähiilisen vedynlähteen kanssa konvertoida polttoaineiksi tai kemikaaleiksi.

Vetyä hyödyntävien hiilidioksidin konversioprosessien mahdollisuudet ovat moninaiset. Ne perustuvat yleensä joko kemialliseen katalyysiin tai ovat biokemiallisia. Tyypillisesti prosesseissa tuotetaan ensin C1-välituote, kuten metaani tai metanoli, jota voidaan käyttää joko energian välittäjänä ja polttoaineina tai välituotteena muiden kemikaalien ja polttoaineiden tuottamiseen. Biokemiallisissa prosesseissa voidaan päästä myös suoraan erikoiskemikaaleihin, kuten akryylihappoon, jonka tuottamista VTT tutkii. Katalyyttisiä reittejä voidaan päästä C1-yhdisteiden sijaan Fischer-Tropsch-synteesiä hyödyntäen alkaaneihin ja alkeeneihin, joista ensin mainitut ovat potentiaalisia polttoainekomponentteja, kun taas jälkimmäiset soveltuvat moninaisten kemikaalien tuottamiseen.

CCU ja hiilen uusiotalous ovat epäilemättä kestävän yhteiskunnan mahdollistavia teknologioita, mutta eivät suoraan ratkaisuja taistelussa ilmastonmuutosta vastaan.

Niihin liittyvät teknologiat ja tuotteet voivat olla myös uusi Suomen teollisuuden ja viennin kasvualue. Lyhyellä tähtäimellä suurin potentiaali on teknologioissa, jotka perustuvat hiilidioksidin hyödyntämiseen ilman vetyä tai joissa vedyn tarve on rajallinen, mutta vähähiilisellä energialla tuotettavan vedyn yleistyessä myös vetyintensiiviset teknologiat otetaan käyttöön.

Vetylähteen lisäksi CCU:ssa tarvitaan hiilidioksidin lähde. Ensimmäisessä vaiheessa nämä lähteet voivat olla merkittäviä fossiilisia päästölähteitä, kuten terästehtaita tai öljynjalostamoja. Dekarbonisaation edetessä siirrytään kuitenkin enenevissä määriin bioperäisiin päästölähteisiin, kuten puunjalostusteollisuuteen tai energiantuotantoon biomassasta. Päästölähteen ollessa bioperäinen voidaan päästä tietyissä tapauksissa negatiivisiin päästöihin (bio-CCU).

Kallein, mutta tulevaisuudessa mahdollinen vaihtoehto on ottaa hiilidioksidia talteen ilmasta. VTT ja Lappeenrannan teknillinen yliopisto demonstroivat konseptia parhaillaan Tekes-rahoitteisessa Soletair-hankkeessaan. Projektissa kohtaa ilmasta talteen otettu hiilidioksidi uusiutuvalla sähköllä tuotetun vedyn ja näistä tuotetaan Fischer-Tropsch-teknologialla polttoaineiksi kelpaavia hiilivetyjä. Koko systeemi muodostuu kolmesta tuotantokontista, joiden yhtäaikaista käyttöä on demonstroitu kesäkuusta 2017 lähtien Lappeenrannassa.

Kerro, mitä mieltä olet hiilen uusiotaloudesta ja CCU:sta!

Usein CCU:ta perustellaan sen positiivisilla ilmastovaikutuksilla, mutta muita ajavia tekijöitä voivat olla uuden uusiutuvan energian käyttäminen raaka-aineena hiiltä vaativissa prosesseissa fossiilisten raaka-aineiden sijaan eli ns. epäsuora sähköistyminen tai yksinkertaisesti hiilidioksidin tarve joissain prosesseissa tai tuotteissa. Ilmastodriveri kuitenkin dominoi pitkän aikavälin järjestelmämuutosta. Jotta yritykset ja investoijat laajamittaisesti toteuttaisivat muutosta, täytyy toiminnan taloudellisten edellytysten olla olemassa. Tällä hetkellä se tarkoittaa kannustimia joko ulkoisvaikutusten kustannusten (esimerkiksi climate policy) tai investointien pitkän aikavälin riskienhallinnan kautta.

Näitä kysymyksiä olemme pyrkineet hahmottelemaan liitteenä olevaan keskustelupaperiin. Onko mielessäsi näkökulmia tai sovelluksia, joita emme osanneet ottaa tässä huomioon?

Samalla kun tuotamme tieteellistä dataa ja numerotietoa tukemaan dokumentissa hahmoteltuja ajatuksia, toivomme nyt kaikilta runsaasti kommentteja tähän paperiin esimerkiksi tämän blogin kommenttikenttään.

Antti Arasto VTT

Antti Arasto, tutkimuspäällikkö
Twitter: @ArastoAntti

Juha Lehtonen VTT

Juha Lehtonen, tutkimusprofessori