Are CCU and the carbon reuse economy part of the solution?

Why does carbon – one of the most common elements in the universe – play such a critical role in modern society? Unfortunately, its use is also associated with climate change, the greatest problem of our time.

As concepts, CCU or the capture and utilisation of carbon, and the related carbon reuse economy, are not simple or necessarily easy to grasp. CCU, a technological term used in a number of contexts, is being proposed as a solution to a range of needs.

Due to its range of applications, CCU has many champions and seems to represent many things, from the world’s salvation from climate change to new business opportunities and carbon sources. Such multiplicity also leads to confusion and misconceptions about the kinds of impacts, good or bad, which the technology’s application may have. To shed light on the issue, in this blog we try to explain what CCU and the carbon reuse economy are all about. Why should we be interested in them and how might they serve key industrial sectors in Finland, for example?

What is at stake?

CCU, or carbon capture and utilisation, refers to the separation of carbon dioxide for instance from flue gases to prevent CO2’s release into the atmosphere where it would accelerate climate change combined with use of captured carbon dioxide either as such, or as a source of carbon in other processes.

On the other hand, the carbon reuse economy refers to chemical processes and concepts using either carbon dioxide or other one-carbon molecules – such as carbon monoxide resulting from gasification or methane in biogas – as inputs.

In turn, CCS refers to the capture and storage of carbon dioxide. This could halt the rise in carbon dioxide concentrations in the atmosphere caused by the use of fossil raw materials. CCU, on the other hand, will not prove to be a long-term, overall solution if fossil resources continue to be used. It will be more of a technological solution enabling carbon-based processes in a fully sustainable system.

The ongoing energy transition is characterised by sustainability and mitigation of climate change. From this perspective, the assessment of CCU is complicated by the diversity of applications and concepts and the consequent diversity of CCU’s climate impacts, which could be anything ranging from very negative to positive; it all depends on the energy system in which CCU is applied, and the direction and speed of the systems’ transition. According to the laws of thermodynamics, energy is required when using carbon dioxide in any form other than pure carbon dioxide. For the use of carbon dioxide as a raw material to be sustainable, such energy must be produced sustainably. This ties CCU tightly into the greater use of renewable and other emission-free energy, which again highlights the system perspective.

But might there be reasons for recycling carbon dioxide, other than mitigating climate change?

Recovered carbon dioxide (CCU) is already used in many applications, for example as a protective gas or in soft drinks. It is also converted into chemicals such as urea or inorganic carbonates.

As mentioned above, the use of carbon dioxide always requires energy. Hydrogen provides the simplest way of applying energy to carbon dioxide. A key challenge in CCU and the carbon reuse economy lies in the availability of hydrogen produced using affordable, low-carbon energy. Despite the record levels of investment in low-carbon energy across the globe and the anticipated plunge in prices in forthcoming years, sustainably produced hydrogen will be the most powerful brake on CCU investments. As a result, carbon reuse economy processes can be divided into three categories according to their need for hydrogen:

  1. processes that do not require hydrogen;
  2. hybrid processes with a limited need for hydrogen and which can use other C1 gases in addition to carbon dioxide;
  3. processes with a significant need for hydrogen.

Processes with no requirement for hydrogen include various mineral processes for the production of inorganic carbonates. For example, VTT is studying the recovery of carbon dioxide from lime kilns and its use in the production of pure precipitated calcium carbonate. Certain organic special and fine chemicals can also be made from carbon dioxide, without using hydrogen. Hybrid processes can be used alongside biomass gasification processes, for example. The key usable components in gas from gasification are carbon monoxide and hydrogen.  In addition, significant amounts of carbon dioxide are generated as a by-product, which can be converted into fuel or chemicals by using an external hydrogen source.

A range of possibilities is associated with hydrogen-based carbon dioxide conversion processes. Such possibilities tend to be based on chemical catalysis, or they are biochemical. The related processes tend to result initially in C1 intermediate products, such as methane or methanol, which can be used as a mediator and fuel, or as an intermediate product for producing other fuels and chemicals.   Speciality chemicals such as acrylic acid, whose production is currently being studied by VTT, can also be directly produced via biochemical processes. Based on Fischer-Tropsch synthesis, catalytic routes can lead to the production of alkanes and alkenes instead of C1 compounds. Alkanes are potential fuel components, whereas alkenes are suitable for the production of a wide variety of chemicals.

While CCU and the carbon reuse economy are clearly technologies that would help enable a sustainable society, they are not, alone, solutions to climate change.

However, the related technologies and products could be a new growth area for Finnish industry and exports. In the short term, the greatest potential lies in technologies based on the utilisation of carbon dioxide without hydrogen, or with a limited need for it. However, as low-energy hydrogen production proliferates, hydrogen-intensive technologies will also be adopted.

CCU requires carbon dioxide as well as hydrogen sources. In the first phase, these could be major fossil-fuel-based emission sources, such as steel mills or oil refineries. However, as decarbonisation progresses, there will be a progressive transition to bio-based emission sources, such as the wood processing industry or energy production from biomass. In the case of bio-based CO2 sources, we could in some casesachieve net carbon removal from the atmosphere (bio-CCU).

The most expensive alternative would be carbon dioxide recovery from the air, but this is also a possible future option. VTT and the Lappeenranta University of Technology are currently demonstrating this concept via the Soletair project funded by Tekes. The project combines carbon dioxide captured from the air with hydrogen produced using renewable electricity; hydrocarbons suitable as fuels are obtained from these, using Fischer-Tropsch technology. The entire system consists of three production containers and a demo of their simultaneous use has been under way in Lappeenranta since June 2017.

Tell us what you think of the carbon reuse economy and CCU!

CCU is often justified on the basis of its positive effects on climate change, but other drivers might include the use of new, renewable energy as a raw material (instead of fossil fuels) in carbon-based processes, i.e., so-called indirect electrification, or simply the need for carbon dioxide in certain processes or products. Climate driver will dominate the long-term energy system change. However, favourable economic conditions for this must be in place, if companies and investors are to implement broad change. At the moment, this means incentives based on the costs of externalities (climate policy, for example) or the long-term risk management of investments.

We have tried to outline these issues in the attached discussion paper. Can you think of any aspects or applications which we have failed to account for in this?

As we produce scientific data and figures in support of the ideas outlined in this document, we would be delighted to see plenty of feedback to this paper from everyone (perhaps in the comments section below).

Antti Arasto VTT

Antti Arasto, Research Manager
Twitter: @ArastoAntti

Juha Lehtonen VTT

Juha Lehtonen, Research Professor

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