Power-to-X-teknologiat
Tuomimäki, Anni (2020)
Tuomimäki, Anni
2020
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Degree Programme in Engineering and Natural Sciences, BSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-06-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202006166116
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202006166116
Tiivistelmä
Power-to-X-teknologiat ovat herättäneet paljon kiinnostusta viime aikoina, koska ne tarjoavat ratkaisuja ilmastonmuutoksen torjuntaan. Tässä työssä tutustutaan Power-to-X-teknologioihin ja selvitetään, millaisia tuotteita niiden avulla on mahdollista valmistaa, miten näitä tuotteita valmistetaan ja mihin kaikkeen niitä voidaan käyttää. Lisäksi arvioidaan myös Power-to-X-teknologioiden tulevaisuudennäkymiä.
Power-to-X-teknologiolla tarkoitetaan yleisesti niitä prosessiketjuja, joiden avulla uusiutuvaa sähköä muunnetaan joksikin X:ksi. Tärkeitä osaprosesseja näissä prosessiketjuissa ovat veden elektrolyysi sekä hiilidioksidin talteenotto. Veden elektrolyysin avulla tuotetaan vetyä. Siinä vesi hajotetaan uusiutuvan sähkön avulla sen alkuaineiksi eli vedyksi sekä hapeksi. Hiilidioksidisin talteenotossa voidaan käyttää muun muassa absorptiota, adsorptiota, kryogeenista erotusta tai membraaneja eli kalvoja. Mahdollisia hiilidioksidin talteenoton lähteitä ovat voimalaitokset, teollisuuden prosessit, biogeeniset lähteet, kuten biokaasun jalostus sekä ympäröivä ilma.
Power-to-X-teknologioiden avulla on mahdollista tuottaa lämpöä, kaasumaisia tuotteita, nestemäisiä tuotteita sekä proteiinia. Lämpöä tuotetaan uusiutuvasta sähköstä suoraan lämpöpumppujen tai sähkökattiloiden avulla. Tällä tavoin tuotettua lämpöä käytetään pääasiassa kaukolämmössä. Kaasumaisia tuotteita ovat veden elektrolyysin avulla tuotettu vety sekä vedyn ja hiilidioksidin avulla valmistettu metaani. Molempia voidaan varastoida, käyttää sähköntuotannossa tai liikenteen polttoaineina sekä syöttää suoraan maakaasuverkkoon. Nestemäisiä tuotteita taas ovat kemikaalit sekä polttoaineet. Niitä valmistetaan pääasiassa kahdella eri tavalla, jotka ovat Fischer–Tropsch-synteesi ja metanolisynteesi. Proteiinia valmistetaan vedystä ja hiilidioksidista käymisprosessilla, ja sitä voidaan lisätä erilaisiin ruokiin nostamaan niiden proteiinipitoisuutta.
Power-to-X-teknologioiden uskotaan olevan suuressa roolissa tulevaisuuden energiajärjestelmässä. Tällä hetkellä ei esimerkiksi ole olemassa energianvarastointiteknologiaa, joka pystyisi kilpailemaan pitkäaikaisuudessa Power-to-Gas-teknologian tarjoaman energiavaraston kanssa. Power-to-X-teknologiat ovat jo teknisesti toteutettavissa, mutta jotta ne voisivat tulla kunnolla markkinoille, täytyy niiden kustannusten vielä laskea. Lisäksi säännösten täytyisi kehittyä Power- to-X-teknologioille suotuisammiksi esimerkiksi siten, että hiilidioksidipäästöoikeuksien hinnat olisivat korkeampia.
Power-to-X-teknologiolla tarkoitetaan yleisesti niitä prosessiketjuja, joiden avulla uusiutuvaa sähköä muunnetaan joksikin X:ksi. Tärkeitä osaprosesseja näissä prosessiketjuissa ovat veden elektrolyysi sekä hiilidioksidin talteenotto. Veden elektrolyysin avulla tuotetaan vetyä. Siinä vesi hajotetaan uusiutuvan sähkön avulla sen alkuaineiksi eli vedyksi sekä hapeksi. Hiilidioksidisin talteenotossa voidaan käyttää muun muassa absorptiota, adsorptiota, kryogeenista erotusta tai membraaneja eli kalvoja. Mahdollisia hiilidioksidin talteenoton lähteitä ovat voimalaitokset, teollisuuden prosessit, biogeeniset lähteet, kuten biokaasun jalostus sekä ympäröivä ilma.
Power-to-X-teknologioiden avulla on mahdollista tuottaa lämpöä, kaasumaisia tuotteita, nestemäisiä tuotteita sekä proteiinia. Lämpöä tuotetaan uusiutuvasta sähköstä suoraan lämpöpumppujen tai sähkökattiloiden avulla. Tällä tavoin tuotettua lämpöä käytetään pääasiassa kaukolämmössä. Kaasumaisia tuotteita ovat veden elektrolyysin avulla tuotettu vety sekä vedyn ja hiilidioksidin avulla valmistettu metaani. Molempia voidaan varastoida, käyttää sähköntuotannossa tai liikenteen polttoaineina sekä syöttää suoraan maakaasuverkkoon. Nestemäisiä tuotteita taas ovat kemikaalit sekä polttoaineet. Niitä valmistetaan pääasiassa kahdella eri tavalla, jotka ovat Fischer–Tropsch-synteesi ja metanolisynteesi. Proteiinia valmistetaan vedystä ja hiilidioksidista käymisprosessilla, ja sitä voidaan lisätä erilaisiin ruokiin nostamaan niiden proteiinipitoisuutta.
Power-to-X-teknologioiden uskotaan olevan suuressa roolissa tulevaisuuden energiajärjestelmässä. Tällä hetkellä ei esimerkiksi ole olemassa energianvarastointiteknologiaa, joka pystyisi kilpailemaan pitkäaikaisuudessa Power-to-Gas-teknologian tarjoaman energiavaraston kanssa. Power-to-X-teknologiat ovat jo teknisesti toteutettavissa, mutta jotta ne voisivat tulla kunnolla markkinoille, täytyy niiden kustannusten vielä laskea. Lisäksi säännösten täytyisi kehittyä Power- to-X-teknologioille suotuisammiksi esimerkiksi siten, että hiilidioksidipäästöoikeuksien hinnat olisivat korkeampia.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8354]