Molten salt electrolysis of CO2 to solid carbon products and oxygen : A literature review and case study

Abstract

Ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi hiilidioksidipäästöjä vähentävien teknologioiden etsiminen on tärkeämpää kuin koskaan. Tämän tutkielman aiheena on yksi hiilidioksidipäästöjä vähentävä prosessi, hiilidioksidin sulasuolaelektrolyysi kiinteiksi hiilituotteiksi ja hapeksi. Hiilidioksidin elektrolyysiä on aiemmin käytetty hiilivetypolttoaineiden ja hiilimonoksidin tuotantoon. Käyttäessä sulasuolaa elektrolyyttinä on elektrolyysiprosessin huomattu tuottavan kiinteitä hiilituotteita, kuten hiilinanoputkia.

Tutkielman ensimmäinen osuus on kirjallisuuskatsaus, joka käsittelee elektrolyysiprosessin toimintaa sekä prosessista saatavia hiilituotteita. Lisäksi osuudessa tarkastellaan prosessiin ja hiilituotteisiin vaikuttavia tekijöitä sekä mahdollisia sovellutuksia. Tutkielman toisessa osuudessa esitellään tapaustutkimus hiilinanoputkia tuottavan prosessin taloudellisesta elinkelpoisuudesta.

Kirjallisuuskatsauksessa havaittiin, että hiilidioksidin sulasuolaelektrolyysissä hiilituotteiksi ja hapeksi katodille kiinteytyy hiiltä ja happea muodostuu anodilla. Yksi katodisen kinetiikan rajoitteista on lämpötila, mutta hiilidioksidin absorptio ei ole prosessin nopeutta rajoittava tekijä 650–850 celsiusasteen lämpötilassa. Tuotteena saatavan hiilen koostumus riippuu monesta tekijästä, kuten elektrolyytistä ja prosessin lämpötilasta. Prosessilla valmistettavista hiilen allotroopeista tähän tapaustutkimukseen valittiin hiilinanoputket niiden korkean markkinahinnan vuoksi.

Suomeen sijoittuvan tapaustutkimuksen tuloksien perusteella hiilinanoputkien tuottaminen hiilidioksidin sulasuolaelektrolyysillä on taloudellisesti elinkelpoista. Prosessin suurin yksittäinen menoerä on sähkönkulutuksen hinta, joka muodostaa lähes 68 prosenttia prosessin kokonaiskuluista. Hiilidioksidin elektrolyysihinta hiilidioksiditonnia kohden on 1 350 €. Prosessin takaisinmaksuaika on 0,27 vuotta, ja nettonykyarvo kolmenkymmenen toiminnallisen vuoden jälkeen on 260 000 €. Tulokset ovat suuntaa antavia, sillä käytetyt arvot ovat epätäsmällisiä ja aiheesta on tehty vasta vähäisesti tutkimusta.