Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi tai hyötykäyttö

Abstract

Hiilidioksidipitoisuus ilmakehässä on kasvanut ihmistoiminnan vaikutuksesta merkittävästi, minkä seurauksena maapallon keskilämpötila on noussut noin 1 ℃:een verrattuna esiteolliseen aikaan. Jotta Pariisin ilmastosopimuksen tavoite rajoittaa ilmaston lämpeneminen alle 2 ℃:een voidaan saavuttaa, tarvitaan merkittäviä päästövähennyksiä. Yksi osatekijä tavoitteen saavuttamiseksi on hiilidioksidin talteenotto. Tässä kandidaatin työssä tarkastellaan talteenottoa voimalaitokselta, sillä 43 % maailman hiilidioksidipäästöistä on sähkön- ja lämmöntuotannosta. Työssä tarkastellaan myös talteenotetun hiilidioksidin loppusijoitusta varastoimalla tai jatkokäyttöä hyötykäytössä sekä näiden haasteita. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena.

Hiilidioksidin talteenottoon voimalaitoksilla on kolme pääkategoriaa: talteenotto ennen polttoa, happipoltto ja talteenotto polton jälkeen. Hiilidioksidin talteenotto ennen polttoa vaatii polttoaineen esikäsittelyn, mutta etuna on erotusta helpottavat suurempi hiilidioksidikonsentraatio ja korkea osapaine. Happipoltossa käytetään ilman sijaan puhdasta happea, jolloin savukaasu sisältää ideaalisesti vain hiilidioksidia ja höyryä. Talteenotossa polton jälkeen hiilidioksidi otetaan talteen savukaasuista, jolloin menetelmää voidaan soveltaa ilman suuria muutoksia olemassa oleviin voimalaitoksiin. Hiilidioksidin matala konsentraatio ja alhainen osapaine savukaasussa aiheuttavat haastetta erotuksessa.

Tässä työssä tarkastellaan absorptiota, adsorptiota sekä membraaneja hiilidioksidin erotukseen ennen ja jälkeen polttoa tehtävässä talteenotossa. Absorptio käyttäen monoetanoliamiinia liuottimena on ainoa laajassa skaalassa käytössä oleva hiilidioksidin talteenottotekniikka. Haasteena ovat kuitenkin muun muassa korkeat kustannukset ja liuottimen toksisuus ympäristölle sekä ihmisille. Membraani eli puoliläpäisevä kalvo, joka toimii suodattimena erottaen hiilidioksidin syötteestä, tunnistetaan potentiaaliseksi ympäristöystävällisemmäksi vaihtoehdoksi kuin absorptio tai adsorptio.

Talteenotettu hiilidioksidi voidaan joko varastoida tai hyötykäyttää. Hiilidioksidin varastoinnin ja hyötykäytön erona on, että hyötykäyttö hidastaa päästöjen vapautumista, muttei kokonaan poista niitä. Toisaalta muunnettaessa hiilidioksidi esimerkiksi polttoaineiksi voidaan vähentää fossiilisten materiaalien käyttöä ja sitä kautta vähentää päästöjä. Hiilidioksidin varastointipaikka tulee valita tarkoin, jotta hiilidioksidia ei pääse vuotamaan. Paikallisesti vuoto aiheuttaisi muun muassa maaperän ja veden saastumista. Talteenotettu hiilidioksidi voidaan myös hyötykäyttää usein eri tavoin varastoinnin sijaan. Hyötykäyttömenetelmien kaupallista hyödyntämistä hidastavat muun muassa korkea energian tai katalyytin tarve johtuen hiilidioksidimolekyylin stabiilisuudesta.

Työssä havaittiin, että hiilidioksidin talteenottoon ja varastointiin tai hyötykäyttöön liittyy vielä paljon haasteita. Lisäksi tunnistettiin tarve kehittää ympäristöystävällisempiä talteenottotekniikoita, jotta hiilidioksidipäästöjen lämmityspotentiaalia ei vaihdeta muihin ympäristöhaittoihin.