Utilization of captured solid carbon in infrastructures

Abstract

The utilization potential of solid carbon products obtained with molten salt electrolysis as an alternative earth construction material in infrastructures is discussed in this thesis. The thesis is composed of a literature review and preliminary technical calculations. The technical characteristics, possible earth construction applications, factors hindering the utilization potential, and the scale in which captured solid carbon products could be utilized are discussed. To the author’s knowledge no earlier research has been conducted on the subject. Carbon is an abundant element, and it is a vital part of organic compounds. Carbon has different allotropes which have a vast amount of applications due to their superior mechanical properties. Carbon is also a component of the greenhouse gas CO2 which is a remarkable booster of climate change. To reduce the amount of CO2 in the atmosphere different carbon capture systems have been developed for utilization in power plants and industrial facilities. The fundamental idea of the capture systems is to separate the CO2 from the other flue gas components or ambient air. The captured CO2 can then be either stored or utilized. Most carbon capture systems are based on chemical or physical absorption and adsorption reactions, gas separating membranes, or mineral carbonation. The capture process can take place before or after the primary production process or directly from air. Molten salt electrolysis is a relatively new carbon capture method in which gaseous CO2 is electrochemically reduced into oxygen and solid carbon. It allows producing different kinds of carbon products such as carbon nanotubes or nanofibers by modifying the process parameters. Infrastructures are layered earth structures that are designed to withstand loads caused by their own mass, environmental factors, and traffic when required. The structure’s own mass causes settlements and stability issues on soft subsoil whereas frost heaving, presence of excess water in the structure, and hydraulic failures are the most important environmental stress factors. Traffic loads put a strain on the structure’s body which, for instance, appears as rutting on roads. During recent years it has been speculated that CO2 could be utilized as feedstock for novel or conventional construction materials like cement. The CO2 could be utilized as solid carbon products or through mineral carbonation. According to the preliminary calculations conducted in this work utilization of captured solid carbon products is possible at least on the lower structural layers of lower-class roads or in structures that are not subjected to traffic loads. By utilizing captured solid carbon products in road pavements, the use of natural aggregates, the total thickness of structures, and the need for subgrade reinforcement procedures on weak subsoil can all be reduced. The utilization of captured solid carbon products is beneficial in terms of frost protection design and reducing settlements due to their low unit weight and estimated thermal insulation properties. Factors hindering the utilization potential of captured solid carbon products include their high retail price compared to natural aggregates, and the lack of knowledge on their mechanical characteristics, workability, and effects on health and environment. The mechanical characteristics of captured solid carbon products should be examined to better understand their utilization possibilities in infrastructures.

Tässä diplomityössä tarkastellaan sulasuolaelektrolyysillä talteen otetun kiinteän hiilen hyötykäyttömahdollisuuksia vaihtoehtoisena rakennusmateriaalina infrarakenteissa. Työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta ja alustavista teknisistä laskelmista. Työssä pyritään selvittämään talteen otetun hiilen tekniset ominaisuudet, mahdolliset käyttökohteet maarakentamisessa, hyötykäyttömahdollisuuksia haittaavat tekijät sekä mahdolliset käyttömäärät. Aiheesta ei ole tehty aiempaa tutkimusta. Hiili on erittäin yleinen alkuaine, jota esiintyy useissa erilaisissa olomuodoissa. Hiilen eri olomuodoille on olemassa useita erilaisia sovelluksia hiilen erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien takia. Ilmakehässä hiiltä esiintyy hiilidioksidina, joka on yleinen ilmastonmuutosta kiihdyttävä kasvihuonekaasu. CO2-päästöjen vähentämiseksi on kehitetty useita erilaisia CO2:n talteenottojärjestelmiä, joita voidaan käyttää esimerkiksi teollisuus- ja voimalaitoksissa. Järjestelmien toiminnan periaatteena on erotella CO2 muista savukaasukomponenteista tai ilmakehän kaasuista. Talteen otettu CO2 voidaan joko varastoida tai hyödyntää esimerkiksi raaka-aineena. Yleisimmissä CO2:n talteenottojärjestelmissä hyödynnetään kemiallista tai fyysistä absorptiota, adsorptiota, membraaneja tai karbonointireaktioita. Talteenotto voi tapahtua ennen varsinaista tuotantoprosessia, sen jälkeen, tai suoraan ilmakehästä. Sulasuolaelektrolyysi on kohtuullisen uusi hiilen talteenottomenetelmä, jossa kaasumainen CO2 pelkistetään hapeksi ja kiinteäksi hiileksi. Sen avulla on mahdollista tuottaa monenlaisia hiilituotteita, kuten hiilinanoputkia tai -nanokuituja, eri käyttötarkoituksiin prosessiparametreja säätelemällä. Infrarakenteet ovat kerroksellisia maarakenteita, jotka mitoitetaan kestämään niiden oman painon, ympäristötekijöiden ja tarvittaessa myös liikennöinnin aiheuttamia kuormituksia. Rakenteiden oma paino aiheuttaa painumia ja stabiliteettiongelmia heikosti kantavalla pohjamaalla. Ympäristökuormituksista tärkeimpiä kuormitustekijöitä ovat pohjamaan routiminen sekä liiallisen veden rakennetta heikentävä vaikutus ja veden aiheuttamat hydrauliset murtumat. Liikennekuormitus puolestaan rasittaa rakenteen runkoa, mikä ilmenee muun muassa teiden urautumisena. Hiilidioksidin hyötykäyttöä rakennusmateriaalien raaka-aineena, joko kiinteänä hiilenä tai karbonaattiyhdisteinä, on tutkittu runsaasti viime vuosina. Tässä työssä tehtyjen alustavien laskelmien ja tarkastelujen perusteella vaikuttaa siltä, että talteen otettuja kiinteitä hiilituotteita voidaan hyödyntää ainakin alemman luokan teiden alemmissa rakennekerroksissa tai rakenteissa, jotka eivät altistu liikennekuormitukselle. Laskelmien perusteella hiilituotteiden käytöllä tierakenteissa voidaan vähentää käytettävän neitseellisen kiviaineksen määrää, käyttää ohuempia rakennepaksuuksia sekä vähentää pohjanvahvistustoimenpiteiden tarvetta pehmeiköillä. Hiilituotteiden käyttö on perusteltua routa- ja painumamitoituksessa saavutettavilla hyödyillä niiden keveyden ja arvellun hyvän lämmöneristävyyden takia. Hiilituotteiden hyötykäyttöä mahdollisesti rajoittavia tekijöitä ovat niiden korkea hinta luonnonkiviainekseen verrattuna sekä tiedon puute niiden mekaanisista ominaisuuksista, työstettävyydestä, ja terveys- ja ympäristövaikutuksista. Etenkin hiilituotteiden mekaaniset ominaisuudet on selvitettävä, jotta niiden soveltuvuutta infrarakenteisiin voidaan arvioida tarkemmin.