Pienydinreaktorin hyödyntäminen osana biojalostamon energiavirtoja: Energiavirtojen tarkastelu ja biopolttoaineiden tuotantopotentiaali mustalipeästä

Abstract

Sulfaattikeitto vastaa 80 % maailman sellun tuotannosta. Sulfaattisellutehtailla noin puolet puubiomassasta poltetaan sellunkeiton sivuvirtana tehtaan oman energiantarpeen tyydyttämiseksi. Biojalostamo-ajatusmallissa sellutehtaan sivuvirroista jalostetaan korkeamman jalostusarvon tuotteita käytettäväksi tehtaan ulkopuolella, esimerkiksi liikennepolttoaineina. Työssä tutkittiin mahdollisuutta yhdistää pienydinreaktori sellutehdasympäristöön. Tavoitteena oli osoittaa, että sellutehtaan pääenergianlähde eli soodakattila voidaan korvata pienydinreaktorilla. Samalla tutkittiin, mitä muutoksia soodakattilasta luopuminen aiheuttaisi sellutehtaan kemikaalikiertoon. Työ tehtiin toimeksiantona pienydinreaktorien käyttökohteita tutkivalle ajatuspajalle Think Atom Oy:lle. Työssä selvitettiin tavanomaisen sulfaattisellutehtaan energiantuotantotavat ja energian käyttökohteet. Työssä esiteltiin yksi esimerkki biojalostamosta, joka valmistaa mustalipeästä biopolttoaineita. Tarkastelun perusteella arvioitiin, mitä vaatimuksia esitelty biojalostamo asettaisi pienydinreaktorille lämmönlähteenä. Työssä tarkasteltu prosessi pohjautui Chemrec AB kehittämään mustalipeän kaasutukseen ja DME-synteesiin, jota koekäytettiin vuosina 2005–2016 Ruotsin Piteåssa. Työssä tutustuttiin selluteollisuuden lämmönlähteeksi soveltuviin pienydinreaktoreihin. Pienydinreaktorit soveltuvat erityisesti pienemmän lämpötehonsa (<1000 MWt) ja ydinlatauksensa vuoksi paremmin teollisuuslämmön tuotantoon kuin tavanomaiset suuret (3000 MWt) sähkön tuotantoon suunnitellut ydinvoimalat. Työssä esiteltiin muutama sellutehdaskäyttöön potentiaalinen reaktorimalli: NuScale Power Module, ACP-100 ja KLT-40S. Mallit valikoitiin NEA SMR Dashboard -julkaisun avulla. Biojalostamolle teoreettisesti soveltuva pienydinreaktorimalli ja reaktorimoduulien määrä mitoitettiin karkeasti kirjallisuudesta saadun biojalostamon energiatarpeen ja reaktoritehon perusteella. Reaktorivalinnassa merkittäviä olivat myös tekninen ja kaupallinen valmius, tuotetun höyryn soveltuva lämpötila sekä soveltuvuus sähkön ja lämmön yhteistuotantoon. Mitoituksen perusteella kaksi NuScale Power Module -reaktoria olisi sopiva määrä biojalostamon tehontarpeeseen. Laskentaosiossa tarkasteltiin myös yksinkertaisen energiataselaskennan kautta, paljonko säästyvästä mustalipeästä voitaisiin tuottaa biopolttoaineita. Muuttamalla kirjallisuudesta saaduilla konversioprosenteilla Suomessa vuonna 2024 tuotettu mustalipeä kokonaan biopolttoaineeksi olisi voitu korvata 73–96 % vuotuisesta dieselin kulutuksesta liikennekäytössä. Samalla Suomeen tarvittaisiin 22 NuScale reaktoria, tai lämpöteholtaan vastaava määrä muita soveltuvia reaktoreita. Soveltuvan reaktorin tai reaktorien mitoittaminen täytyy joka tapauksessa tehdä tapauskohtaisesti jokaiselle sellutehtaalle tai biojalostamolle erikseen. Työn pohjalta voidaan sanoa sellutehtaan olevan mielenkiintoinen käyttökohde ydinreaktorin tarjoamalle kasvihuonekaasupäästöttömälle lämmölle. Keittoprosessi itsessään ei vaadi esimerkiksi äärimmäisen korkeaa lämpötilaa tai aseta energianlähteelleen muita vaatimuksia, joita tavanomainen SMR ei pystyisi täyttämään. Sulfaattitehtaan kemikaalikierto on kuitenkin monimutkainen prosessi ja soodakattilan korvaaminen ydinreaktorilla vaatisi valtavia muutoksia nykyisiin tehtaisiin.