E-metaanin tuotantopotentiaali Pirkanmaalla

Abstract

Sähkön avulla tuotetuilla synteettisillä polttoaineilla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi. E-metaani on synteettinen polttoaine, jota voidaan tuottaa hiilidioksidista ja vedystä. Hiilidioksidia voidaan ottaa talteen esimerkiksi energiantuotannossa ja teollisissa prosesseissa, ja vetyä voidaan tuottaa sähkön avulla elektrolyysin kautta. E-metaania voidaan käyttää esimerkiksi liikennesektorilla ja teollisuudessa, ja siitä voidaan myös jalostaa muita synteettisiä polttoaineita. Tässä työssä tarkastellaan e-metaanin tuotantoa ja sen energiankulutusta. Maantieteelliseksi tarkastelualueeksi on rajattu Pirkanmaa. Työn tavoitteena on määrittää, kuinka paljon e-metaania Pirkanmaalla voitaisiin teoreettisesti tarkasteltuna tuottaa.

Työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta ja laskennallisesta osuudesta. Kirjallisuuskatsauksessa esitellään e-metaanin tuotannon osaprosessit ja niiden energiankulutus. Laskennallisessa osuudessa määritetään e-metaanin tuotantopotentiaali ja tätä vastaava energiankulutus Pirkanmaalla. Tuotantopotentiaali perustuu hiilidioksidin talteenottopotentiaaliin, jonka laskentaperusteena käytetään EU:n päästökauppaan liittyviä laitoskohtaisia hiilidioksidipäästötietoja. Laskennalliset tulokset vastaavat e-metaanin tuotantoprosessia, jossa hiilidioksidi otetaan talteen polttoprosessin jälkeen ja vety tuotetaan alkali- tai PEM-elektrolyysillä. Metanoinnin osalta laskentaperusteena käytetään katalyyttistä metanointiprosessia. E-metaanin tuotantoprosessin energiankulutuksen määrittämiseen käytetään tutkimuksissa ja selvityksissä esitettyjä energiankulutusarvioita. Lisäksi e-metaanin tuotantopotentiaalia tarkastellaan esimerkiksi sähköverkon liityntäkapasiteetin näkökulmasta.

Työssä määritetty e-metaanin tuotantopotentiaali Pirkanmaalla on noin 73,6 milj. kg. Laskennassa käytettyjen päästötietojen rajoitteiden takia todellinen tuotantopotentiaali voi olla tätäkin suurempi. Tuotantopotentiaali on huomattava esimerkiksi suhteessa nykyiseen raskaiden tiekuljetusten energian loppukulutukseen Suomessa. E-metaanin tuotannon vaatima energiamäärä on merkittävä suhteessa esimerkiksi Pirkanmaan sähkönkulutukseen. Työssä tarkastelluista tuotannon osaprosesseista elektrolyysi kattaa noin 90 % kokonaisprosessin energiankulutuksesta.

E-metaanin tuotantopotentiaalia voivat rajoittaa useat tekijät. Pirkanmaalla e-metaanin tuotantopotentiaaliin vaikuttavat esimerkiksi kantaverkon kapasiteettirajoitteet, maankäyttö ja taloudelliset seikat. E-metaanin tuotanto voi kuitenkin edistää sektori-integraatiota. Tuotannosta aiheutuu esimerkiksi hukkalämpöä, jota voidaan siirtää kaukolämpöverkkoon. E-metaani ja muut synteettiset polttoaineet toimivat myös energiavarastoina.

Fossil fuels can be replaced by synthetic electrofuels to cut greenhouse gas emissions. E-methane is a synthetic fuel that can be produced from carbon dioxide and hydrogen. Carbon dioxide can be captured in energy production or industrial processes, and hydrogen can be produced by using electricity for electrolysis. Potential application areas for e-methane include the transport sector and industrial processes, for example. Furthermore, it is possible to refine e-methane into other synthetic fuels. The focus of this thesis is on e-methane production and related energy consumption. The geographical area of interest in this thesis is the Tampere Region (Pirkanmaa), and the goal is to determine the theoretical potential for e-methane production in this area.

This thesis consists of a literature review and calculations related to e-methane production. In the literature review, the sub-processes of e-methane production are presented. Related energy consumption is also reviewed. Then, the potential for e-methane production in the Tampere Region and the corresponding energy consumption are calculated. The production potential is based on the potential for carbon capture, which is calculated based on the site-specific emission data published in relation to the European Union’s emissions trading system. The theoretical calculations represent an e-methane production process in which post-combustion carbon capture and alkaline or PEM electrolysis are used. Methanation calculations are based on catalytic methanation. The energy consumption of e-methane production is determined based on estimates presented in previous studies and reports. In addition, the potential for e-methane production is assessed considering the connection capacity in the electricity grid.

The potential for e-methane production in the Tampere Region is estimated to be approximately 73.6 million kg. Due to the limitations of the emission data used in the calculations, the actual e-methane production potential may be even greater than this estimation. The production potential is significant when compared to, for example, the current energy consumption of heavy road transport in Finland. Moreover, the amount of energy needed for e-methane production is considerable compared to the electricity consumption in the Tampere Region, for instance. Considering all the sub-processes examined in this thesis, electrolysis accounts for approximately 90 % of the total energy consumption.

The potential for e-methane production may be limited by multiple factors. In the Tampere Region, the production potential is impacted by main grid capacity limitations, land use and economic factors, for example. E-methane production holds, however, the potential to advance sector coupling. This is demonstrated by the waste heat in e-methane production that can be used in the district heating network. Furthermore, e-methane and other synthetic fuels store energy.