Hiilen hyödyntäminen muuttaa jätteen arvokkaaksi

Hiilen talteenotto on uusi ratkaisu teollisuuden kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseen. Sen jälkeen kun hiilidioksidi on otettu talteen prosessin pakokaasuvirroista, se kuljetetaan yleensä lähtöpaikastaan ​​pitkäaikaista varastointia varten maan alle. Varastointipaikkojen teknologia ja jatkuva valvonta ovat kuitenkin kalliita.

Kustannusten osittaiseksi kompensoimiseksi talteen otettu CO₂ voitaisiin käyttää uudelleen lisäarvon luomiseksi sen sijaan, että se vain varastoidaan. Tämä käytäntö, joka tunnetaan nimellä hiilen kierrätys, kuuluu laajempaan hiilen talteenoton, käytön ja varastoinnin (CCUS) kokonaisuuteen. Tämä on kollektiivinen ratkaisu, joka auttaa saavuttamaan vuoden 2050 nollapäästötavoitteet ja lieventämään ilmastouhkia.

Nykyään teollisuus kerää vuosittain 45 miljoonaa tonnia hiilidioksidia jätevirroista, mikä on noin 0,1 % maailmanlaajuisista päästöistä kaikilla sektoreilla. Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin ja Kansainvälisen Energiajärjestön ilmastomallien mukaan CCUS voisi kerätä huikean miljardi tonnia hiilidioksidia vuodessa vuoteen 2030 mennessä ja useita miljardeja tonneja vuoteen 2050 mennessä. Jos teollisuuden ja muiden alojen hiilidioksidipäästöt pysyvät suurin piirtein ennallaan, se voisi vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ilmakehään noin 10 %.

CCUS-tekniikat edellyttävät luotettavaa mittausta kriittisissä kohdissa prosessin laadun ja turvallisuuden varmistamiseksi. Se sisältää tyypillisesti pinnan-, virtauksen-, lämpötilan- ja paineen mittaukset, nesteanalyysin sekä yhä useammin kaasuanalyysin, jossa käytetään spektroskooppisia Raman- ja TDLAS-analysaattoreita.

Koska CO₂:n talteenotto on kallista, CCUS-teknologiaa käyttäviä jalostajia kiinnostaa kyky muuttaa merkittäviä määriä kaasua arvokkaaksi tuotteeksi. Hiilen hyödyntämisestä hyötyviä sovelluksia ja teollisuudenaloja on lukuisia, ja niihin kuuluvat muun muassa seuraavat:

Merkittävästä energiankulutuksestaan ​​ja hiilijalanjäljestään tunnettu rakennusteollisuus voi hyödyntää hiilidioksidin talteenottoa ja hyödyntämistä luodakseen kestävämpiä rakennusmateriaaleja. Perinteiset sementin tuotantoprosessit lämmittävät materiaalit yli 1450 °C:seen (2642 °F) yleensä käyttämällä raskasta polttoöljyä, hiiltä, ​​maakaasua tai muita jäteperäisiä polttoaineita. Lisäksi sementin valmistukseen tyypillisesti käytetty kemiallinen reaktio vaatii kalsiumkarbonaatin muuttamisen kalsiumoksidin kaltaisiksi yhdisteiksi, mikä tuottaa sivutuotteena hiilidioksidia. Yhdessä nämä päästöt vastaavat noin 7 prosentista maailman kasvihuonekaasutuotannosta.

Tätä voidaan kuitenkin lieventää keräämällä hiilidioksidi poistovirrasta amiinikaasukäsittelyn avulla ja ruiskuttamalla se tuoreeseen betoniin sekoitusprosessin aikana. Ruiskutettu CO₂ reagoi betoniseoksessa olevien kalsiumionien kanssa muodostaen kalsiumkarbonaattia, luonnossa esiintyvää sideainetta. Tämä rikastaa betonia lisäämällä sen puristuslujuutta ja sitomalla pysyvästi hiilidioksidia, mikä poistaa varastoinnin ja valvonnan tarpeen geologisissa muodostumissa. 

Parantunut betonin lujuus mahdollistaa materiaalien vähentämisen rakennusprojekteissa, mikä luo säästöjä, jotka osittain kompensoivat amiinikäsittelyn kustannuksia. Lisäksi CO₂-ruiskutus voidaan integroida olemassa oleviin betonin tuotantoprosesseihin tekemällä mahdollisimman vähän muutoksia olemassa olevaan infrastruktuuriin. 

Hiilidioksidilla voidaan myös luoda synteettistä kiviainesta, joka on betonin avainkomponentti ja korvaa perinteiset maasta louhitut kiviainekset. Lisäksi nousevat innovaattorit tutkivat biopohjaisten hiilinegatiivisten vaihtoehtojen kehittämistä betonille, joissa tuotantoprosessi absorboi enemmän CO₂:ta kuin se päästää.

Voimakkaasti fossiilisista polttoaineista riippuvainen kuljetusala voi saada merkittävää kestävän kehityksen etua hiilen hyödyntämisestä. Erilaisten kemiallisten prosessien avulla talteen otettu CO₂ voidaan muuntaa uusiutuviksi polttoaineiksi, kuten metanoliksi ja kestäväksi lentopolttoaineeksi (SAF), mikä auttaa vähentämään alan hiilijalanjälkeä.

Uusiutuvan metanolin tuottamiseksi talteen otettu hiilidioksidi saatetaan reagoimaan vihreän vedyn kanssa katalyytin läsnä ollessa korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Metanolia voidaan käyttää joko suoraan autojen polttoaineena tai muiden polttoaineiden, kuten biodieselin, raaka-aineena. 

S&P Global ennustaa, että uusiutuvan metanolin markkinat saavuttavat 400 miljoonaa tonnia vuodessa vuoteen 2050 mennessä, mikä osoittaa sen valtavan potentiaalin. Metanolin käytössä kuljetusalalla on kuitenkin haasteita, mukaan lukien erikoistuneen infrastruktuurin tarve. 

Vastaavasti ilmailuteollisuus tutkii talteenotetusta hiilidioksidista valmistettujen SAF:ien käyttöä vähentääkseen riippuvuuttaan fossiilisista polttoaineista. SAF:n valmistamiseksi talteenotettu hiilidioksidi yhdistetään ensin veteen prosessissa, jota kutsutaan käänteiseksi vesi-kaasusiirtymäksi, jolloin syntyy synteesikaasua, hiilimonoksidin ja vedyn seosta. 

Seuraavaksi synteesikaasu muunnetaan hiilivetyjen seokseksi Fischer-Tropsch-prosessilla, ja hiilivetyseos käy läpi vetyprosessoinnin epäpuhtauksien poistamiseksi ja polttoaineen ominaisuuksien säätämiseksi. Lentopolttoaineen ominaisuuksia, mukaan lukien energiasisältö, leimahduspiste ja jäätymispiste, on seurattava ja valvottava huolellisesti.

Kansainvälinen lentoliikenneliitto arvioi vielä kehitysvaiheessa, että SAF voisi vähentää lentoliikenteen kasvihuonekaasupäästöjä 65 %.

Kemianteollisuus on tällä hetkellä vahvasti riippuvainen fossiilisista polttoaineista, mutta hiilidioksidia voidaan käyttää vaihtoehtoisena raaka-aineena monissa tapauksissa monenlaisten kemikaalien ja polymeerien valmistuksessa. Näitä ovat lannoiteurea, muovit ja pakkausmateriaalit. 

Kun CO₂ reagoi ammoniakin kanssa korkeassa paineessa ja lämpötilassa, muodostuu ammoniumkarbamaattia. Kun tämä kemikaali hajoaa, se tuottaa ureaa ja vettä, jotka voidaan sitten käsitellä ja rakeistaa kiinteään muotoon käytettäväksi lannoitteena. 

Hiilidioksidia voidaan käyttää myös polykarbonaattien valmistukseen. Näitä kestäviä ja läpinäkyviä polymeerejä käytetään yleisesti elektroniikassa, silmälaseissa ja autonosissa. Nämä polymeerit muodostetaan saattamalla CO2 suoraan reagoimaan epoksidien, eräänlaisen syklisen eetterin kanssa, katalyytin läsnä ollessa. 

Polyuretaanin tuotanto on toinen johtava hiilidioksidin käyttömuoto kemianteollisuudessa. Polyuretaanit, jotka tunnetaan monipuolisuudestaan ​​ja sovelluksistaan ​​vaahtomuovissa, pinnoitteissa ja eristeissä, valmistetaan perinteisesti käyttämällä fossiilisista polttoaineista johdettuja polyoleja. Jalostajat voivat kuitenkin korvata ne hiilidioksidipohjaisilla polyoleilla, mikä vähentää riippuvuutta perinteisistä polttoaineista ja pienentää polyuretaanituotteiden hiilijalanjälkeä.  

Nämä kiertotalouden kestävät käytännöt ovat lupaavia, mutta niillä on haasteita kilpailla perinteisen fossiilisiin polttoaineisiin perustuvan tuotannon kanssa hiilidioksidin talteenottoon liittyvien korkeampien kustannusten vuoksi. 

Maataloussektori voi hyötyä myös hiilen hyödyntämisestä urealannoitteiden levittämisen ja suoran käytön kautta. Hiilidioksidikaasu voi rikastuttaa kasvihuoneympäristöjä ja parantaa kasvien kasvua ja satoa. Lisäksi talteen otettua CO₂:ta voidaan käyttää levien viljelyyn, josta voidaan jalostaa biopolttoaineita, rehuja ja elintarvikkeita.

Kestävästä mahdollisuudestaan ​​huolimatta CCUS:n käyttöönotto kohtaa huomattavia esteitä. Erityisesti hiilidioksidin talteenottoteknologiat ovat kalliita toteuttaa. Tuotannon lisääminen kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi vaatii merkittäviä investointeja infrastruktuuriin ja markkinoiden kehittämiseen. Hallitusten ja valtiosta riippumattomien järjestöjen on todennäköisesti rahoitettava suuri osa tarvittavasta pääomasta.

Lisäksi hiilidioksidin talteenoton ja käytön yleisen kestävyyden varmistaminen edellyttää prosessien tehostamista uusiutuvista lähteistä saatavalla energialla. Fossiilisten polttoaineiden käyttäminen CCUS-teknologioiden tehostamiseen olisi haitallista ja tekisi tyhjäksi ympäristöhyödyt. 

Ajan mittaan tutkimus- ja kehitystyö auttaa optimoimaan prosesseja ja lisäämään tehokkuutta, mikä alentaa CCUS-teknologian käyttökustannuksia. Taloudellinen kannattavuus tai ainakin edullinen hiilidioksidin talteenotto on ratkaisevan tärkeää sen laajalle levittämiselle koko teollisuudessa, varsinkin kun yhä useammat yritykset ja kuluttajat arvostavat kestävää kehitystä maailmanlaajuisesti.  

Hiilen talteenoton ja käytön lisääminen voi auttaa vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä ja muuttamaan haitallisen sivutuotteen arvokkaaksi resurssiksi. Hiilen hyödyntäminen on yksi monista keinoista vähentää hiilidioksidipäästöjä eri toimialoilla ja edistää näin kestävämpää tulevaisuutta.