Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi
CCS-tekniikoilla (Carbon Capture and Storage) tarkoitetaan fossiilisen hiilidioksidin talteenottoon (capture) ja varastointiin (storage) liittyviä vaiheita ja tekniikoita. Sekä varastointiin että talteenottoon liittyy useita vaihtoehtoisia ratkaisuja. Jos hiilidioksidin varastointi toteutetaan kunnolla, paikka valitaan huolella ja kohdetta valvotaan, voidaan päästä hyvin lähelle pysyvää hiilidioksidin varastointia. Yksin hiilidioksidin varastointikaan ei toimenpiteenä ratkaise kasvihuonepäästöihin liittyviä kysymyksiä tai ongelmia, mutta se on hyvä lisä työkalupakkiin, jolla asioihin voidaan vaikuttaa oikeaan suuntaan. Maapallo on niin riippuvainen fossiilisista polttoaineista, että on epärealistista ajatella, että niistä päästäisiin eroon kertaheitolla.
Hiilidioksidin talteenotto on jopa varastointia haasteellisempaa
Talteenottotekniikoiden avulla prosesseissa syntyvä hiilidioksidi otetaan talteen ennen sen vapautumista poistokaasujen mukana. Talteenottotekniikoita voidaan pitää jopa varastointitekniikoita suurempana haasteena, sillä hiilidioksidin varastoiminen edellyttää noin 95 %:sta CO₂-pitoisuutta, kun poistokaasun CO₂-pitoisuus tyypillisessä fossiilisia polttoaineita käyttävissä energialaitoksissa on vain noin 10–15 % [1]. Poistokaasu on näin ollen jälkikäsiteltävä ja väkevöitävä ennen varastointia. Talteenottoa pidetäänkin yleisesti mahdollisena vain suurille päästölähteille, kuten energiantuotantolaitoksille ja suuren mittakaavan teolliselle prosesseille.
Hiilidioksidin talteenottotekniikat voidaan jakaa kolmeen eri ryhmään sen mukaan, minkälaisilla järjestelyillä ja missä prosessin vaiheessa hiilidioksidi otetaan talteen. Mainitut kolme talteenottotekniikoiden ryhmää ovat polton jälkeinen (post-combustion) talteenotto, talteenotto ennen polttoa (pre-combustion) ja happipoltto (oxy-combustion) [1] [2].
Polton jälkeinen talteenotto (post-combustion)
Kun hiilidioksidi poistetaan piippuun menevästä savukaasusta, puhutaan hiilidioksidin talteenotosta polton jälkeen [3] [1]. Hiilidioksidin poisto tapahtuu pesureilla, joissa CO₂ sidotaan liuokseen, esimerkiksi monoetanolamiiniin [2]. Liuos kuumennetaan, jolloin CO₂ vapautuu ja saadaan talteen, ja liuos voidaan palauttaa takaisin pesurivaiheeseen. Liuotinta kuluu noin 1,6 kg/t CO₂ [2]. Edellä kuvattuja hiilidioksidin erotusratkaisuja on nykyisin käytössä maakaasuteollisuudessa, jossa menetelmää käytetään maakaasun puhdistamiseen [1]. Menetelmää voidaan siis pitää olemassa olevana talteenottotekniikkana [3].
Talteenotto ennen polttoa (pre-combustion)
Ennen polttoa tapahtuvassa hiilidioksidin talteenotossa kiinteä polttoaine muutetaan kaasumaiseen muotoon ennen lopullista polttoa [1] ja hiilidioksidi poistetaan kaasusta ennen kaasun johtamista kattilaan. Prosessissa tuotetaan varsinaiseksi polttoaineeksi metaania ja vetyä hapen, lämmön ja paineen avulla, ja sivutuotteina syntyy typen ja rikin oksideja sekä hiilidioksidia, jonka pitoisuus on 25–40 % [1]. Hiilidioksidi poistetaan vastaavalla tavalla pesemällä kuin jälkipolttomenetelmässäkin, mutta korkeampi CO2-pitoisuus mahdollistaa pienemmät laitteistot ja näin ollen myös pienemmät investoinnit. Ennen polttoa tapahtuvan hiilidioksidin talteenoton kaltaisia ratkaisuja käytetään synteettisten polttoaineiden polton yhteydessä [1], joten sekin voidaan luokitella olemassa olevaksi tekniikaksi [3].
Happipoltto (oxy-combustion)
Happipoltossa polttoaine poltetaan kattilassa tai turbiinissa puhtaan hapen avulla [1] [2]. Palamisen lopputuotteena syntyvässä savukaasussa hiilidioksidipitoisuus nousee tällöin jopa yli 80 %:iin [1]. Vaadittava savukaasujen käsittelyprosessi on näin ollen ennen polttoa talteenotetun hiilidioksidin vaihtoehtoakin pienempi. Kustannuksia kuitenkin nostaa puhtaan hapen valmistaminen ilmasta [2]. Menetelmällä ei kuitenkaan ole muita etuja savukaasujen väkevöitymisen lisäksi, joten tekniikka ei ole vielä yleisesti käytössä. IPCC:n luokituksen mukaan menetelmä onkin vasta demonstraatiovaiheessa [4].
Hiilidioksidia voidaan varastoida meren alle, maaperään ja mineraaleiksi
Hiilidioksidin varastointitekniikoita tunnetaan nykyisin yleisesti ainakin neljää eri tyyppiä, joista yhdessä hiilidioksidi johdetaan maaperään, toisessa meren pohjaan, kolmannessa sitoutetaan biomassaan ja neljännessä sidotaan kemiallisin reaktioin kiinteiksi mineraaleiksi.
Geologinen varastointi öljy- ja kaasuesiintymiin
Yksi potentiaalisimpana pidetyistä hiilidioksidin varastointitekniikoista on hiilidioksidikaasun pumppaaminen nestemäiseksi paineistettuna öljyesiintymiin, satojen metrien syvyyteen. Öljy ja maakaasu ovat vastaavalla tavalla varastoituneena nestemäisinä kallioperän huokosiin.
Hiilidioksidi olisi pumpattava vähintään 800 metrin syvyyteen, jolloin vallitseva paine ja lämpötila saavat sen pysymään nestemäisinä. Esiintymä on kuitenkin tiivistettävä niin, ettei hiilidioksidi pääse kohoamaan ylöspäin, sillä ylempänä kuin 800 metrin syvyydessä neste muuttuu takaisin kaasuksi.[3] [1]
IPCC:n tulkinnan mukaan öljy- ja kaasuesiintymät ovat varastoineet nesteitä vuosituhansia, joten tiiviiksi luokiteltujen esiintymien voidaan katsoa ”hyvin todennäköisesti” ylittävän 99 %:n CO₂-pidätyskyvyn 100 vuoden aikajaksolla ja ”todennäköisesti” ylittävän 99 %:n CO₂-pidätyskyvyn yli 1000:n vuoden aikajaksolla [3] [4].
Mahdollista on, että aikojen kuluessa hiilidioksidi reagoi kemiallisesti mineraalien ja kallioperän kiviaineksen kanssa muodostaen kiinteitä karbonaatteja ”geokemiallisen varastoitumisen” kautta. Prosessi voi tosin viedä satoja, kenties tuhansiakin vuosia, mutta sen jälkeen hiilidioksidi olisi sitoutuneena käytännössä pysyvästi. [3]
Menetelmän haasteena on osoittaa, että hiilidioksidi todella saadaan eristettyä kohteeseen tiiviisti ja pysyvästi, että esiintymä on kaikilta osin syvemmällä kuin 800 metrin syvyydessä ja että kohde on seismisesti riittävän vakaata. Monet jo tyhjennetyt esiintymät on kuitenkin aikanaan tutkittu niin perusteellisesti, että tiedon keräys ei välttämättä vaadi mittavia lisätutkimuksia. Lisäksi menetelmästä on jo vuosikymmenien käyttökokemukset, sillä hiilivetyteollisuus on 1970-luvulta lähtien pumpannut hiilidioksidia takaisin esiintymiin saadakseen lisättyä tuotantoa (Enhanced Oil Recovery (EOR)) ja tuotua kaiken mahdollisen öljyn ulos lähteestä. Hiilidioksidi liukenee öljyyn tehden sen juoksevammaksi, jolloin öljy kulkeutuu helpommin pumpuille. Samalla on voitu todeta, että suurin osa esiintymiin pumpatusta hiilidioksidista jää sitoutuneeksi esiintymiin. [3]
Geologinen varastointi suolaisiin pohjavesikerrostumiin (deep saline aquifers)
Syvät suolaisen pohjaveden kerrostumat ovat rakenteeltaan vastaavia kuin öljy- ja maakaasukerrostumat, mutta öljyn ja maakaasun sijaan kerrostumissa on erittäin mineralisoitunutta suolavettä. Näin ollen myös kyseisten esiintymien soveltuvuus hiilidioksidin varastointiin arvioidaan vastaavin kriteerein kuin öljy- ja maakaasulähteiden tapauksessa. Potentiaalisiksi varastointikohteiksi pohjavesikerrostumat tekee erityisesti se, että ne ovat huomattavasti öljy- ja maakaasulähteitä yleisempiä, jolloin kuljetusmatkat kohteisiin jäisivät lyhyemmiksi. Syvien pohjavesikerrostumien toimivuudesta varastointikohteena ei kuitenkaan vielä ole käytännön kokemusta. [3]
Varastointi hiiliesiintymään sitomalla
Hiilidioksidin injektoimisen hiileen on todettu syrjäyttävän metaanin ja jättävän hiilidioksidin pysyvästi varastoituneeksi [3]. Syrjäytetty metaani voidaan kerätä talteen ja käyttää edelleen polttoaineena. Tästä tosin muodostuu kehä, kun metaanin poltossa tuotetaan jälleen uutta hiilidioksidia, jolle tulisi löytää varastointikohde. Menetelmä onkin vielä demonstraatiovaiheessa. Eräs huoli on, että hiilidioksidi tekee hiiliesiintymistä epästabiileja ja soveltumattomia myöhempään hyötykäyttöön. Lisäksi menetelmän mielekkyyttä heikentää merkittävästi se, että potentiaalisia kohteita on vain vähän [3].
Varastointi meren pohjakerrostumiin
Jos hiilidioksidi pumpataan syvemmälle kuin 3 000 metrin syvyyteen, sen on arvioidaan varastoituvan sinne hyvin pitkäksi aikaa. Mereen sijoittamisen potentiaalia pidetään suurena, mutta menetelmä on vielä demonstraatiovaiheessa, eli käytännön kokemusta aiheesta ei vielä ole. Haasteena on mm. se, miten pH:n lasku ja happamuuden lisääntyminen saattavat vaikuttaa meriympäristöön.
On arvioitu, että 65–100 % hiilidioksidista säilyisi varastoituneena yli 100 vuotta ja 30–85 % yli 500 vuotta. Arvioiden suuret vaihteluvälit johtuvat siitä, että pohjan merivirtauksia ja muita mahdollisia meriympäristön muuttujia on vaikea arvioida. [3]
Mineralisaatio
Hiilidioksidin reagoidessa metallioksideja sisältävien mineraalien, eli silikaattien kanssa lopputuotteena on stabiili metallikarbonaattimineraali [5]. Esimerkkejä reaktioon soveltuvista silikaateista ovat serpentiini (Mg₂Si₂O₅(OH)₄), oliviini ((Mg,Fe)₂SiO₄) ja kalsiumsilikaatti (CaSiO₃). Lopputulos on stabiili, joten varastointia voidaan pitää lopullisena [3]. Mineralisaatio voidaan toteuttaa joko johtamalla hiilidioksidi suoraan mineraaliesiintymään, tai toimittamalla soveltuva mineraali hiilidioksidin syntypaikalle [5]. Mineralisoitumisreaktio kaasun ja kiinteän faasin välillä tapahtuu normaalissa lämpötilassa ja paineessa hitaasti, joten usein vaaditaan lämpötilan ja paineen keinotekoista nostamista riittävän nopean reaktion aikaansaamiseksi.
Silikaattimineraaliesiintymiä on maailmanlaajuisesti niin paljon, että esim. yksinomaan magnesiumsilikaatit riittäisivät sitomaan itseensä hiilidioksidin, joka vapautuisi kaikkien fossiilisten polttoaineiden hyödyntämisestä. Suomen magnesiumsilikaatiesiintymät riittäisivät ainakin teoriassa noin 200–300 vuoden tarpeisiin. Lisäksi hiilidioksidin sitomiseen soveltuvat teollisuuden sivutuotteet ja jätteet. [5]
Luonnon mineraaleissa magnesium-pitoisuus on prosessointiasteesta riippuen 33–40 % MgO, kun puolestaan teollisten prosessien sivutuotteissa metallipitoisuudet vaihtelevat jätteen alkuperästä riippuen. Teollisten prosessien mineraalisia sivutuotteita ovat mm. raudan ja teräksen jalostuksen sivutuotteet, jätteiden polton tuhka, paperin siistausjäte, hiilivoimalan tuhkat ja sementin valmistuksen jätteet. Metallin jalostuksen sivutuotteiden potentiaali sitoa hiiltä, eli sen CaO-pitoisuus, on välillä 40–65 %, jätteiden polton tuhkan 20–30 %, paperin siistausjätteen 35 %, hiilivoimalan tuhkien max. 65 % ja sementin valmistuksen jätteiden max. 65%[5].
Luonnonmineraalien magnesiumpitoisuus on huomattavasti kalsiumpitoisuutta suurempi, joten magnesiumkiven potentiaali hiilidioksidin sitojanakin on suurempi: yksi magnesium-silikaattikilo voi sitoa 0,55 kg CO₂, kun määrä kalsiumsilikaattikiloa käyttäen on vain 0,08 kg CO₂ [5].
Reaktioiden lopputuotteena syntyvän mineraalin määrä on suurempi kuin reaktioon alun perin käytetty kiviaines. Näin ollen reagoinut mineraali ei mahdu samaan tilavuuteen kuin mistä se alunperin on kaivettu. Hiilidioksidin kanssa reagoimalla syntyneitä kalsiumkarbonaattituotteita hyödynnetään esim. teiden rakentamisessa, kemianteollisuudessa ja metalliteollisuudessa raaka-aineena tai maataloudessa. Magneisumkarbonaattia puolestaan hyödynnetään mm. tiilien valmistuksessa. [5]
Käytännössä hyödyntämiskohteet ratkeavat sillä perusteella, mitä mahdollisia metalleja tai muita haitta-aineita mineraaleissa on, ja mikä on näiden aineiden haitta-aineiden liukoisuus. Suomessa päätökset sivutuotteiden ja jätteiden hyödyntämisestä maarakantamisessa tehdään tapauskohtaisesti, ja ratkaisevana tekijänä ovat materiaalin haitta-ainepitoisuudet ja liukoisuudet. Enenevässä määrin ollaan huomioimassa myös vastaanottavan ympäristön lähtötaso, mutta tällaiselle kohdekohtaiselle riskinarvioinnille ei ole valmiita menettelytapoja tai raja-arvoja. Lisäksi luonnon mineraalien hyödyntäminen vaatisi myös maankäytön kysymysten arviointia.
Hiilidioksidin sitominen mineralisaatiotekniikalla on vielä tutkimusasteella. Menetelmän pysyvyyttä hiilidioksidin sitojana pidetään käytännössä 100 %:ssa, mutta suurin haaste on menetelmän energiankulutus, joka saattaa olla noin 30–50 % laitoksen energian tuotannosta. Yhdistettynä energiaa kuluttavaan hiilidioksidin talteenottoon, prosessin kokonaisenergian kulutus voi olla jopa 0,6–1,8-kertainen yhden energiayksikön tuottamiseksi [3]. Suuri energian kulutus on seurausta reaktion hitaudesta ilman prosessiin tuotua energiaa. Menetelmän arvoa kuitenkin lisää mahdollisuus tuottaa puhtaita karbonaattiyhdisteitä teollisuuden käyttöön, joskin toisaalta riskinä on markkinoiden kyllästyminen erilaisilla karbonaattituotteilla. Teollisuuden sivutuotteiden hyödyntämispotentiaali hiilidioksidin on luonnon mineraalivaroihin verrattuna vähäinen.