Vedystä ja teollisuuden savukaasuista talteenotetusta hiilidioksidista voidaan valmistaa muun muassa monikäyttöistä metanolia. LUT-yliopistossa 4.12. tarkastettavassa Harri Niemisen väitöksessä yhdistyvät edistyksellinen hiilidioksidin talteenotto onttokuitumembraanilla ja kemikaalituotanto Power-to-X (P2X) -tekniikalla. Kyseessä on ensimmäisiä kemiantekniikan alan kokeellisia väitöstöitä P2X-tekniikkaan liittyen Suomessa.
Onttokuitumembraanitekniikkaa hyödyntämällä hiilidioksidi voidaan ottaa talteen tehokkaasti teollisuuden savukaasuista ja muista prosessivirroista, selviää Harri Niemisen kemiantekniikan alan väitöstutkimuksesta. Tehokkuus syntyy siitä, että ohuet membraanikuidut (kalvot) tarjoavat suuren ominaispinta-alan savukaasun ja talteenottoliuoksen kontaktiin, jolloin laitteiston koko pysyy pienenä. Tekniikalla pyritäänkin ensisijaisesti laitekoon ja -kustannusten pienentämiseen vakiintuneeseen talteenottotekniikkaan verrattuna.
"Onttokuitumembraaneissa hapan hiilidioksidi siirtyy membraanikuitujen läpi emäksiseen absorptioliuokseen. Perinteisessä prosessissa kaasun ja nesteen kontakti tapahtuu korkeissa kolonneissa", Nieminen kertoo.
Laitteisto eli membraanikontaktori on vaihtoehtoista tekniikka, joka korvaa vakiintunutta laitteistoa hiilidioksidin talteenottoprosessissa.
"Suurin hyöty on siinä, että laitteisto saadaan pienempään kokoon, mutta se käsittelee silti saman määrän hiilidioksidia. Teknologia tehostaa prosessia johtaen mahdollisiin kustannussäästöihin. Lisäksi kaasun ja nesteen erottaminen membraanilla lisää tekniikan joustavuutta esimerkiksi käyttöasteen ja -olosuhteiden suhteen sekä helpottaa tekniikan skaalausta", Nieminen summaa.
Niemisen mukaan kyseistä talteenottotekniikkaa ei ole suoraan saatavilla markkinoilta tällä hetkellä. Tekniikalla on kuitenkin potentiaalia laajeta yleisesti teollisuuden käyttöön tulevaisuudessa. Onttokuitumembraanien hyödyntämistä hiilidioksidin kaappaamisessa on jo pilotoitu voimalaitoksen yhteydessä.
"Jatkokehitystä tarvitaan hiilidioksidin vapauttamiseen talteenottoliuoksesta. Tutkimuksen tavoitteena oli tehdä tämä matalassa lämpötilassa, joka mahdollistaisi erilaisten hukkalämmön lähteiden sekä esimerkiksi lämpöpumppujen hyödyntämisen".
Hiilidioksidista metanolia matalassa lämpötilassa
Talteenotettu hiilidioksidi voidaan hyödyntää esimerkiksi metanolin valmistuksessa. Metanoli on monikäyttöinen kemikaali ja mahdollinen polttoaine. Käytännössä mitkä vain nykyään fossiilisista raaka-aineista tuotettavat polttoaineet ja kemianteollisuuden tuotteet ovat saavutettavissa metanolin kautta.
Hiilidioksidin konversio metanoliksi voisi tapahtua veden elektrolyysillä tuotetun vedyn avulla, hyödyntäen uusiutuvaa sähköä. Niemisen väitöstutkimus edustaa LUTissa kasvavaa tutkimusaluetta, jossa tuotetaan teollisuudelle ratkaisuja hyödyntää kaasumaisia päästöjä arvokkaiden tuotteiden raaka-aineina. Ratkaisuja valmistamiseen tarjoavat erityisesti P2X-tekniikan eri sovellukset. Kyseessä on ensimmäisiä kemiantekniikan alan kokeellisia väitöstöitä P2X-tekniikkaan liittyen Suomessa.
"Metanolin tuotanto hiilidioksidista on mahdollista missä tahansa missä on halpaa uusiutuvaa sähköä ja hiilidioksidia saatavilla. Suomessa tekniikkaa voitaisiin hyödyntää esimerkiksi tuulienergian voimin hiilidioksidin tullessa metsä-, teräs- tai sementtiteollisuudesta".
Väitöstyössään Harri Nieminen tarkasteli myös metanolin tuottamista matalan lämpötilan synteesin avulla. Tutkimus sisälsi kokeellista työtä, prosessimallinnusta ja kustannusten arviointia.
Matalan lämpötilan synteesissä hiilidioksidi muunnetaan vedyn avulla metanoliksi alkoholiliuoksessa. Menetelmällä synteesin vaatimaa lämpötilaa voidaan madaltaa. Reaktio tapahtuu kaasu-neste-reaktiona perinteisen kaasufaasin reaktion sijaan.
"Alkoholit liuottimina mahdollistavat matalamman reaktiolämpötilan, esimerkiksi 180 astetta, lämpötilan ollessa tavallisesti noin 250 astetta. Matala lämpötila on edullinen reaktiotasapainon kannalta. Kuitenkin huomattiin, että liuottimen lisääminen prosessiin tekee prosessista monimutkaisemman ja johtaa suurempaan metanolin tuotantokustannukseen perinteiseen prosessiin verrattuna", Nieminen toteaa.
Erilaiset kustannustehokkaat ja ilmastoystävälliset hiilidioksidin kaappaamisen ja jalostamisen tekniikat ovat pinnalla, sillä lukuisat teollisuuden alat tuottavat hiilidioksidia ja myös itse tarvitsevat sitä. Tekniikka hiilidioksidin kiertoon ei ole ollut tarpeeksi energia- ja kustannustehokasta laajemmin hyödynnettäväksi. LUT-yliopisto taklaa tätä ongelmaa strategiansa mukaisesti tuottamalla teknologioita kaasupäästöjen hyödyntämiseksi. Alan tutkimusta toteutetaan REFLEX – Recycling carbon in a flexible competitive energy system –tutkimusalustalla.
Lisätietoja:
Harri Nieminen
Nuorempi tutkija
harri.nieminen@lut.fi
LUT-yliopisto
School of Engineering Science
Diplomi-insinööri Harri Niemisen kemiantekniikan alaan kuuluva väitöskirja Power-to-methanol via membrane contactor-based CO2 capture and low-temperature chemical synthesis (Metanolin tuotanto hiilidioksidista membraanikontaktorien sekä matalan lämpötilan synteesin avulla) tarkastetaan 4.12.2020 klo 12:00 LUT-yliopiston salissa 2310. Vastaväittäjänä toimii professori Riitta Keiski Oulun yliopistosta. Kustoksena toimii professori Tuomas Koiranen LUT-yliopistosta.
Väitöstilaisuutta voi seurata etäyhteydellä: https://lut.zoom.us/s/68594231380