Vaihtoehtoiset ratkaisut CO2:n talteenottoon

CO2:n talteenotto on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan onnistuneesti kääntää ilmaston lämpenemisen mahdollisesti aiheuttama vahinko. Kuitenkin ihmiskunnan ihanteellisten tavoitteiden ja todellisuuden välillä on ristiriita. Pariisin sopimus merkitsi globaalia sitoumusta pitää maapallon keskilämpötilan nousu selvästi alle 2 °C:n esiteollisista tasoista. 

Vaikka vilpittömiä ponnistuksia vaadittiin lämpötilan nousun rajoittamiseksi 1,5 asteeseen siirtymällä pois fossiilisista polttoaineista, hiili- ja kaasupolttoiset voimalaitokset hallitsevat edelleen maailmanlaajuista sähkösektoria, raportoi International Energy Association (IEA). 

Itse asiassa, vaikka maailmanlaajuinen pyrkimys siirtyä voimakkaammin uusiutuviin energialähteisiin onkin, fossiilisista polttoaineista tuotettu energia on kasvanut 70 % vuodesta 2000. Hiili on edelleen suurin energialähde sähköntuotannossa, 38 %, jota seuraa kaasu noin 20 %. 

Maailmanlaajuisesti toteutetut politiikat pyrkivät käsittelemään olemassa olevien hiilivoimaloiden ja tänään rakennettavien hiilivoimaloiden päästöongelmaa. Kuitenkin CO2-päästöjen väheneminen ei takaa lämmön ansaitsevan hiilen puuttumista. IEA:n mukaan, vaikka olemassa olevan hiilivoimakannan CO2-päästöt vähenisivät noin 40 %, vuotuiset päästöt olisivat edelleen 6 GtCO2 vuodessa vuonna 2040.

Tässä tilanteessa ilmastotavoitteiden saavuttaminen ei olisi mahdollista pelkällä päästöjen vähentämisellä. Tarvittaisiin vaihtoehtoisia ratkaisuja hiilen talteenottoon, jotta se voitaisiin hyödyntää ja varastoida suuressa mittakaavassa. Näiden ratkaisujen on kuitenkin oltava kokonaisvaltaisesti toimivia, kustannustehokkaita ja pitkällä aikavälillä kestäviä. 

Äskettäin, 1. toukokuuta julkaistussa tutkimuksessa, CU Boulderin tutkijat ja yhteistyökumppanit paljastivat, että monien insinöörien suosima hiilen talteenottoon suunnattu lähestymistapa epäonnistuisi. 

Kuitenkin tutkijaryhmä, johon kuului National Renewable Energy Laboratoryin (Golden, Colorado) ja Delftin teknillisen yliopiston (Alankomaat) tutkijoita, ei pysähtynyt pelkästään olemassa olevan järjestelmän heikkouden osoittamiseen, vaan suositteli myös vaihtoehtoista ja kestävämpää ratkaisua, joka ei ainoastaan talteenottaisi hiiltä vaan myös muuntaisi sen polttoaineeksi. 

Seuraavissa osioissa tarkastelemme, mitä alkuperäinen ratkaisu suositteli, mitkä sen heikkoudet olivat ja miten nämä heikkoudet voitaisiin korjata vaihtoehtoisella ratkaisulla!

Alkuperäinen ratkaisu hiilen talteenottoon

Alkuperäisellä ratkaisulla viitataan yhteen laajimmin käytetyistä suoran ilman talteenoton (DAC) menetelmistä, jotka sisältävät ilmankontaktoreita – suuria puhaltimia, jotka vetävät ilmaa kammioon, jossa on emäksistä nestettä. Koska CO2 on kemiallisesti hapan, emäksinen neste sitoo sen ja reagoi sen kanssa muodostaen karbonaattia tai bikarbonaattia.

Kun CO2 on sidottu karbonaattiin tai bikarbonaattiin, insinöörit voivat erottaa sen nestestä ja muuntaa sen tuotteiksi, kuten muoveiksi, hiilihapollisiksi juomiksi jne. Jos näitä karbonaatteja ja bikarbonaatteja käsitellään edelleen, ne voivat jopa toimia polttoaineena kodin tai mahdollisesti lentokoneiden energianlähteenä. Toisaalta emäksinen neste palaa takaisin kammioon talteenottamaan lisää CO2:ta. 

Vaikka ratkaisu vaikuttaa täydelliseltä tavanomaiselta hiilen talteenottoon ja sen uudelleenkäyttöön, siinä on ongelma.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten metaanin hallinta saattaa olla avain globaalien ilmastotavoitteiden saavuttamiseen.

Alkuperäisen ratkaisun ongelma

Ongelma liittyy siihen, miten karbonaatti tai bikarbonaatti erotetaan nestestä. Sidotun CO2:n vapauttaminen vaatii yrityksiltä karbonaatti- ja bikarbonaattiliuoksen lämmittämistä vähintään 900 °C (1 652 °F) lämpötilaan. Tämä on lämpötila, jonka aurinko- ja tuulivoima eivät pysty saavuttamaan. Siksi tämän lämpötilan saavuttaminen edellyttää fossiilisten polttoaineiden, kuten maakaasun tai puhtaan metaanin, polttamista.

Kun puhutaan tästä sudenkuopasta järjestelmässä piilevästä, Wilson Smith, kemian ja biologisen tekniikan osaston professori ja Renewable and Sustainable Energy Institute -instituutin jäsen CU Boulderissa, sanoi seuraavaa, mikä tiivistää ongelman:

“Jos meidän täytyy vapauttaa CO2 talteenottaaksemme CO2:n, se kumoaa koko hiilen talteenoton tarkoituksen.”

Hyvä uutinen on, että tutkijat menivät tehtävää pidemmälle. He eivät ainoastaan osoittaneet järjestelmän heikkouksia, vaan ehdottivat myös vaihtoehtoa, joka voisi korjata epäkohtia. 

Alkuperäisen ratkaisun vaihtoehtoinen korjaus

Tutkijat ehdottivat reaktiivisen talteenottoprosessin käyttöönottoa ongelman korjaamiseksi. He kuitenkin suosittelivat perinteisen reaktiivisen talteenottoprosessin hienosäätöä. 

Reaktiivinen talteenotto perinteisessä muodossaan tarkoittaa prosessia, jossa sähköä käytetään karbonaatti- ja bikarbonaattiliuoksiin, jolloin CO2 ja emäksinen neste erotetaan toisistaan kammiossa. Tätä kutsutaan myös suljetuksi kiertojärjestelmäksi, joka voi talteenottaa enemmän CO2:ta kierrätetyn nestemuodon kautta. 

Kuitenkin tässä tapauksessa tutkijat havaitsivat haittapuolen. He totesivat, että teollisessa ympäristössä sähkö ei riittäisi perusnesteen uudistamiseen, jotta se voisi talteenottaa lisää CO2:ta ilmasta. Prosessi olisi niin tehoton alkuperäisessä muodossaan, että viiden hiilen talteenotto- ja uudistussyklin jälkeen perusneste ei juuri pystyisi poistamaan CO2:ta ilmasta. 

Tutkijat suosittelivat elektrodialyysin lisäämistä prosessiin ratkaisuna. Tämä menetelmä tarjoaa useita etuja. Ensinnäkin se voi toimia uusiutuvalla sähköllä. Lisäksi se jakaa enemmän vettä happi- ja emäksisiin ioneihin, mikä ylläpitää perusnesteen kykyä sitoa enemmän CO2:ta. Wilson Smith kutsui tiimin saavutusta “useiden ongelmien ratkaisemiseksi yhdellä teknologialla”, ja hän oli oikeassa!

Vaikka tutkijoiden tehtävänä on kehittää uusia ratkaisuja ja hienosäätää olemassa olevia tehokkuuden lisäämiseksi, yrityksillä ja liiketoiminnoilla on myös vastuunsa, ja monet yritykset suoriutuvat siitä erinomaisesti. Seuraavissa osioissa tarkastelemme muutamaa tällaista yritystä, jotka ovat kehittäneet innovatiivisia ja tehokkaita ratkaisuja tällä alalla. 

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, onko hiilen talteenotto merissä toteuttamiskelpoinen ratkaisu.

#1. Graphyte

Graphyte asemoituu maailman ensimmäiseksi ja ainoaksi hiilidioksidin poistoratkaisuksi, joka on kestävä, edullinen ja heti skaalautuva. Kestävyyden osalta Graphyte väittää, että sen ratkaisut pystyvät poistamaan hiilidioksidia yli tuhat vuotta.

Edullisuuden osalta yritys tarjoaa ratkaisunsa tasoitettuun tuotantokustannukseen, joka on alle 100 USD/tonni, ja skaalautuvuuden osalta yritys väittää pystyvänsä skaalaamaan toimintaansa tasolle, jossa miljardien tonnien hiilen poisto on toteutettavissa. 

Graphyten erityinen menetelmä noudattaa Carbon Casting -lähestymistapaa, joka hyödyntää helposti saatavilla olevaa biomassaa, kuten puun ja maatalouden jätteitä. Graphyte kuivailee ja tiivistää tämän biomassan muuttaen sen tiiviiksi hiilikiviksi. Nämä lohkot sisältävät ympäristöystävällisen, läpäisemättömän esteen, joka takaa turvallisen varastoinnin huippuluokan maanalaisissa paikoissa. 

Kun puhutaan Graphyten menetelmästä, yrityksen perustaja ja toimitusjohtaja Barclay Rogers sanoi seuraavaa:

“Carbon casting antaa luonnon tehokkaasti tehdä CO2:n talteenoton työn, ja sen jälkeen hyödyntää insinööritekniikoita varastoimaan se ilmaston kannalta merkittäville aikaväleille. Se on ratkaisu, joka voidaan toteuttaa missä tahansa, muuttaa markkinoita, ja mikä tärkeintä, auttaa pelastamaan planeetan.” 

Carbon casting voi säilyttää lähes kaiken biomassassa talteenotetun hiilen ja kuluttaa hyvin vähän energiaa. Se on edullinen mutta kestävä hiilen poistoprosessi, joka yhdistää fotosynteesin käytännön insinööritieteeseen. 

Graphyten potentiaali on auttanut sitä ansaitsemaan sijoittajayhteisön luottamuksen ja uskottavuuden. Se sai päätökseen Series A -rahoituskierroksen yhteensä 30 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria. Kierrosta johti yhdessä Prelude Ventures ja Carbon Direct Capital, ja siihen osallistuivat myös nykyiset sijoittajat, kuten Breathable Energy Ventures ja Overture. 

Vaikka osakepohjaiset innovaatioventuret kuten Graphyte ovat nousseet esiin uusien ratkaisujensa kanssa, on olemassa vakiintuneita julkisia yrityksiä, kuten Linde, jotka ovat siirtyneet adsorptiopohjaiseen hiilen talteenottoon ja hiilidioksidin talteenottoon. 

#2. Linde

HISORP® CC -adsorptiopohjainen hiilen talteenottoratkaisu, Linde:n hiilen talteenottoportfolion uusin lisäys, täydentää sen pitkään testattuja painevaihtos-adsorptiota (PSA) ja kalvoteknologioita. 

HISORP CC -ratkaisu erottaa CO2:n prosessikaasuista laajalla CO2-syötteen konsentraatiovalikoimalla. Se hyödyntää useita Linde:n teknologioita, mukaan lukien painevaihtos-adsorptio (PSA), kriogeeninen erotus ja kompressio, saavuttaen tarkalleen 99,7 % talteenottoasteen, yli 99 %. 

Yksi tämän ratkaisun suurimmista eduista on, että se toimii uusiutuvista lähteistä peräisin olevalla energialla. Uudistamisprosessi ei vaadi höyryä, mikä takaa minimaalisen hiilijalanjäljen. 

Lisäksi HISORP CC on matalan CAPEX- ja OPEX-teknologia, jonka erityinen energiankulutus on minimaalinen, eikä se aiheuta lähes lisäkustannuksia liuottimen hallinnasta, täydennyksestä ja käsittelystä. 

Linde on varmistanut, että teknologia pysyy laajasti yhteensopivana ja inklusiivisena, jotta se voidaan yhdistää Linde:n ratkaisujen koko valikoimaan, mukaan lukien höyrymetaanin reformointi (SMR), automaattinen terminen reformointi (ATR), osittainen hapettuminen (POX) tai kaasuttaminen. Se soveltuu integroitavaksi olemassa oleviin ja uusiin laitoksiin SMR:n, POX:n ja ATR:n osalta, jopa lisääntyneen vedyn tuotannon yhteydessä.

Vuonna 2023 Linde, johtava globaali teollisuusaineiden ja insinööripalveluiden yritys, ilmoitti myynnin 33 miljardia Yhdysvaltain dollaria. 

Vaikka yritykset ovat sitoutuneet tavoitteisiinsa, yritysten ja tutkimuslaitosten välinen oppiminen ja vaihto on molemminpuolista. Loppuosiossa tarkastelemme teknologista tutkimusta tällä alalla, joka voi muuttaa hiilen talteenoton tulevaisuutta tekemällä siitä tehokkaamman ja vaikuttavamman. 

Hiilen talteenoton tulevaisuus: Työkalu, jolla on mullistava potentiaali

Heinäkuussa 2024 joukko tutkijoita ehdotti kokonaisvaltaista alustaa sorptiini-pohjaisen hiilen talteenoton nopeuttamiseksi. He nimesivät alustan PrISMa:ksi, joka tarkoittaa Process-Informed Design of tailor-made Sorbent Materials (prosessi-informoitu suunnittelu räätälöidyille sorptiinit materiaaleille). 

Alusta pyrki tekemään hiilen talteennoteteknologioiden laajamittaisesta käyttöönotosta hiilitehokkaampaa. Se korosti hajautettujen komponenttien ja niiden toteuttajien yhdistämistä yhteiseksi kokonaisuudeksi. 

Kun kemistit aiemmin keskittyivät materiaalisuunnitteluun ja insinöörit prosessien optimointiin, PrISMa-alusta yhdisti materiaalit, prosessisuunnittelun, teknotalouden ja elinkaarianalyysin. Se vertaili yli 60 tapaustutkimusta CO2:n talteenotosta eri lähteistä viidessä maailmanlaajuisessa alueessa käyttäen erilaisia teknologioita. 

Se antoi samanaikaisesti eri sidosryhmille tietoa teknologioiden kustannustehokkuudesta, prosessikonfiguraatioista ja sijainneista. Se paljasti myös huippusuorituskykyisten sorptiineiden molekyylit ominaisuudet ja tarjosi toimivia näkemyksiä ympäristövaikutuksista, yhteishyödyistä ja kompromisseista. Lopullinen tulos pyrki yhdistämään sidosryhmät varhaisessa tutkimusvaiheessa, nopeuttaen hiilen talteennoteteknologian kehitystä kohti nettonollapäästömaailmaa.

PrISMa:n kehittämisestä vastaavat tiedemiehet, Berend Smit EPFL:stä ja Susana Garcia Heriot-Wattin yliopistosta, ovat erittäin optimistisia menetelmän käytännön sovellettavuudesta. Professori Berend Smitin mukaan:

“Tämä innovatiivinen lähestymistapa nopeuttaa huippusuorituskykyisten materiaalien löytämistä hiilen talteenottoon, ylittäen perinteiset kokeilu- ja erehdyspohjaiset menetelmät.”

PrISMa:lla on merkittävä potentiaali tulevaisuudessa. Käyttämällä kokeellisia tietoja ja molekyylisimulaatioita se voi ennustaa potentiaalisten sorptiinit materiaalien adsorptiokykyä. 

Lopulta se johtaisi kehittäjäyhteisön kykyyn tehdä perusteltuja valintoja. PrISMa:n prosessikerroksen ominaisuudet mahdollistavat hiilen talteenotto ratkaisujen suorituskyvyn mittaamisen ja vertailun auttamalla tutkijoita laskemaan prosessin suorituskykyparametreja, kuten puhtaus, talteenotto ja energiavaatimukset.

Yksi keskeinen parametri, joka tekee tai rikkoo minkä tahansa tieteellisen tai teknologisen ratkaisun, on sen taloudellinen toteutettavuus. PrISMa voi arvioida hiilen talteennotolaitoksen taloudellista ja teknistä toteutettavuutta. Lopuksi se voi arvioida ympäristövaikutuksia koko laitoksen elinkaaren aikana, varmistaen kattavan kestävyyden.

Kaiken kaikkiaan PrISMa on kaikkea muuta kuin mullistava tai transformatiivinen. 

Aloitimme keskustelun laajasti omaksutulla ratkaisulla, jonka todettiin olevan riittämätön ja itseään kumoava. Nyt, kun PrISMa on tieteellisen yhteisön käytettävissä, olisi mahdollista kehittää ratkaisuja, jotka ovat ympäristötehokkaita, skaalautuvia ja kustannustehokkaita alusta alkaen.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista hiilen talteenotto-osakkeista sijoittamista varten.