Hiilidioksidin suora ilmatalteenotto: uusi sähkökemiallinen reaktori voi helpottaa skaalausta

Rice-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet sähkökemiallisen reaktorin, joka voi parantaa hiilidioksidin suoran ilmatalteenoton energiatehokkuutta. Laite vapauttaa talteen otettua hiilidioksidia liuoksesta ja palauttaa absorbenttia uudelleen käytettäväksi. Kyse on lupaavasta tutkimuksesta, ei vielä osoituksesta siitä, että koko talteenottoketju olisi päästötön tai kaupallisesti valmis.

Kasvavat päästöt ja ilmaston lämpeneminen

BioScience-lehdessä julkaistu raportti varoitti vuonna 2024, että maapallo onperuuttamattoman ilmastokatastrofin partaalla. Kirjoittajien mukaan fossiilisten polttoaineiden päästöt olivat nousseet ennätystasolle, ja kolme siihen mennessä kuuminta päivää ajoittui heinäkuuhun 2024. Myös merten pintalämpötiloissa oli havaittu ennätyksiä. Kyse on raportin julkaisuhetken tilanteesta.

Ilmastoriskien vähentäminen edellyttää toimia energiantuotannossa, liikenteessä ja teollisuudessa. Uusiutuva energia, energiatehokkuus ja tarkoituksenmukainen sähköistäminen voivat vähentää päästöjä. Poliittisilla ohjauskeinoilla voidaan tukea muutosta.

Yksittäinen tekniikka ei ratkaise koko ongelmaa. Hiilidioksidin talteenotto, hyödyntäminen ja varastointi eli CCUS voi täydentää päästövähennyksiä. Ilmasta poistettavan hiilidioksidin pysyvä varastointi on erotettava talteenotetun kaasun käytöstä tuotteissa, joista se voi vapautua uudelleen.

Hiilidioksidin suora ilmatalteenotto

Suorassa ilmatalteenotossa eli DAC:ssa hiilidioksidi erotetaan ympäröivästä ilmasta. Sitä ei pidä sekoittaa savukaasuista tapahtuvaan talteenottoon, eikä se ole nykyisin yleisin hiilidioksidin poistomenetelmä. Käytössä ja kehitteillä on erilaisia nestemäisiin absorbentteihin ja kiinteisiin sorbentteihin perustuvia ratkaisuja.

Eräissä menetelmissä ilma saatetaan kosketuksiin emäksisen liuoksen kanssa. Hiilidioksidi reagoi liuoksessa ja sitoutuu esimerkiksi karbonaateiksi tai vetykarbonaateiksi. Se on tämän jälkeen vapautettava jatkokäsittelyä tai varastointia varten.

Hiilidioksidin vapauttaminen ja talteenottoaineen regenerointi kuluttavat energiaa. Menetelmästä riippuen käytetään lämpöä, paineen muutoksia tai sähkökemiallisia vaiheita. Energiantarve ja laitteiston vaatimukset riippuvat aineista ja käyttöolosuhteista.

Amiinipohjaiset sorbentit

Amiineja käytetään laajalti hiilidioksidin talteenotossa. Niiden ominaisuudet vaihtelevat: sitoutumisvoimakkuus, regenerointienergia, hajoaminen ja mahdolliset terveys- tai ympäristöriskit on arvioitava valmistekohtaisesti. Kaikkia amiinipohjaisia materiaaleja ei voi kuvata yhtä myrkyllisiksi tai epävakaiksi.

Natrium- ja kaliumhydroksidi

Natrium- ja kaliumhydroksidin vesiliuokset voivat sitoa hiilidioksidia karbonaattimuotoon. Ne ovat kuitenkin syövyttäviä kemikaaleja, eivät vaarattomia vaihtoehtoja. Tietyissä prosesseissa hiilidioksidin vapauttaminen vaatii korkeita lämpötiloja ja siihen soveltuvan laitteiston.

Huokoiseen kiinteään elektrolyyttiin perustuva reaktori

Rice-yliopiston tutkijat kehittivät huokoista kiinteää elektrolyyttiä eli PSE:tä hyödyntävän reaktorin talteenottoliuoksen sähkökemialliseen regenerointiin huoneenlämmössä. Tulokset julkaistiin lehdessä Nature Energy¹.

Lähde: Rice-yliopisto

Reaktorissa sähkö ohjaa ionien kulkua ja aineensiirtoa huokoisen kiinteän elektrolyytin sisältävässä rakenteessa. Laite käsittelee jo hiilidioksidia sisältävää liuosta; se ei yksin korvaa kaikkia ilmatalteenoton vaiheita. Sähköinen regenerointi ei myöskään tarkoita, ettei prosessissa käytettäisi kemiallisia aineita.

Reaktorin koetulokset

Kolmikammioinen reaktori tuotti emäksistä absorbenttia yhdessä kammiossa ja puhdasta hiilidioksidia erillisessä kammiossa. Tutkimuksessa raportoitu noin 90 prosentin talteenottokapasiteetin säilyminen tarkoittaa liuoksen regenerointiin liittyvää tulosta, ei sitä, että laite poistaisi 90 prosenttia sen ohi kulkevan ilman hiilidioksidista. Energiankulutus riippui muun muassa virrantiheydestä.

Vedyn yhteistuotanto

Reaktorikonseptiin voidaan yhdistää vedyn tuotanto sopivilla elektrodireaktioilla. Vetyä voidaan käyttää polttoaineena tai teollisuuden raaka-aineena. Kokonaisuuden ilmastohyöty ja kustannukset riippuvat muun muassa sähköntuotannosta ja vedyn jatkokäytöstä.

Mahdolliset hyödyt

Sähkökemiallisen regeneroinnin yhdistäminen muihin prosessivaiheisiin voi avata uusia toteutustapoja. Yksittäisten osatekniikoiden saatavuus ei kuitenkaan tarkoita, että kokonainen DAC-laitos olisi jo kaupallisesti osoitettu tai helppo ottaa käyttöön.

Kustannusten alentamisen mahdollisuus

Korkean lämpötilan vaiheen korvaaminen sähkökemiallisella käsittelyllä voi pienentää kustannuksia sopivissa olosuhteissa. Kaupallinen kannattavuus edellyttää silti arviota laitteistosta, sähköstä, huollosta, materiaalien kestosta ja hiilidioksidin jatkokäsittelystä.

Energiantarpeen vähentäminen

Energiantarpeen pienentäminen on tärkeä tavoite hiilidioksidin talteenotossa. Vertailussa on huomioitava koko prosessi, myös ilman käsittely ja kaasun paineistus. Pelkän regenerointivaiheen tulosta ei voi suoraan tulkita koko laitoksen energiankulutukseksi.

Skaalauksen mahdollisuus

Modulaarinen rakenne voi tukea laitteiston suurentamista tai useiden yksiköiden käyttöä. Teollisen mittakaavan kustannukset, käyttöikä ja integrointi on kuitenkin osoitettava erikseen. Tutkimus ei takaa, ettei merkittäviä infrastruktuuri-investointeja tarvittaisi.

Sivutuotteiden hallinta

Tutkijoiden kuvaama regenerointivaihe ei vaadi lisäreagensseja eikä tuota ei-toivottuja sivutuotteita esitetyissä oloissa. Tämä rajattu tulos ei yksin osoita koko talteenotto- ja varastointiketjun olevan jätteetön tai ympäristövaikutuksiltaan neutraali.

Joustavuus

Reaktorin soveltuvuutta erilaisiin katodi- ja anodireaktioihin tutkittiin. Tällainen joustavuus voi helpottaa eri prosessien yhdistämistä. Se ei tarkoita, että laite olisi osoitettu parhaaksi vaihtoehdoksi kaikissa ilmastoissa tai kaikille talteenottoliuoksille.

Integrointi olemassa oleviin prosesseihin

Sähköllä toimiva regenerointivaihe voi tarjota vaihtoehdon lämpöä vaativalle käsittelylle. Käyttöönotto edellyttää silti yhteensopivuutta muun laitteiston kanssa sekä turvallisuuden, energiantuotannon ja hiilidioksidin käsittelyn suunnittelua.

Tutkijat

Tutkimuksen tekijöihin kuuluvat Xiao Zhang, Zhiwei Fang, Peng Zhu, Yang Xia ja Haotian Wang. Työ liittyy Wangin ryhmän hiilidioksidin talteenottoa ja sähkökemiallista energiankäsittelyä koskevaan tutkimukseen. Laajempi käyttö vaatii jatkotutkimusta ja skaalausta.

Hiilidioksidin talteenottoon liittyviä yrityksiä

Talteenottoteknologiat kiinnostavat teollisuutta ja sijoittajia. Seuraavat yritykset havainnollistavat alan erilaisia ratkaisuja. Niiden toiminta ei tarkoita, että ne osallistuisivat Rice-yliopiston tutkimukseen tai hyötyisivät sen tuloksista suoraan.

NET Power Inc

NPWR Hintakaavio

Pohjois-Carolinassa toimiva NET Power Inc (NPWR ) kehittää sähköntuotantotekniikkaa, jossa maakaasun happipoltto yhdistetään ylikriittistä hiilidioksidia käyttävään kiertoprosessiin. Se on fossiiliseen polttoaineeseen perustuva järjestelmä, ei uusiutuvaa energiaa tuottava yritys pelkästään talteenoton vuoksi.

Prosessissa hiilidioksidia kierrätetään työaineena ja ylimääräinen hiilidioksidi erotetaan varastointia tai hyödyntämistä varten. Tavoitteena on ottaa talteen lähes kaikki laitoksessa syntyvä hiilidioksidi. Kokonaispäästöihin vaikuttavat myös polttoaineketju ja varastoinnin toteutus.

NET Powerin taustalla on teollisia sijoittajia ja kumppaneita, kuten Occidental ja Baker Hughes (BKR ). Vuonna 2024 yhtiö kehitti edelleen ensimmäistä suuren mittakaavan laitostaan. Kumppanit tai kasvava sähkön kysyntä eivät takaa teknistä onnistumista tai osakkeen tuottoa.

Aker Carbon Capture

Aker Carbon Capture oli vuonna 2024 norjalainen hiilidioksidin talteenottoon keskittynyt yhtiö, jonka merkittävä omistaja oli Aker Horizons. Talteenottotekniikkaa kehitettiin teollisuuden päästöille; kyse ei ollut yksinomaan suorasta ilmatalteenotosta.

Yhtiön ja SLB:n yhteisyritys SLB Capturi työskenteli muun muassa Norjan Brevikin sementtitehtaan talteenottohankkeessa. Vuoden 2024 kolmannella neljänneksellä se sai CO280 Solutionsilta suunnittelusopimuksen Yhdysvaltain lahdenrannikon sellu- ja paperitehtaan talteenottohankkeeseen. Suunnittelusopimus ei tarkoittanut, että laitos olisi jo käytössä.

Aker Carbon Capture raportoi vuoden 2024 kolmannen neljänneksen lopussa 4,5 miljardin Norjan kruunun kassavarat ja 5,5 miljardin kruunun oman pääoman. Yhtiö oli tuolloin listattu Oslossa tunnuksella ACC.

Vuonna 2024 toteutetun järjestelyn jälkeen Aker Carbon Capture omisti SLB Capturista 20 prosenttia ja SLB 80 prosenttia. Järjestely vaikutti yhtiön rakenteeseen ja kassaan. Se ei yksin ollut peruste ostosuositukselle, ja sijoittajan oli arvioitava myös tuleva strategia ja hankkeiden riskit.

Tutkimuksesta kohti käytännön talteenottoa

Sähkökemiallinen regenerointi voi täydentää vähäpäästöisiä energiaratkaisuja ja muita ilmastotoimia. Rice-yliopiston tutkimus on askel kohti tehokkaampaa hiilidioksidin talteenottoa, mutta laaja käyttöönotto vaatii lisää teknistä ja taloudellista näyttöä. Talteenotto ei poista tarvetta vähentää päästöjä.

Tutustu muihin ympäristöteknologian hankkeisiin tästä.

Tutkimusviite:

^{1. Zhang, X., Fang, Z., Zhu, P., et al. (2025; julkaistu verkossa vuonna 2024). Puhtaan hiilidioksidin sähkökemiallinen vapauttaminen karbonaatti- ja vetykarbonaattiliuoksista huokoiseen kiinteään elektrolyyttiin perustuvassa reaktorissa. Nature Energy, 10, 55–65. https://doi.org/10.1038/s41560-024-01654-z}