Hiilidioksidia on ilmakehässä liikaa, vaikka päästöjä leikattaisiin tavoitteiden mukaan ja luonnolliset hiilinielut, kuten metsät ja suot, kukoistaisivat. Siksi sitä on otettava talteen ilmasta. Menetelmiä on jo, mutta niiden kestävyydessä on kehittämisen varaa. VTT:n tutkijat tarttuivat haasteeseen VTT iBEX -innovaatio-ohjelmassa. Projektissa on kehitetty lupaavia uusia materiaaleja DAC-prosesseihin.
Uusiutuvia energiamuotoja suosimalla voidaan hillitä ilmastonmuutosta, muttei järin nopeasti. Ilmakehä ehtii lämmetä vielä reippaasti ennen kuin hiilidioksidipäästöt saadaan kuriin maailman energiantuotannossa, teollisuudessa ja liikenteessä.
”Jos haluamme pitää ilmaston lämpenemisen alle 1,5 asteessa, meidän on pystyttävä myös poistamaan hiilidioksidia ilmakehästä. Hyvä keino tähän on metsittäminen. Se vaatii kuitenkin paljon pinta-alaa, ja menee 20 vuotta ennen kuin istutettu metsä alkaa sitoa hiilidioksidia merkittävässä määrin. Siksi tarvitsemme myös teknologiaa, jonka avulla hiilidioksidia voidaan kaapata suoraan ilmasta missä tahansa. Kaikki keinot on saatava käyttöön”, sanoo VTT:n tutkija Jere Elfving.
Hiilidioksidia pystytään jo erottamaan voimalaitosten ja tehtaiden savukaasuista, joissa voi Elfvingin mukaan olla helposti yli kymmenenkin prosenttia hiilidioksidia. Ilmakehässä puolestaan hiilidioksidia on vain noin 400 miljoonasosaa, mikä vaikeuttaa huomattavasti sen erottamista. Tehtävään on kehitetty menetelmiä, joita kutsutaan termillä DAC eli direct air capture.
”Muutamia DAC-laitoksia on jo käytössäkin, mikä on hienoa, mutta se ei tarkoita sitä, että teknologia olisi valmis skaalattavaksi suuren mittakaavan käyttöön. Hiilidioksidia kaappaavissa materiaaleissa ja prosesseissa on vielä paljon kehitettävää”, Elfving huomauttaa.
Hiilidioksidi talteen ja saman tien käyttöön
Elfving kollegoineen pyrki ratkaisemaan DAC-menetelmien haasteita vuoden kestävässä projektissa, jonka mahdollisti VTT iBEX -innovaatio-ohjelma.
”DAC-menetelmien pullonkauloja ovat, että hiilidioksidia adsorboivat eli pintaansa kiinnittävät materiaalit eivät kaappaa tarpeeksi hiilidioksidia, eivätkä kestä riittävän monta käyttökertaa. Lisäksi ongelmana on energiankulutus.”
VTT:n tiimi päätti kehittää energiatehokkuutta yhdistämällä hiilidioksidin talteenoton ja hyödyntämisen yhdeksi prosessiksi samaan reaktoriin. Talteenotettua hiilidioksidiahan voidaan käyttää raaka-aineena vihreän eli uusituvalla energialla tuotetun vedyn kanssa.
”VTT:llä on tutkittu ja kehitetty jo vuosia hiilidioksidin talteenottoa sekä hiilidioksidin ja vihreän vedyn hyödyntämistä muun muassa polttoaineiden, muovien ja proteiinien valmistuksessa. Niinpä meidän oli helppo kerätä tiimiimme myös hyötykäytön asiantuntijoita.”
DACU-projektissa kehitettiin amiinipohjaisia materiaaleja hiilidioksidin kaappaukseen suoraan ilmasta.
Materiaalikehitys pohjustaa DAC-menetelmän menestystä
Tiimin tavoitteena oli kehittää yksi materiaali, joka hoitaisi kaksi tehtävää. Se adsorboisi hiilidioksidia ilmasta ja mahdollistaisi hiilivetyjen muodostumisen eli konversion.
”Halusimme käyttää konversion käynnistämisessä plasmatekniikkaa, mutta huomasimme, että plasma tuhoaa juuri sellaisia materiaaleja, jotka sopivat hyvin adsorptioon. Niinpä keskityimme lopulta materiaalin adsorptio-ominaisuuksien kehittämiseen. Olemme valmistaneet projektin aikana lukuisia materiaaleja, joista osa on hyvin lupaavia. Prosessien yhdistäminen on joka tapauksessa myös edelleen kiinnostava tutkimuskohde.”
Elfving korostaa, että materiaaleja kehittämällä voidaan parantaa myös pelkän DAC-prosessin energiatehokkuutta.
Yksi tavoite on entistä valikoivampi talteenotto. Nykyiset materiaalit nimittäin kaappaavat ilmasta hiilidioksidin ohella huomattavasti enemmän vettä kuin hiilidioksidia. Tämä johtaa energian tuhlaamiseen siinä vaiheessa, kun hiilidioksidi ja vesi irrotetaan materiaalista kuumentamalla.
”Nyt on tärkeää keskittyä materiaalien ja prosessien perusteelliseen kehittämiseen ja testaamiseen, jotta DAC-laitoksista saadaan lähivuosina sekä ympäristön että talouden kannalta kestäviä”, Elfving painottaa. Hänen mukaansa merikontteihin mahtuvia DAC-laitteita on lopulta helppo yhdistellä isommiksi laitoksiksi, jos perusta on kunnossa.
Lähikuva plasmareaktorista. Projektissa tutkittiin plasman käyttöä vedyn ja kaapatun hiilidioksidin muuntamiseksi hiilivedyiksi.
