Suomalaisilla sellutehtailla on ulottuvillaan uusi menestystuote, hiilidioksidi. LUTin tutkijatohtori Hannu Karjusen väitöskirja mallintaa maailmaa, jossa hiilipohjaisten tuotteiden raaka-aineena toimiikin öljyn sijasta esimerkiksi metsäteollisuudesta talteenotettu hiilidioksidi.
Karjusen väitöskirjan tärkeä oivallus on, että Pohjoismaat ovat globaalisti merkittäviä biopohjaisen hiilidioksidin tuottajia. Jos kovan tutkimusinnon kohteena oleva hiilidioksidin hyötykäyttö (Carbon Capture and Utilization, CCU) halutaan valjastaa ilmastonmuutoksen torjuntaan, pitää uusiksi tuotteiksi kierrätettävän hiilidioksidin olla peräisin biomassasta, ei kivihiilestä tai öljystä.
– Suomessa suuri mahdollisuus ovat sellutehtaat. Puun käyttö ei lisäänny lainkaan, mutta nykyisin piipusta taivaalle päätyvät hiilidioksidipäästöt käytetään hyödyksi, Hannu Karjunen toteaa.
Fossiilinen hiili voisi jäädä koskemattomana maaperään
Fossiilisen öljyn voittokulku energialähteenä ja raaka-aineena on päättymässä, mutta erilaisia hiiliyhdisteitä ihmiskunta tarvitsee vastakin. CCU-teknologia on keino korvata fossiiliset raaka-aineet esimerkiksi nestemäisten polttoaineiden, erilaisten kemikaalien tai vaikkapa muovin valmistuksessa.
Pitkän tähtäimen tavoite on jättää fossiilinen hiili kokonaan koskemattomana maaperään, ja päästä lopulta tilaan, jossa hiili kiertää maapallolla kestävästi.
LUTin tutkijat simuloivat Neo Carbon Energy -projektissa vuonna 2016 koko globaalin energiajärjestelmän toimintaa. Malli kuvasi tunti tunnilta maailman sähköenergian tuotantoa eri energianlähteillä, kulutusta, siirtoa ja varastointia.
Johtopäätös oli selvä: sataprosenttisesti uusiutuva energiajärjestelmä voidaan saavuttaa vuoteen 2050 mennessä, eikä se merkitse edes energian hinnan merkittävää nousua.
Simulaation perusteella Suomessa osa tuotetusta uusiutuvasta sähköstä pitää varastoida synteettiseksi maakaasuksi vetyä ja hiilidioksidia yhdistämällä. Huippukulutuksen hetkinä kaasusta voidaan tuottaa jälleen sähköä ja lämpöä kaasuturbiineilla.
Väitöstyötään aloitteleva Karjunen ryhtyi selvittämään, mistä päin Suomea saisi helpoiten hiilidioksidia 30 terawattitunnin kokoisen metaanikaasuvaraston tuottamiseksi, ja miten hiilidioksidin hyötykäyttö linkittyisi osaksi tulevaisuuden energiajärjestelmää.
Hiilipohjaisten tuotteiden valmistus kierrätyshiilidioksidista on periaatteessa yksinkertaista. Esimerkiksi metaanin ja muiden synteettisten hiilivetyjen valmistukseen tarvitaan vain hiilidioksidia ja vetyä. Vetytehdas taas tarvitsee runsaasti puhtaasti tuotettua sähköä veden elektrolyyttiseen hajottamiseen vedyksi ja hapeksi.
Sellutehtaiden tonteille uudenlaisia teollisuusklustereita
Hiilidioksidi voidaan kaapata vaikka suoraan ilmasta. Näin tekee muun muassa Neo Carbon Energy -tutkimushankkeessa syntynyt startup-yritys Soletair Power, jonka teknologia muuttaa rakennukset hiilinieluiksi.
Huomattavasti halvempia hiilenlähteitä ovat kuitenkin suurten teollisuuslaitosten savukaasut. Tulevaisuudessa ihmiskunnan pitäisi päästä eroon pahimmasta kasvihuonekaasujen lähteestä, polttamiseen perustuvasta energiantuotannosta.
– On kuitenkin monia hiilidioksidin lähteitä, jotka todennäköisesti säilyvät tulevaisuudessakin, Karjunen ennustaa.
(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)
Osa hiilidioksidipäästöistä on vaikeasti vältettäviä, kuten kierrätyskelvottoman jätteen poltto sekä sementin ja teräksen valmistus.
Euroopassa merkittävä biopohjaisen hiilidioksidin lähde ovat Pohjoismaiden sellutehtaat.
– Pienempiä hiilidioksidin lähteitä ovat biokaasun jalostaminen, jäteveden käsittely ja esimerkiksi olutpanimot.
Yksi Karjusen väitöskirjan tutkimuspapereista mallinsi, miten kannattavaa olisi lisätä nykyaikaisen sellutehtaan tuotevalikoimaan synteettisen metanolin valmistus. Metanoli on tärkeä kemian teollisuuden peruskemikaali esimerkiksi liimojen ja hartsien valmistuksessa, ja se sopii myös liikenteen polttoaineeksi.
– Tuote on sama kuin nykyinen fossiilisista raaka-aineista tuotettu metanoli, mutta vihreästi valmistettuna, Karjunen kertoo.
Tulevaisuudessa sellutehtaan tontille voikin kasvaa aivan uudenlaisia teollisuusklustereita.
– Kaikki lähtee siitä, että lähistöllä on ylimääräistä tuuli- tai aurinkosähkön tuotantoa vedyn valmistamiseksi.
Sähköä ahmivan vetytehtaan lisäksi sellutehdas saisi yhteyteensä hiilidioksidin talteenottolaitoksen sekä uuden kemiantehtaan, joka syntetisoi kaapatusta hiilidioksidista ja vedystä uusia hiiliyhdisteitä.
Tuulivoimalat nyt vähän väärissä paikoissa
Väitöskirjan viitatuin tutkimuspaperi selvitti, miten tällainen kokonaisuus mitoitetaan optimaalisesti ja millaisia välivarastoja tarvitaan, kun prosessin eri osat kytketään yhteen.
Tulevaisuuden biotuotetehdas on huomattavan monimutkainen kokonaisuus, jossa yksi toimija tuottaa vetyä, toinen hoitaa vedyn ja hiilidioksidin välivarastoja, kolmas synteesiä, neljäs hiilidioksidin talteenottoa ja viides pyörittää paikallista lämpölaitosta. Prosessin pitää myös olla äärimmäisen joustava, sillä tärkeintä tuotannontekijää ei aina ole saatavilla.
– Uusiutuvaa sähköä ei välttämättä saa töpselistä 8 000 tuntia vuodessa, Karjunen kuvaa.
Suomessa muodostuu haasteeksi, että päästötöntä tuulisähköä on eniten lännessä Pohjanlahden rannalla, parhaat biopohjaisen hiilidioksidin lähteet taas ovat Itä-Suomen sellutehtaat. Kannattaako tulevaisuuden teollisuus keskittää hyvien sähkö- vai hiilidioksidivarojen äärelle?
– Tämä on tärkeä tutkimuskysymys, jota juuri selvitämme, Karjunen kertoo.
Jos fossiilisten hiilivarojen hyödyntäminen loppuu, ennustetaan hiilidioksidista tulevan vuoden 2040 jälkeen niukka hyödyke, jota pitää siirrellä paikasta toiseen.
Hiilidioksidin hyötykäyttö kuulostaa melkein liian hyvältä ollakseen totta. Ainoa jarru on raha. Esimerkiksi metanolin tuotanto kaapatusta hiilidioksidista on tällä hetkellä 2–7 kertaa kalliimpaa kuin fossiilisista raaka-aineista. Suurin kustannuserä on vedyn valmistuksen kuluttama sähkö, arviolta 40–70 prosenttia kustannuksista.
Kansainvälisen energiajärjestön IEA:n ennusteen mukaan kierrätyshiilidioksidin ensimmäisiä käyttökohteita voisivat olla muovien ja rakennusmateriaalien valmistus.
Hannu Karjusen tie tekniikan tohtoriksi
- 1990. Hannu Karjunen syntyy Juuassa, Kolin kupeessa.
- 2009. Ylioppilaaksi Lieksan lukiosta.
– Fysiikka kiinnosti, tuntui omalta jutulta. - 2010. LUT-yliopistoon energiatekniikkaa opiskelemaan. – Se vaikutti kiinnostavalta tulevaisuuden alalta.
- 2014. DI-työntekijäksi VTT:lle.
- 2015. Diplomityö savukaasujen varastointiratkaisusta valmistuu, DI Karjunen aloittaa jatko-opinnot. – Siirryin yliopiston puolelle VTT:n ja LUTin yhteisessä Neo Carbon Energy -tutkimusprojektissa.
- 2022. Väitöskirja ”Analysis and design of carbon dioxide utilization systems and infrastructures” hyväksytään LUTissa.
- 2023. Aloittaa LUTin energiatekniikan tutkijatohtorina, vetytalouden tutkimus jatkuu LUTin sekä Tampereen ja Itä-Suomen yliopistojen yhteisessä HYGCEL – Hydrogen and Carbon Value Chains in Green Electrification -tutkimushankkeessa.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Olisi hienoa saada Suomeen useampi laitos, jotka hyödyntäisivät hiilidioksidia ja tekisivät siitä uusia tuotteita.
Suosikkileikkikalu?
Riisitäytteiset jonglööripallot.
– Nyt treenaan neljällä pallolla.
Lempiharrastus
Hiihto ja uinti.
– Harrastan aika monipuolisesti urheilua, se on hyvää vastapainoa työssä istumiselle.
Vetytaloudesta tuli valtavirtaa
Vetytaloudesta tai hiilidioksidin hyötykäytöstä ei vielä ollut kahvipöytäpuheenaiheeksi, kun Hannu Karjunen aloitti vuonna 2016 väitöstyönsä.
– On ollut hauska lukea uutisia uusista vety- ja power-to-x-laitoksista. Nyt niitä ollaan perustamassa melkein joka notkelmaan, Hannu Karjunen toteaa.
Karjusen väitöskirja syntyi osana LUTin, VTT:n ja Turun yliopiston yhteistä Neo Carbon Energy -projektia.
– Se on ollut iso strateginen avaus vetytaloudelle Suomessa.
Hanke on poikinut jo yritystoimintaa, ja LUT on nostanut vetytalouden tärkeäksi osaksi strategiaansa. Moni LUTin tutkijoista tekee tänään töitä power-to-x-teknologioiden parissa.
Myös suomalainen teollisuus valmistautuu fossiilitalouden jälkeiseen maailmaan. Fortum pilotoi Riihimäen jätteenpolttolaitoksellaan muovien valmistusta laitoksen savukaasuista.
Keväällä 2023 Metsä Group kertoi selvittävänsä puuperäisen hiilidioksidin jatkojalostusta erilaisiksi biotuotteiksi.