Sähkökemiallinen hiilidioksidin konvertointi teollisuuskemikaaleiksi

Abstract

Jatkuvasti kasvava ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ja siitä johtuva ilmastonmuutos herättävät huolta kaikkialla – niin hallitusten, teollisuuden kuin tavallisten kansalaisten keskuudessa. Hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö eli CCU-teknologiat ovat erittäin tärkeä ja ajankohtainen tutkimusaihe, kun pyritään hillitsemään hiilidioksidipäästöjä ja vähitellen luopumaan fossiilisista polttoaineista. Hiilidioksidin sähkökemiallinen pelkistäminen on uusi ja lupaava CCU-teknologia, joka on ollut viime vuosikymmenien aikana laajan tutkinnan alla. Tässä kandidaatintyössä esitetään perusteellinen kirjallisuuskatsaus, jossa perehdytään olemassa oleviin hiilidioksidin elektrolyysitekniikoihin ja selvitetään niiden teknologian nykyinen asema sekä kypsyysaste. Lisäksi työssä vertaillaan eri tekniikoiden teknistaloudellista suorituskykyä sekä pohditaan niiden tulevaisuuden näkymää ja vielä edessä olevia haasteita.

Tutkimusten perusteella hiilidioksidin elektrolyysin on todettu tuottavan parhaimpia tuloksia emäksisissä olosuhteissa ja korkeissa lämpötiloissa. Hiilidioksidin pelkistämiseen häkäkaasuksi sovelletaan pääasiassa kahta korkean lämpötilan elektrolyysiprosessia, jotka ovat kiinteäoksidielektrolyysi sekä sulan karbonaatin elektrolyysi. Myös matalan lämpötilan elektrolyysin mahdollisuuksia on tutkittu ja kun sitä varten löydetään sopivat materiaalit, se voi mahdollisesti osoittautua korkean lämpötilan prosesseja paremmaksi vaihtoehdoksi alhaisempien kustannustensa sekä turvallisuutensa ansiosta. Hiilidioksidin pelkistäminen korkeamman hiilipitoisuuden omaaviksi hiilivedyiksi on vielä hyvin haastavaa. Siihen on sovellettu sekä yksivaiheista, että kaksivaiheista pelkistysprosessia, mutta molemmat tekniikat ovat vielä monia tieteellisiä ja teknisiä läpimurtoja vailla.

Erityinen painoarvo tässä työssä asetetaan veden elektrolyysin, käänteisen vesikaasureaktion ja Fischer-Tropsch -synteesin kautta tuotetun polttoaineen valmistuksen sekä hiilidioksidin elektrolyysin kautta tuotetun polttoaineen valmistuksen välille. Tämän tutkimuksen perusteella arvioidaan, voisiko hiilidioksidin elektrolyysin avulla tuotettu polttoaine olla ympäristöystävällisempi ja energiatehokkaampi prosessi verrattuna perinteisempään veden elektrolyysiin ja vedyn käyttöön pohjautuvaan prosessiin. Lopulliset tulokset tarjoavat tärkeää tietoa siirtymisestä energiatehokkaampiin ja ympäristöystävällisempiin energiaratkaisuihin, edistäen samalla ponnisteluja ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi ja fossiilisten polttoaineiden käytön vähentämiseksi.