Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS)

ccs

Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS) on voimalaitosten ja teollisuuskohteiden päästöjen rajoittamiseen tähtäävä teknologia, jossa:

  1. Hiilidioksidi erotetaan voimalaitoksella tai teollisuuskohteessa,
  2. Kuljetetaan soveltuvalle varastointipaikalle ja
  3. Varastoidaan pysyvästi soveltuviin geologisiin muodostumiin.

Hiilidioksidi on teollisuuskaasu, jonka erottaminen ja talteenotto on yleistä petrokemian teollisuudessa ja joissakin kemianteollisuuden prosesseissa. Hiilidioksidin erotus pumpatusta maakaasusta on ollut normaalia toimintaa jo pitkään. Joillain kaasukentillä erotettu kaasu on pumpattu takaisin kenttään. Hiilidioksidin pumppauksen hyötynä on kaasukentän paineen säilymisen takia parempi kaasun saanto. Tekniikkaa on käytetty Pohjanmerellä, Kanadassa ja Algeriassa. Hiilidioksidin talteenottoa ei kuitenkaan toistaiseksi ole sovellettu suuren mittakaavan voimalaitoksissa.

Myös voimalaitosten savukaasujen hiilidioksidi on mahdollista ottaa talteen polttoaineesta riippumatta. Jo kaupallisessa käytössä olevissa talteenottomenetelmissä palamisprosessissa syntynyt hiilidioksidi joko nesteytetään savukaasupesurissa tai sidotaan kemiallisesti sopivaan mineraaliin. Vastaavasti kaasutusprosesseissa polttoainekaasun hiilidioksidi voidaan poistaa pesurissa ennen palamisprosessia.

Hiilidioksidin erottamisen voimalaitoksen savukaasuista tekee ongelmalliseksi käsiteltävien kaasujen suuri määrä ja hiilidioksidin pieni pitoisuus savukaasuissa. Erottaminen vaatii nykytekniikoilla paljon energiaa ja pienentää siten saatavaa hyötyenergiaa. Erottamisen lisäksi ratkaistavana on myös loppuvarastoinnin menetelmiin liittyviä teknisiä ja pitkäaikaisvarastoinnin turvallisuuteen liittyviä haasteita. Teknologiakehitykseen on kuitenkin panostettu viimeisten vuosien aikana merkittävästi resursseja ja erityisesti talteenoton energiatehokkuuden odotetaan parantuvan kehitystyön ansiosta. Myös varastointiin liittyvät epävarmuudet voidaan suurelta osin ratkaista huolellisella suunnittelulla ja varastointipaikan huolellisella tutkimisella ennen toiminnan aloittamista. Teknisten haasteiden lisäksi on ratkaistava joukko hallinnollisia ongelmia ennen kuin hiilidioksidin erottaminen voi muuttua normaaliksi toiminnaksi. EU:ssa kesäkuussa 2009 säädetty direktiivi hiilidioksidin geologisesta varastoinnista luo pohjan CCS-teknologian käyttöönotolle EU:n alueella. Hiilidioksidin talteenotto- ja varastointi on sisällytetty myös EU:n päästökauppadirektiiviin ja teknologialle on tulevaisuudessa tarkoitus saada vastaava asema hiilidioksidin vähentämistoimena kuin Kioton pöytäkirjassa vahvistetuilla joustomekanismeilla.

EU on luomassa ohjelmaa hiilidioksidin talteenottoon ja varastoimiseen

EU on julkistanut ohjelman, jolla pyritään lähes päästöttömään hiilivoimaan vuoteen 2020 mennessä. Ohjelmaan kuuluu erotus -ja varastointimenetelmien demonstrointi. Suunnitelmissa on aloittaa 12 suurta kokeiluprojektia vuoteen 2015 mennessä. EU on varannut hankkeiden tukemiseen noin miljardi euroa vuoden 2009 elvytyspaketista sekä 300 miljoonaa päästöoikeutta, joiden huutokauppaamisesta saatujen tulojen avulla tuetaan CCS-laitoksia sekä innovatiivisia uusiutuvan energian hankkeita. Vuoden 2020 jälkeen rakennettavien uusien hiiltä käyttävien voimalaitosten on määrä olla valmiita hiilidioksidin poistoon. Tähän valmiuteen kuuluu sopivien menetelmien selvittäminen, poistolaitokselle tarvittavat tilavaraukset sekä mahdollisten varastointivaihtoehtojen selvittäminen.

Hiilidioksidin erottaminen – jälkipuhdistusta tai prosessimuutoksia

hiilidioksidin-erottaminen

Periaatteellisia menetelmiä hiilidioksidin erottamiseksi voimalaitosprosessissa; savukaasun puhdistus, fossiilipolttoaineen kaasutusprosessi ja happipoltto.

Periaatteessa menetelmät hiilidioksidin erottamiseksi voidaan jakaa ennen polttoa tapahtuviin ja polton jälkeen tapahtuviin. Polttoaineen käsittelyllä ennen polttoa saadaan käsiteltävien kaasujen määrää pienennettyä. Samaan tähtää ns. happipolttokonsepti, jossa ilmasta erotetaan happi ja sitä käytetään poltossa. Näin savukaasumäärät pienenevät ratkaisevasti ja hiilidioksidin pitoisuus kasvaa. Ennen polttoa tapahtuva erottaminen sopii paremmin uusille laitoksille ja polton jälkeen tapahtuva vanhoille laitoksille. Erityyppisille polttolaitoksille – pölypoltto, leijupeti, IGCC, kaasuturbiini – sopivat eri menetelmät. Teräs- ja sementtiteollisuuden prosessit vaativat myös omat erotusmenetelmänsä.

Palamisprosessin jälkeisellä erottamisella on mahdollista saada talteen jopa noin 90 % hiilidioksidipäästöstä. Talteenotto pienentää voimalaitoksen hyötysuhdetta 11 – 14 prosenttiyksikköä verrattuna tilanteeseen ilman hiilidioksidin talteenottoa. Uuden voimalaitoksen rakentamisen kustannukset nousevat 50 – 80 % ja tuotantokustannukset 40 – 70 %. Jälkiasennuksessa olemassa olevaan voimalaitokseen vaaditaan suuria muutoksia sekä savukaasu- että höyrypiiriin.

Kaasutusprosessiin liittyvässä polttoainekaasun konvertoinnissa voidaan tuottaa hiilidioksidia ja vetyä. Vety johdetaan polttoon kaasuturpiinille, kun taas hiilidioksidi loppusijoitetaan. Uuden voimalaitoksen rakentamisen kustannusten arvioidaan nousevan 30 – 80 %. Laitoksen hyötysuhde alenee noin 7 – 11 prosenttiyksikköä.

Mahdollisia loppusijoituspaikkoja ovat hyödynnetyt öljy- ja maakaasulähteet ja sopivat maaperän kerrostumat. Suurin varastointipotentiaali arvioidaan olevan syvällä maaperässä suolavesikerrostumissa, jotka voivat olla maan alla tai meren alla. Ympäristösyistä ei pidetä hyväksyttävänä hiilidioksidin sijoittamista merien syvänteisiin. Kuljetusvaihtoehtoina ovat putkikuljetus ja kuljetus laivoilla. Maailman mittakaavassa putkikuljetus tullee olemaan pääasiallinen kuljetusmuoto, Suomessa kyseeseen tulee lähinnä laivakuljetus. Molemmissa vaihtoehdoissa hiilidioksidi kuljetetaan nesteytettynä kovan paineen alaisena.

Varastoinnissa maaperään hiilidioksidi pumpataan suuressa paineessa huokoiseen kerrostumaan, jossa se syrjäyttää raskaampaa suolavettä. Tällaiset kerrostumat ovat noin 1 – 3 km:n syvyydessä. Hiilidioksidin sijoittamiseen sopivissa kerrostumissa tulee huokoisen kiven päällä olla tiivis kerros esimerkiksi savea. Varaston pitävyys perustuu lyhyellä aikavälillä tähän läpäisemättömään kerrokseen ja hiilidioksidin sitoutumiseen huokoiseen kiveen. Tuhansien vuosien kuluessa hiilidioksidi liukenee veteen ja reagoi kemiallisesti mineraalien kanssa, jolloin varastoinnin varmuus paranee.

Hiilidioksidin erottamisella voidaan päästä merkittäviin kasihuonekaasujen päästövähenemiin globaalisti. IEA on arvioinut sen olevan kolmanneksi tehokkain tapa torjua ilmastonmuutosta. Sen mahdollisen osuus on voi näiden arvioiden mukaan olla noin 14 % vuonna 2030 tarvittavasta noin 8 miljardin CO2 –tonnin päästövähennyksestä ja lähes 20 % vuonna 2050 tarvittavasta noin 48 miljardin tonnin päästövähennyksestä.

Arvioidut hiilidioksidin talteenoton ja varastoinnin kustannukset

css-kustannukset

Kallein vaihe on hiilidioksidin erotus savukaasuista, sen osuus kustannuksista on jopa yli puolet, kuljetus ja varastointivaiheen kustannukset ovat edullisimmissa tapauksissa noin 10 % kokonaiskustannuksista.

Hiilidioksidin talteenoton ja varastoinnin riskit

Keskeinen kysymys hiilidioksidin talteenotossa ja varastoinnissa on varastoidun hiilidioksidin vuotomahdollisuus, vuodon suuruus ja seuraukset. Riskien hallitsemiseksi EU:n direktiiviehdotus määrittelee tarkasti sijoituspaikalle asetettavat vaatimukset ja sijoituksen turvallisuuden selvittämiseksi tehtävät tutkimukset. Suurimmat tunnistetut riskit ovat:

  • Pohjaveden saastuminen (vuotanut hiilidioksidi voi tehdä pohjavedestä happamampaa mikä voi johtaa raskasmetallien liukenemiseen).
  • Vuotanut hiilidioksidi voi kerääntyä notkelmiin ja aiheuttaa vahinkoja ihmisille ja eläimille.
  • Pitkäaikainen vuoto edistää ilmastonmuutosta.

Ympäristöriskien suuruus riippuu hiilidioksidin sijoituspaikan ominaisuuksista. Sijoituspaikkaselvitysten osana tehtävillä ympäristövaikutusarvioilla pyritään löytämään sopivimmat paikat. Teknisillä selvityksillä pyritään varmistamaan turvallisimmat ratkaisut. Näitä etsitään laajoissa tutkimusohjelmissa. Kokemuksia hiilidioksidin varastoinnista on 1990-luvun alusta alkaen Norjan kaasukentiltä. Merkittävien hiilidioksidivuotojen todennäköisyys saadaan alennettua erittäin pieneksi varastointipaikan huolellisella valinnalla ja toiminnan suunnittelulla. Esimerkiksi öljy- ja kaasukentät ovat säilyttäneet öljyä ja kaasua miljoonien vuosien ajan.

Mahdollisten suorien ympäristövaikutusten lisäksi hiilidioksidin talteenotto ja varastointi lisää veden ja raaka-aineiden kulutusta ja kuljetuksia ja alentaa energiatuotannon hyötysuhdetta. Näitä vaikutuksia vähennetään valitsemalla kuhunkin tuotantotekniikkaan ja laitospaikkaan parhaiten soveltuvat ratkaisut.