Energiajätelaitos todisti hiilineutraaliutta edistävän teknologian toimivuuden

Tanskalaiset tutkijat ovat osoittaneet, että jätteenpolttolaitoksen päästöistä on mahdollista poistaa suurin osa hiilidioksidista (CO₂), ja osoittamalla prosessin toimivuuden tutkijat uskovat kehittäneensä ilmastonmuutoksen torjumisen kannalta keskeisen teknologian. Pilottilaitos on ollut toiminnassa Kööpenhaminassa useita kuukausia, ja laitoksen tehokkuuden optimointi on ollut mahdollista uudenlaisen kaasunvalvontateknologian ansiosta.

Kuva: Hufton&Crow / ARC

Jotta maailman johtajat voivat toteuttaa sitoumuksensa saavuttaa nettonolla, yksi heidän päätavoitteistaan tulee olemaan hiilenpoistoteknologioiden kehittäminen ja hyödyntäminen. Näitä teknologioita ovat hiilen talteenotto ja varastointi (CCS, carbon capture and storage) sekä hiilen talteenotto, hyödyntäminen ja varastointi (CCUS, carbon capture, utilisation and storage). Tutkijat Tanskan teknillisestä korkeakoulusta (DTU) kehittävät siksi Kööpenhaminassa innovatiivisen jätteenpolttolaitoksen kanssa prosessia, jolla saadaan otettua talteen hiilidioksidia (CO₂) laitoksen päästöistä. Projektissa hyödynnetään Vaisalan kehittyneitä kaasuanalysaattoreita hiilen talteenoton tehokkuuden ja sitä myötä CCUS-menetelmän toteutuskelpoisuuden mittaamiseen.

Image

Tutkijat ovat olleet kehittämässä pilottilaitosta hiilidioksidin poistamiseksi polttolaitoksen päästöistä Amager Bakke ‑energiajätelaitoksessa, joka on yksi Pohjois-Euroopan suurimmista sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksista ja jolla on 560 000 tonnin vuotuinen jätteenkäsittelykapasiteetti. Viiden Kööpenhaminan alueen kunnan yhteisomistuksessa olevan ARC (Amager Ressourcecenter) ‑jätteenkäsittely-yhtiön kehittämässä laitoksessa on monenlaisia innovaatioita, kuten katolla oleva keinotekoinen laskettelurinne, joka on osa CopenHill-nimistä ulkoaktiviteettikeskusta.

Pilottilaitos kehitettiin hiilidioksidin poistamiseksi erilaisten prosessien, kuten jäteveden käsittelyn, biokaasun tuotannon, mädätyksen ja jätteiden polton päästöistä. Tutkijat tutkivat kuitenkin samalla myös tapoja, joilla hiilidioksidia voidaan sekä ottaa talteen että hyödyntää. Ennen Amager Bakkeen asentamista hiilen talteenoton pilottilaitos toimi jätevedenkäsittelylaitoksessa. “Itse teknologia ei ole uutta”, DTU:n tutkija Jens Jørsboe selittää, ”mutta työmme painopisteenä on ollut hiilen talteenoton kustannusten alentaminen, jotta siitä tulisi taloudellisesti toteuttamiskelpoista.”

Poistokaasu Amager Bakken jätteenpolttolaitoksesta ohjataan sähkösuodattimen (ESP) läpi hiukkasten poistamiseksi. NOx-yhdisteet poistetaan selektiivisellä katalyyttisella pelkistyksellä (SCR), ja kaasunpesuri poistaa rikin oksidit. Poistokaasuihin jää suuria CO₂-pitoisuuksia, ja hiilen talteenoton pilottilaitoksen päätarkoituksena on tutkia tämän talteenoton toteutuskelpoisuutta. Tämän saavuttamiseksi kaasu ohjataan ylöspäin granulaattia ja etanoliamiiniliuosta (MEA) sisältävän kolonnin läpi. Tämä kolonni pesee hiilidioksidin kaasusta. Liuos ohjataan sitten desorptiolaitteeseen, joka poistaa siitä hiilidioksidin (hiilidioksidi on tässä vaiheessa lähes puhdasta) sekä ottaa MEA:n talteen uudelleenkäyttöä varten. Tutkimusprojektissa tuotettu hiilidioksidi johdetaan edelleen ilmaan, mutta kaupallisesti ajatellen on monia teollisuussovelluksia, joissa hiilidioksidia voidaan hyödyntää. Hiilidioksidin voi esimerkiksi saattaa reagoimaan vedyn kanssa Sabatier-prosessissa, jossa saadaan korkeassa lämpötilassa ja paineessa nikkelikatalyytin avulla metaania (polttoaineena käytettävä kaasu) ja vettä. Tätä voidaan käyttää vihreänä polttoaineen valmistuksen menetelmänä, jos vety valmistetaan elektrolyysillä käyttäen uusiutuvaa energiaa, kuten aurinko-, biokaasu- tai tuulienergiaa.

Hiilidioksidia käytetään myös monilla muilla aloilla, kuten elintarvikkeiden ja juomien valmistuksessa, jäähdytyksessä, lääketieteessä, puutarha-alalla, palontorjunnassa ja hitsauksessa, joten mahdollisia markkinoita on lukuisia, jos hiilidioksidia voidaan tuottaa kaupallisella laadulla ja mittakaavalla.

Hiilen talteenoton tehokkuuden valvonta

Hiilen talteenottoprosessi voidaan optimoida vain, jos CO₂-pitoisuuksia pystytään valvomaan jatkuvasti sekä ennen prosessia että sen jälkeen. Siksi olikin onnekasta, että ennen pilottilaitoksen rakentamista Vaisala oli kehittänyt Suomessa maailman ensimmäisen prosessilinjalta mittaavan hiilidioksidin, kosteuden ja metaanin mittalaitteen.

Polttolaitosten poistokaasut voivat olla syövyttäviä ja räjähdysvaarallisia, joten inline-valvonta ei ole aiemmin ollut mahdollista. Vielä äskettäin ainoa ratkaisu oli näytteiden poimiminen analysoitavaksi prosessin ulkopuolella, mutta tämä menetelmä ei sovellu prosessin ohjaukseen ja optimointiin, ja siinä on luontaisesti paljon haittapuolia, kuten tarve poistaa kosteutta näytelinjalta ja tarve toistuvalle uudelleenkalibroinnille.

Vaisalan kehittämä MGP261-monikaasumittapää ratkaisi kaikki nämä valvonnan haasteet, ja erityiseksi avuksi oli sitä seurannut sisartuote MGP262, joka oli mukautettu suurten CO₂-pitoisuuksien mittaamiseen ja sopi siksi ihanteellisesti lähes puhtaan hiilidioksidin jatkuvaan inline-valvontaan pilottilaitoksen desoprtiolaitteen jälkeen.

Pilottilaitoksella on käytössä yhteensä kolme Vaisala-mittapäätä - MGP261 valvoo polttolaitokseen saapuvaa poistokaasua, ja MGP262 mittaa erotetun hiilidioksidin puhtautta. Kolmas mittapää on Vaisalan CARBOCAP® hiilidioksidimittapää GMP251, joka tarkistaa pilottilaitoksen poistokaasun CO₂-pitoisuuden hiilen talteenoton jälkeen.

Ainutlaatuinen valvontateknologia

Kaikki kolme mittapäätä käyttävät CARBOCAP®-teknologiaa, joka hyödyntää sähköisesti viritettävää FPI (Fabry-Pérot-interferometri) ‑suodatinta. Kohdelajin mittaamisen lisäksi mikromekaaninen FPI-suodatin mahdollistaa referenssimittaukset aallonpituudella, jolla absorptiota ei tapahdu. Referenssimittauksissa FPI-suodatin säädetään sähköisesti vaihtamaan kaistanpäästökaista absorptioaallonpituudesta ei-absorboivaan aallonpituuteen. Tämä referenssimittaus kompensoi mahdolliset muutokset valonlähteen voimakkuudessa sekä kontaminaation optisessa polussa, joten anturi on erittäin stabiili myös pitkällä aikavälillä. 

MGP261 ja MGP262 mittaavat kosteuden ja hiilidioksidin samalla optisella suodattimella ja metaanin toisessa optisessa kanavassa. Monessa suhteessa ratkaisu yhdistää laboratorion spektrometrin analyysitehon yksinkertaiseen ja kestävään teollisuusprosessin hallintalaitteeseen.

Jens Jørsboe kommentoi valvontalaitteiden suorituskykyä: ”Olemme olleet ilahtuneita monikaasumittapäiden tarkkuudesta ja luotettavuudesta – ei vähiten siksi, että niiden avulla olemme oppineet paljon jätteenpolton poistokaasun hallinnasta. Fossiilisten polttoaineiden polton päästöistä tiedetään paljon, mutta jätteenpolton päästöistä on vähemmän tietoja saatavilla. 

Vaisalan mittapäiden teknologia auttaa myös minimoimaan käyttökustannukset, koska itsekalibroituvuuden ansiosta mittapäiden huoltotarve on ollut hyvin vähäinen ja käyttökatkot on voitu välttää.”

Hiilen talteenotto Kööpenhaminassa ja maailmanlaajuisesti

Jatkuvan inline-valvonnan avulla tutkijat ovat voineet optimoida hiilen talteenoton suorituskyvyn arvioimalla kahtatoista eri pilottilaitoksen kokoonpanoa. Hiilen talteenottoprosessin toteutuskelpoisuuden todistamisen jälkeen seuraava vaihe oli hiilen varastoinnin ja hyödyntämisen suhteellisten etujen arviointi. Jens Jørsboe sanoo: ”Tällä hetkellä hiilidioksidin hyödyntäminen on kalliimpi vaihtoehto hiilidioksidin jatkojalostuksen kustannusten vuoksi, joten Amager Bakken laitoksen omistajat suunnittelevat hakevansa 1,5 miljardin Tanskan kruunun (noin 200 miljoonan euron) rahoitusta sellaista CCS-laitosta varten, joka pystyy ottamaan talteen 500 000 tonnia hiilidioksidia vuodessa – edellyttäen, että Tanskan valtio toteuttaa asianmukaisen säännöskehyksen ja tarjoaa riittävän rahoituksen. Tämä laitos hyödyntäisi samaa amiinipesuprosessia, jonka toimivuuden hiilen talteenoton pilottilaitos on todistanut.”

Poltettaessa yksi tonni yhdyskuntajätettä vapautuu jätteen koostumuksen mukaan 0,7–1,7 tonnia hiilidioksidia. Energian tuottaminen jätteenpoltolla on näin ollen hiili-intensiivisempää kuin fossiilisten polttoaineiden poltolla, ja hiilen talteenotto tarjoaa mahdollisuuden hallita kasvavaa yhdyskuntajätteen käsittelytarvetta tuottamatta kasvihuonekaasuja yli hyväksyttävän rajan.

Jørsboe uskoo, että tätä teknologiaa voidaan tulevaisuudessa käyttää kaikissa maailman jätteenpolttolaitoksissa. Viimeisimpien ecoprogin tietojen mukaan tämä tarkoittaa noin 2 500:aa energiajätelaitosta, joiden jätteenkäsittelykapasiteetti on noin 400 miljoonaa tonnia jätettä vuodessa. 
Lisäksi pitäisi olla mahdollista hyödyntää ylijäämälämpöä siirtämällä se paikallisen teollisuuden käyttöön tai kaukolämpöverkkoon. 

Jørsboe kiteyttää: ”Äskettäinen COP26-ilmastonmuutoskonferenssi Glasgow'ssa korosti kiireistä tarvetta teknologioille, jotka voivat auttaa vähentämään kasvihuonekaasujen, kuten hiilidioksidin, päästöjä maailmanlaajuisesti. Monet maat ovat sitoutuneet nettonollatavoitteisiin, ja työmme Amager Bakken energiajätelaitoksella tarjoaa niille mahdollisuuden investoida yhteen menetelmään, joka auttaa tämän tavoitteen saavuttamisessa.”