Power-to-X

Power-to-x -teknologioilla (P2X) tarkoitetaan yleisesti sellaisia prosesseja, joilla uusiutuvien energialähteiden tuottaman sähköenergian avulla valmistetaan synteettisiä, ns. sähköpolttoaineita tai muita yhdisteitä. Power-to-x -teknologian lopputuotteita voidaan käyttää niin kemianteollisuudessa kuin liikenteessä autojen ja muiden kulkuneuvojen polttoaineena. Konseptin tarkoituksena on tuottaa helposti säilytettävää ja päästötöntä energiaa sekä vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Power-to-x on yksi askel kohti hiilineutraalia ympäristötavoitetta.

Tärkeimmät osaprosessit power-to-x -teknologiassa ovat veden elektrolyysi sekä hiilidioksidin talteenotto. Veden elektrolyysissä vesi (H2O) hajotetaan alkuaineiksi, eli vedyksi (H) ja hapeksi (O). Elektrolyysi on periaatteessa sähkövirralla pakotettu hapetus-pelkistysreaktio ja siihen tarvittava sähköenergia tuotetaan esimerkiksi tuulivoimalla. Hiilidioksidia sen sijaan otetaan talteen muun muassa voimalaitoksista, teollisuuden prosesseista sekä ympäröivästä ilmasta. Vedestä elektrolyysillä irrotetun vedyn ja talteen otetun hiilidioksidin avulla voidaan tuottaa synteettisiä polttoaineita kuten metanolia.

 Teknologia ja prosessit 
Power-to-x-teknologiat voidaan ajatella erilaisina prosessiketjuina, joiden avulla sähköenergiaa muutetaan joksikin tuotteeksi x . Teknologiaan kuuluvia olennaisia kemiallisia osaprosesseja ovat veden elektrolyysi, hiilidioksidin talteenotto ja hiilivety-yhdisteiden valmistaminen vedystä ja hiilidioksidista. Vain hiilivetyjen valmistukseen perustuvissa prosessiketjuissa tarvitaan kaikkia näitä osaprosesseja yhdessä, mutta veden elektrolyysiä tarvitaan yleensä kaikissa eri menetelmissä suoraa lämmöntuotantoa (power-to-heat) lukuun ottamatta.
pienoiskuva|430x430px|Esimerkkejä power-to-x-teknologioiden prosessiketjuista.

 Veden elektrolyysi 
Veden elektrolyysi on power-to-x -teknologian tärkein osaprosessi. Elektrolyysireaktiot tapahtuvat elektrolyysikennoissa, joihin johdetaan tasavirtaa. Kennot koostuvat kahdesta sähköä johtavasta elektrodista eli anodista ja katodista, sekä niiden välissä olevasta elektrolyytistä. Käytetty elektrolyytti voi olla joko nestemäinen tai kiinteä. Tavallisesti katodia ja anodia erottaa myös sähkövirtaa läpäisevä, mutta kaasuja läpäisemätön kalvo, joka voi myös toimia samalla elektrolyyttinä. Kun elektrolyysikennoon synnytetään potentiaaliero sähkövirran avulla, positiivisesti varautuneelle anodille muodostuu happea ja negatiivisesti varautuneelle katodille vetyä. Vetyä tuotettaessa kytketään yhteen useampia elektrolyysikennoja. 

Veden elektrolyysin toteuttamiseen on olemassa erilaisia teknologioita, joista tärkeimmät eroavat toisistaan lähinnä kennossa käytetyn elektrolyytin perusteella. Tärkeimmät teknologiat ovat alkalielektrolyysi (AEL), polymeerimembraanielektrolyysi (PEM) ja kiinteäoksidielektrolyysi (SOEC).

 Hiilidioksidin talteenotto 
Power-to-x -menetelmään kuuluu myös hiilidioksidin talteenotto silloin, kun halutaan valmistaa synteettisiä hiilivety-yhdisteitä pelkän vedyn sijaan.  

Hiilidioksidia voidaan ottaa talteen useista erilaisista lähteistä, esimerkiksi polttovoimaloista, hiilidioksidia tuottavista teollisuuden prosesseista, biogeenisistä eli eloperäisistä lähteistä tai suoraan ilmasta. Mitä suurempi on hiilidioksidin osapaine päästölähteessä, sitä taloudellisemmaksi sen talteen ottaminen muodostuu. Jos hiilidioksidi otetaan talteen edellä mainituista lähteistä, eivät PtX-teknologiat lisää hiilidioksidin määrää ilmakehässä ja niillä valmistettuja tuotteita voidaan näin ollen pitää hiilineutraaleina.   

Hiilidioksidia voidaan ottaa talteen muun muassa kemiallisen ja fysikaalisen absorption, adsorption, kryogeenisen erotuksen, membraanien, happipolton tai erilaisten kiertoprosessien avulla. Kaikki kyseiset menetelmät soveltuvat suurimpaan osaan päästölähteistä, mutta esimerkiksi biokaasun jalostuksessa syntyvän hiilidioksidin talteenottoon soveltuvat lähinnä vain absorptio, adsorptio ja membraanierotus. Bioetanolin valmistuksesta syntyvä poistokaasu puolestaan on niin hiilidioksidirikasta, ettei sen erillinen puhdistus ole välttämätöntä.

Kemiallinen ja fysikaalinen absorptio ovat jo vakiintuneita menetelmiä hiilidioksidin talteenottoon. Absorptioprosessissa kaasuseoksessa oleva hiilidioksidi absorboidaan liuottimeen, josta hiilidioksidi voidaan vapauttaa sen jälkeen lämmittämällä. Adsorptiossa puolestaan hiilidioksidi sidotaan kiinteän aineen eli adsorbentin pintaan ja vapautetaan siitä adsorbentin täyttyessä esimerkiksi paineen avulla. Kryogeeninen erotus perustuu hiilidioksidin tiivistymiseen. Tässä menetelmässä puristamalla ja jäähdyttämällä savukaasua saadaan siitä erotettua hiilidioksidirikasta nestettä. Membraanien avulla tapahtuva talteenotto on kehitysvaiheessa oleva menetelmä, jossa hiilidioksidi erotetaan selektiivisellä, vain hiilidioksidirikasta kaasua läpäisevällä membraanilla eli kalvolla. Kalvon läpäisy perustuu osapaine-eroihin sen eri puolilla. Happipoltossa polttoainetta poltetaan ilman sijasta puhtaalla hapella, jotta savukaasuihin ei syntyisi typpeä. Lisäksi poltossa käytetään savukaasujen kierrätystä, ettei palamislämpötila nousisi liian korkeaksi. Tällöin palamistuotteena syntyvä savukaasu on puhtaampaa koostuen pääasiassa vain hiilidioksidista ja vesihöyrystä, joka voidaan erottaa hiilidioksidista tiivistämällä nesteeksi. Lisäksi hiilidioksidia voidaan ottaa talteen ainakin kahdella erilaisella kiertoprosessilla: kemikaalikiertopoltolla (CLC) ja kalsiumkiertoprosessilla (CaL). 

Hiilidioksidin talteenottoon ilmasta käytetään monivaiheista DAC-prosessia (direct air capture), jolla on korkeat kustannukset, koska hiilidioksidin pitoisuus ja osapaine ovat ilmassa hyvin alhaisia verrattuna muihin talteenottolähteisiin. DAC-prosessi koostuu tavallisesti kolmesta osasta. Ensimmäisessä osassa ympäröivä ilma ohjataan sorbentille eli sitovaan aineeseen käyttäen apuna esimerkiksi tuulettimia. Seuraavassa vaiheessa ilman sisältämä hiilidioksidi sidotaan sorbenttiin joko absorptiolla tai adsorptiolla. Lopuksi kerätty hiilidioksidi erotetaan sorbentista esimerkiksi lämpötilan- tai paineenmuutoksen avulla.

 Hiilivetyjen valmistaminen vedystä ja hiilidioksidista 
Power-to-x-teknologioilla on mahdollista valmistaa elektrolyysillä valmistetusta vedystä ja talteen otetusta hiilidioksidista lukematon määrä erilaisia hiilivety-yhdisteitä. PtX:n avulla valmistettuja hiilivetyjä kutsutaan synteettisiksi hiilivedyiksi. Mahdollisia tekniikoita joidenkin tavallisimpien hiilivetyjen valmistamiseksi ovat muun muassa kemiallinen tai biologinen metanointi, metanolisynteesi ja Fischer-Tropsch-synteesi. Metanoinnilla hiilidioksidi ja vesi voidaan suoraan muuttaa metaanikaasuksi esimerkiksi kemiallisella Sabatier-reaktiolla, mutta moni muu menetelmä hiilivetyjen muodostamiseksi vaatii ensin välituotteena toimivan, vedystä ja hiilimonoksidista koostuvan kaasuseoksen eli synteesikaasun valmistusta. Synteesikaasua tarvitaan raaka-aineeksi esimerkiksi käytettäessä metanolisynteesiä tai Fischer-Tropsch-synteesiä .  

Synteesikaasuun tarvittavan hiilimonoksidin valmistus tapahtuu PtX-teknologioiden yhteydessä yleensä joko käänteisellä vesikaasun siirtoreaktiolla eli rWGS:llä tai elektrolyysillä. rWGS on endoterminen reaktio, joka tapahtuu korkeissa yli 600 °C:n lämpötiloissa. Reaktiossa talteen otettu hiilidioksidi muunnetaan synteesikaasuun tarvittavaksi hiilimonoksidiksi reaktiolla:   

CO2 + H2 → CO + H2O 

Elektrolyysissä hiilidioksidi muunnetaan sähkön ja lämmön avulla hiilimonoksidiksi. Tämä onnistuu käyttämällä kiinteäoksidielektrolyysiä. Hiilidioksidin elektrolyysiä kuvaa reaktioyhtälö 

2 CO2 → 2 CO + O2

Veden ja hiilidioksidin elektrolyysi voidaan PtX-prosesseissa toteuttaa samanaikaisesti yhdessä kennossa. 

 Tuotteet 
Power-to-x -nimityksessä x viittaa prosessissa syntyvään tuotteeseen. Tuotteet voidaan lajitella esimerkiksi niiden olomuodon mukaan. Tällöin power-to-x -teknologian tuotteet ovat power-to-heat, power-to-liquids, power-to-gas sekä power-to-food.

Power-to-heat -teknologiassa uusiutuva sähköenergia muutetaan termodynaamiseksi energiaksi eli lämmöksi. Tämä tapahtuu joko lämpöpumppujen tai sähkökattiloiden avulla. Sähkökattilassa käytetään sähkövastusta lämmittämään vettä. Lämpöpumppu puolestaan käyttää sähköenergiaa kompressorinsa työhön.

Power-to-liquids viittaa nestemäiseen valmistettavaan tuotteeseen. Näitä tuotteita ovat pääosin liikenteen polttoaineet (sähköpolttoaine) sekä muut kemikaalit. Prosesseina käytetään Fischer-Tropsch-synteesiä sekä metanolisynteesiä. 

Power-to-gasin avulla valmistetaan nestemäisiä tuotteita. Näistä merkittävimpiä ovat vety sekä metaani. Vedyn valmistus tapahtuu veden elektrolyysin avulla ja on hyvin suoraviivainen prosessi. Vetyä pidetäänkin yhtenä power-to-x -teknologioiden merkittävimpänä tekijänä, sillä sitä tarvitaan muiden tuotteiden valmistuksessa. Metaanin valmistus tapahtuu hiilidioksidin sekä vedyn avulla.

Power-to-food käsittää ruoan valmistuksen. Suomalainen yhtiö Solar Foods on kehittänyt menetelmän, jossa proteiinia valmistetaan hiilidioksidin, veden sekä sähkön avulla. Kyse on siis power-to-x -teknologiasta, jossa tuotteeksi saadaan ravintoainetta.

 Kehittäminen Suomessa 
Power-to-x -menetelmää on tutkittu myös Suomessa esimerkiksi Lappeenrannan-Lahden teknillisen yliopiston (LUT) toimesta. Vuonna 2014 synteettisten polttoaineiden tutkimus käynnistettiin LUT-yliopistolla laajassa mittakaavassa osana vuonna 2014 alkanutta nelivuotista strategista tutkimushanketta, NeoCarbon Energy Projectia. Vedyn tuotanto vedestä elektrolyysin avulla on kallista johtuen vaadittavasta sähkön määrästä, mutta LUT-yliopiston elektrolyysin energiatehokkuuden tutkimuksissa on saavutettu siihen liittyen lupaavia tuloksia.  

Lappeenrannan pilottilaitoksella suoritetussa F. V. Vázquez et al. suorittamassa tutkimuksessa on esitelty käsitteellinen power-to-x -laitos, jolla voidaan saavuttaa 47 %:n energiatehokkuus ja 94 %:n hiilitehokkuus, kun otetaan huomioon kiinteät ja nestemäiset hiilivedyt tuotteina. 

Vuonna 2020 LUT-yliopisto, teknologiayhtiö Wärtsilä ja energiayhtiö St1 laativat Hiilineutraali Suomi -raportin, joka osoittaa miten P2X-teknologioihin perustuvat ratkaisut voisivat tukea hallitusohjelman mukaista tavoitetta, jossa pyritään hiilineutraaliuteen vuoteen 2035 mennessä. Suomen tavoitteena on, että vuoteen 2035 mennessä Suomi sitoisi hiilidioksidia saman verran kuin se laskee sitä päästöinä ilmakehään. Hiilineutraaliuden tarkastelussa huomioidaan kaikki yhteiskunnan sektorit. Hiilineutraali Suomi -raportti käsittelee teollisuuden ja voimalaitosten hiilidioksidipäästöjen hyödyntämistä hiilineutraalien nestemäisten liikennepolttoaineiden muodossa.      

Myös Luonnovarakeskuksella on tutkittu power-to-x -menetelmiä. Keskuksen tutkijat onnistuivat vuonna 2015 toteuttamaan metaanireaktorin, jonka avulla voidaan tuottaa polttoainetta uusiutuvan energian avulla sekä varastoida tuuli- ja aurinkovoimaa. Kyseisen reaktorin patentit ovat tämän jälkeen siirtyneet suomalaisen Q Powerin haltuun, jonka toimesta reaktori pilotoitu käytännön kohteissa. Suomen ensimmäinen teollisen mittakaavan toteutus rakentuu Harjavaltaan P2X Solutionsin rakentaman vihreän vedyn tuotantolaitoksen yhteyteen.      

Lähteet

Luokka:Energian varastointi