Teksti: Jero Ahola & Arto Laari, LUT-yliopisto
Polyolefiinit (polyeteeni, polypropeeni) ovat perusmuoveja, joita valmistetaan fossiilisista raaka-aineista, tavallisimmin raakaöljystä. Muovien kulutus on globaalisti noin 300 megatonnia vuodessa ja on kasvanut vuodesta 1950 lähtien yli 8 % vuodessa. Tärkeimmät muovien sovellusalueet ovat pakkaukset, rakennusmateriaalit, autoteollisuus sekä sähkö- ja elektroniikka.
Olefiinien, ja siten polyolefiinien, valmistukseen on kuitenkin olemassa myös vaihtoehtoisia reittejä. Yksi mahdollinen reitti kulkee metanolin kautta, jonka valmistus on välivaihe olefiinien valmistuksessa. Tämä MTO-prosessi (Methanol-to-Olefins) on kehitetty alun perin USA:ssa 1970-luvulla. Prosessi on nykyisin käytössä mm. Kiinassa, jossa olefiinien valmistuskapasiteettia on yli 10 miljoonaa tonnia vuodessa. MTO-prosessi käyttää happamia zeoliittikatalyyttejä, joiden vaikutuksesta metanolista muodostuu monimutkaisten reaktioiden kautta erilaisia hiilivetyjä ja lopulta olefiineja, tavallisesti leijupetityyppisessä reaktorissa. Metanolin valmistukseen tarvittava synteesikaasu (hiilimonoksidin ja vedyn seos) valmistetaan nykyisin fossiilisista raaka-aineista joko maakaasua reformoimalla tai kivihiiltä kaasuttamalla. Kiinassa, jossa on käytettävissä runsaasti halpaa kivihiiltä, synteesikaasu valmistetaan kivihiilestä. Metanolisynteesi tapahtuu kaasufaasireaktorissa katalyytin vaikutuksesta korkeassa paineessa (50 bar) ja lämpötilassa (250 °C).
Olefiinien valmistus metanolista avaa uusia mielenkiintoisia mahdollisuuksia valmistaa muoveja kokonaan uusiutuvista raaka-aineista. Metanolia voidaan nimittäin valmistaa myös suoraan hiilidioksidista ja vedystä, kuten tehdään Islannissa Carbon Recycling International -yhtiön demonstraatiomittakaavan tehtaassa. Laitos valmistaa vuosittain 5 miljoonaa litraa metanolia geoperäisestä hiilidioksidista ja veden elektrolyysistä saatavasta vedystä. Elektrolyysiin käytetään uusiutuvaa sähköä.
Veden elektrolyysin avulla tuotetaan elektrolyysikennossa vetyä ja happea hajottamalla vesi tasavirran avulla. Kaasumaista vetyä syntyy kennon katodilla ja happea anodilla. Kennoja kytketään tyypillisesti sarjaan, jotta kennoston jännitettä voidaan nostaa sitä syöttävän tehoelektroniikan kannalta järkevälle tasolle. Veden elektrolyysikennoja on useita. Alkaalielektrolyysi on vanhin ja tarvitsee lipeäkierrot sekä katodi- että anodipuolelle. PEM (Proton Exchange Membrane) perustuu puolestaan protoneja siirtävään kalvoon. Molemmat näistä toimivat tyypillisesti 70—90 °C lämpötilassa käytettyjen materiaalien rajoitteista johtuen. Uusin ja edelleen kehitteillä oleva teknologia on keraamimateriaaleihin perustuva SOE (Solid Oxide Electrolyzer), jonka toimintalämpötila on 700—900 °C.
Muovien osalta tavoitteeksi on asetettava fossiilisen öljyn ja kaasun käytön lopettaminen ja siirtyminen ilmakehäkierrossa olevan hiilidioksidin kiertotalouteen. Tarvittava energia saadaan esimerkiksi tuulija aurinkosähköstä, jotka ovat skaalattavia ja käytännössä jo halvinta uutta sähköntuotantokapasiteettia globaalisti. Teknologiakehityksen ja valmistusoppimisen myötä näiden teknologioiden hinta edelleen
laskee. Muoveja voidaan valmistaa päästöttömällä sähköllä hiilidioksidista ja vedestä. Mahdollinen reitti fossiilisista öljystä ja kaasusta eroon pääsemiseksi muoviteollisuudessa on alkaa käyttää synteettisestä vedystä ja hiilidioksidista valmistettua metanolia muovien raaka- aineena. Vety voidaan tehdä vähäpäästöisellä sähköllä hajottamalla vettä elektrolyysissä hapeksi ja vedyksi. Hiilidioksidin lähteenä metanolisynteesissä voi toimia esimerkiksi sellutehtaan biopohjaisessa poltossa syntyvä tai jopa ilmasta tai merivedestä kaapattua hiilidioksidia.
LUT-yliopiston hankkeessa ”Sähkömetanolia energiatehokkaasti” tutkimme vuosina 2018—2020 vähäpäästöiseen sähköön ja hiilidioksidiin perustuvaa metanolin valmistusprosessia. Päätavoitteena on tutkia veden alkaalielektrolyysiä vedyn tuotannossa sekä uudenlaista metanolisynteesiä, jossa reaktiossa sivutuotteena syntyvää vettä poistetaan jatkuvatoimisesti synteesissä. Näkökulmina ovat prosessin energiatehokkuus, investointikustannukset ja mahdollisuudet pienentää investointikustannuksia esimerkiksi modulaarisuuden keinoin. Tavoitteena on kehittää kustannuksiltaan fossiiliseen metanoliin verrattuna kilpailukykyinen prosessi, joka käyttää hyödykseen kierrätettyä hiilidioksidia ja uusiutuvalla energialla valmistettua vetyä. Hanke on EAKR-rahoitteinen, sitä rahoittaa Etelä-Karjalan Liitto ja hankkeessa tehtävää tutkimustyötä ohjaa yrityskonsortio.
Jero Ahola on energiatehokkuuden professori ja LUT:n REFLEX-tutkimusalusta johtaja. Arto Laari toimii tutkijana LUT:n REFLEX-tutkimusalustalla