Joulukuussa 2015 allekirjoitettiin historiallinen ilmastosopimus Pariisissa. Sen puitteissa asetettiin tavoitteeksi rajata ilmaston lämpeneminen vuoteen 2100 mennessä 1.5 °C esiteollisesta ajasta. Tavoite on erittäin kunnianhimoinen, sillä se tarkoittaa käytännössä ihmiskunnan tuottamien kasvihuonekaasujen päästöjen nollaamista vuoteen 2050 mennessä. Tästä eteenpäin nettopäästöt on laskettava negatiivisiksi vuoteen 2100 saakka. 

Nykyisellään sähkön ja lämmön tuotanto vastaa vain neljännestä ihmiskunnan kokonaispäästöistä. Kolme neljännestä päästöistä tulee liikenteestä, teollisuudesta, maataloudesta ja metsäpinta-alan pienenemisestä. Fossiilisten polttoaineiden käytön korvaamiseksi näillä sektoreilla globaaleilla markkinoilla on kysyntää uusille teknologisille ratkaisuille. Tulevaisuuden nettopäästötöntä energiajärjestelmää, siinä tarvittavia avainteknologioita ja liiketoimintamahdollisuuksia tutkitaan TEKES:n rahoittamassa vuonna 2014 käynnistyneessä strategisessa ”Neo-Carbon Energy” -tutkimusavauksessa ( www.neocarbonenergy.fi ). Hankkeen tutkimustahoina ovat VTT, LUT ja Turun yliopiston tulevaisuuden tutkimuskeskus. Tutkimustyötä ohjaa laaja suomalaisista yrityksistä koostuva joukko. 

Varteenotettava vaihtoehto uusiutuvien polttoaineiden ja kemikaalien valmistamiseksi on synteesi hiilidioksidista ja vedestä käyttämällä esimerkiksi tuulella ja auringolla tuotettua sähköä energialähteenä, niin sanottu ”Power-to-X”-konsepti. Kun prosessissa raaka-aineena käytettävä hiilidioksidi otetaan suoraan ilmakehästä tai vaikkapa biomassan poltosta, saadaan hiilen kierto suljettua. Samalla menettelyllä voidaan toteuttaa myös energian kausivarastointia ja kysynnänjoustopalveluja sähköjärjestelmälle. Suomen kannalta tällä tavoin tuotetut kemikaalit ja polttoaineet ovat varteenotettava mahdollisuus. Esimerkiksi sellun valmistuksessa puolet kuitupuun hiilestä päätyy prosessin aikana ilmakehään hiilidioksidiksi. Ilmakehään päästämisen sijasta tätä pistemäisistä lähteistä tulevaa hiilidioksidia olisi mahdollista kierrättää sähköenergiaa käyttäen uusiutuviksi polttoaineiksi tai vaikkapa kemianteollisuuden tuotteiksi, materiaaleiksi ja raaka-aineiksi. 

Toistaiseksi eniten julkisuutta saanut sähköpolttoainedemonstraatio on Saksassa Wertlessä sijaitseva Audin omistama laitos, jonka sähköteho on 6 megawattia. Siinä läheisen mädättämön hiilidioksidista ja tuulisähköllä tuotetusta vedystä valmistetaan synteettistä maakaasua, joka syötetään maakaasuverkkoon. Maakaasukäyttöisen Audin omistajat voivat käyttää tätä synteettistä maakaasuverkon kautta jaeltavaa polttoainetta autoissaan.

SOLETAIR – Suomen ensimmäinen ja maailmassa ainutlaatuinen sähköpolttoainepilotti

VTT ja LUT toteuttavat Suomeen ensimmäisen konttikokoluokan pilotin, jossa tavoitteena on valmistaa uusiutuvia polttoaineita aurinkosähköllä (kuva seuraavalla sivulla). Tuotannon raaka-aineina käytetään hiilidioksidia ja vettä, jotka molemmat erotetaan suoraan ilmasta. Tutkimus ja pilotointi toteutetaan TEKES:n ja yrityskonsortion rahoittamassa SOLETAIR -tutkimushankkeessa, joka käynnistyi elokuussa 2016. Laitteiston pääkomponentit on hankittu LUT:n ja VTT:n investointeina. Prosessi kootaan LUT:lle keväällä 2017, jolloin sähköpolttoaineiden tuotantoa demonstroidaan.  Sen pääkomponentit ovat LUT:n 220 kilowatin aurinkovoimala ja vedyn tuotantolaitteisto sekä VTT:n toimittamat hiilidioksidin erotuslaitteisto ja kemian synteesit. Sähköteholtaan vetyä tuottava elektrolyyseri on 5 kilowattia. Prosessissa käytettävät perusteknologiat ovat tunnettuja. Tutkimuksellisesti suurin haaste onkin kokonaisuuden integraatiossa. Onnistuessaan hanke luo merkittävästi uutta osaamista Suomeen mahdollistaen jatkossa teollisen kokoluokan prosessien toteuttamisen.

Havainnekuva SOLETAIR -sähköpolttoainepilotin pääkomponenteista.

Tulevaisuuden visio

Koko energiajärjestelmämme on sähköistymässä. Keskitetyistä ratkaisuista ollaan yhä enemmän siirtymässä hajautettuihin ja massavalmistettuihin sähköä tuottaviin energialähteisiin. Näkyvimpiä esimerkkejä ovat sähkön tuotantopuolella aurinko- ja tuulivoima. Vastaavasti energiavarastoissa massatuotannon ansiosta halpenevat litiumakustot mahdollistavat tulevaisuudessa sähköisen liikenteen sekä tuuli- ja aurinkovoiman osuuden kasvattamisen energiajärjestelmässä. Kun polttoaine on ilmaista ja tuotanto vaihtelevaa, energian sijasta tehon joustokyvystä on tullut niukka resurssi.

Yhteiskunnan sähköistymisestä huolimatta hiilivetyjen käytöstä ei kuitenkaan päästä eroon. Esimerkiksi lentoliikenteen polttoaineet, lääkkeet, muovit ja lannoitteet on valmistettava jatkossakin. Nykyisin kemianteollisuus on pääsääntöisesti keskittynyttä ja perustuu hiilen, öljyn ja kaasun käyttöön tuotteiden raaka-aineina. Jatkossa voisi sen sijaan olla mahdollista valmistaa kemianteollisuuden tuotteita suoraan tarpeeseen paikallisesti saatavasta energiasta ja raaka-aineista. Visio ei ole mahdoton. Globaalisti uusiutuvaa tuuli- ja aurinkoenergiaa on käytettävissä kaikkialla. Hiilivetyjen ja typpilannotteiden raaka-aineet ovat puolestaan saatavissa ilmakehästä. Haluttu lopputuote voidaan räätälöidä valitsemalla sopiva synteesitekniikka. Modulaarisuudella mahdollistetaan järjestelmän skaalaus ja massatuotannon avulla on mahdollista saada laitteistojen hinnat alas. Digitalisaatio mahdollistaa puolestaan järjestelmän etähallinnan ja autonomisen sekä turvallisen toiminnan. SOLETAIR on tutkimushanke, jossa tätä visiota halutaan pilotoida.

Jero Ahola, Professori, Lappeenrannan teknillinen yliopisto, jero.ahola(at)lut.fi

Pekka Simell, Johtava tutkija, Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy, pekka.simell(at)vtt.fi