Visio bioperäisen hiilidioksidin hyödyntämiseksi

Transkriptio

1 Visio bioperäisen hiilidioksidin hyödyntämiseksi BioCO 2 -projektin loppuseminaari - Bioperäinen hiilidioksidi hyötykäyttöön 30. elokuuta 2018, Jyväskylä Janne Kärki

2 Ongelma Lisää hiiltä ilmakehään - kivihiili - maakaasu - öljy Vaihtoehto Hiilidioksidin kierrätys - biotuotteet - CCU (Carbon Capture & Utilisation)

3

4 Bio-CO 2 arvoketjut hanke Selvitetään bioperäisen hiilidioksidin arvoketjuja ja liiketoimintapotentiaalia (erityisesti) Keski-Suomelle tärkeille teollisuuden aloilla Uudet CO 2 hyödyntämisen ja talteenoton ratkaisut hankkeen jatkoksi demonstraatiovaihe Aikataulu

5 Hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö mitä ja miksi? Hiilidioksidin talteenotolla ja hyötykäytöllä (CCU) tarkoitetaan prosesseja, joissa CO 2 otetaan talteen ja käytetään lisäarvoa tuottavien prosessien raaka-aineena Tärkeimpiä syitä kiinnostukselle: tarve vähentää riippuvuutta fossiilista raaka-aineista sähköntuotannon ja kulutuksen tasapainotus ilmastonmuutoksen hillitseminen 5

6 Monet CCU-prosessit tarvitsevat vetyä, jota voidaan tehdä esim. sähköenergialla vedestä Vesi (H 2 O) Sähkö Hiili (CO 2 tai CO) Vety (H 2 ) Elektrolyysi Hyötysuhde (LHV) % Useita prosessivaihtoehtoja + mahdollisia jatkokäsittelyjä Lämpöä Hyödyntäminen olennaista talouden kannalta Happi (½ O 2 ) Varsin puhdasta, >99,x til.-%

7 Hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö (CCU) ei voi yksin ratkaista ilmastonmuutosta Huom. Koko Suomen CO 2 -hyötykäytön nykymarkkina on pienempi kuin keskisuuren CHPlaitoksen CO 2 -päästöt 7

8 Largest biogenic CO 2 emission sources - European Pollutant Release and Transfer Register (E-PRTR, 2014) Central-Finland UPM-Kymmene Oyj Jämsankosken Tehdas ( metric ton ) UPM-Kymmene Oyj Jokilaakson tehtaat Kaipola ( metric ton) Paper and wood production processing Energy sector Äänevoima Oy ( metric ton) Metsä Fibre Oy, Äänekosken sellutehdas ( metric ton) ( metric ton, 2020**) Jyväskylän Energiantuot. Oy, Rauhalahden voimalaitos ( metric ton*) Jyväskylän Voima Oy, Keljonlahden voimalaitos ( metric ton*) * Assumed equal to fossil due to inaccuracies in the E-PRTR data ** Estimated based on material balance for 2020

9 Esim. Äänekosken tehtaalle CO 2 :n synteesit Annual utilisation rate Purified CO h/a kg/h kt/a Tarvitaan 4000 MW sähköä Electrolysis Electricity 4000 MW ~4,5 x OL1 tai OL2 tuotanto + CH4 siirto! Steam GWh/a CO2 to kg/h SNG kt/a Yli 400 kpl Euroopan suurinta MW H2O H2 H 2 O elektrolyyseriä (4H2 + CO2 --> CH4 + 2H2O) GWh/a 7E+05 kg/h kg/h - n. 4 mrd. investointi elektrolyyseihin 4184 kt/a kt/a 65 % 2600 MW GWh/a Purified CO kg/h MtG process kt/a 99% O2 Heat MeOH to gasoline 6E+05 kg/h 1400 MW kt/a 8400 GWh/a MeOH Steam CO2 to kg/h MeOH kt/a MW (3H2 + CO2 --> CH3OH + H2O) GWh/a Tuotetaan happea 3,7 Mt/a vrt. hapen käyttö koko Suomen kohteissa yht. ~1,3 Mt/a Hyödynnetään n. 2,6 MtCO2/a

10 Hiilidioksidin hyötykäytön suuruusluokat Kustannusten kannalta hiilidioksidin lähteissä on merkittäviä eroja: talteenoton kokoluokka hiilidioksidin pitoisuus poistokaasuissa etäisyys hyötykäyttökohteeseen hyötykäyttötavasta riippuvat puhtausvaatimukset Fokusointi suurimpiin korkean CO 2 -pitoisuuden lähteisiin: biokaasulaitokset fermentointiprosessit kaasutuskaasun jalostukseen perustuvat prosessit (esim. biopolttonesteet) maakaasun höyryreformointiin perustuvat vetytehtaat kalsiumkarbonaatin kalsinointi sellutehtaiden meesauunit sementti- ja kalkkitehtaat

11 Suurimmat korkean CO 2 -pitoisuuden lähteet Keski-Suomessa

12 Hiilidioksidin päähyödyntämisreitit ja potentiaalisimmat käyttökohteet tulevaisuudessa

13 CO 2 hyötykäytön liiketoimintaesimerkkejä maailmalta Qvidja Kraft (2015) Hitachi Zosen Inova (ETOGAS 2007) Electrochaea (2014) Econic Technologies (2011) Novomer (2004) Covestro (2015) metaani polttoaineet polyuretaani CarbonCure (2007) Sunfire (2010) muovit rakennustuotteet Carbstone Innovation (2009) hiilidioksidikovetus Carbon Recycling International (2006) metanoli LanzaTech (2007) etanoli kemikaalit Carbon8 (2006) Solidia (Lafarge) (2008) Mineral Carbonation International (2013)

14 Visio: CCU mahdollisuuksia Keski-Suomessa 14 Sampo Mäkikouri

15 Visio: Mille aloille uusia liiketoimintamahdollisuuksia? vesi Toimintaympäristöt: biokaasun tuotanto massa- ja paperiteollisuus yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto sähkö & taajuusreservi O 2 elektrolyysi lämpö H 2 CO 2 synteesi höyry tuote X Huom. rakennustuotteilla - eri prosessit - CO 2 -lähde läheltä Tuotteet: polttoaineet kemikaalit muovit Mahdollistava toiminta: CO 2 :n talteenotto & kuljetus elektrolyysi tai muu vedyntuotanto kestävä sähköntuotanto

16 Projektin tarkasteluita tänään esiteltävien lisäksi Levyteollisuuteen integroitu kemikaalien valmistus Polyolien valmistus hiilidioksidin avulla Fischer-Tropsch synteesituotteita hiilidioksidia hyödyntäen Hukkalämmöistä sähköä CO 2 :n avulla Hiilidioksidin talteenotto CLC-teknologialla biochp-laitoksessa + useita esiselvityksiä liittyen mm. CCU tilannekuvaan ja eri tuotteiden markkinoihin, RED ja ETS säädöksiin, CO 2 puhtausvaatimuksiin P2X prosesseissa, Keski-Suomen CO 2 lähteisiin, biokaasun puhdistukseen, CO 2 talteenottoratkaisuihin, CO 2 kuljetukseen jne

17 Hiilidioksidin talteenotto Biomassaa käyttävässä CHP-laitoksessa CLC-teknologialla Yhteisratkaisulla hiilidioksidi a. joko ilmaan b. talteen ja varastoon c. tai vielä hyötykäyttöön kannattavuutta parantaen? Negative CO 2 research project

18 Hiilidioksidin talteenotto Biomassaa käyttävässä CHP-laitoksessa CLC-teknologialla Varastointi ja hyötykäyttö täydentävät toisiaan CHP tuottaa joustavasti lämpöä ja sähköä Hyötykäyttö tuottaa happea ja luo kuormaa Negatiiviset päästöt eivät juurikaan vähene (<10%) Hyötykäytöstä on hyötyä Pienemmät fossiiliset päästöt systeemitasolla Muurahaishapolla useimmiten paras tuotantokate Taajuusohjattu käyttöreservi suuri tulonlähde Vuotinen käyttökate (M ) Perustapaus Tuettu perustapaus Korkea CO2 Tuettu korkea CO2 muttei investointi vielä kannata Investointikustannukset 20% pienemmiksi? Mistä tuki negatiivisille päästöille? Soveltaminen pienemmässä kokoluokassa? Negative CO 2 research project

19 Hukkalämmöistä sähköä käyttämällä hiilidioksidia kiertoaineena Hukkalämpö (T hot ) CO 2 (kaasu) Turbiini G CO 2 (kaasu) Jäähdytin (T cold ) sähköä CO 2 (neste) Pumppu CO 2 (neste) Carnot-prosessin hyötysuhde Enemmän sähköä pakkasilla eli silloin kun sitä eniten tarvitaan!

20 Globaalisti suurin osa primäärienergiasta hukataan jäähdytyksiin! Näiden lämpöjen muuttaminen sähköksi hiilidioksidikierron avulla voi olla erityisen kannattavaa pohjoisen talvissa Tarkastelu neljän vuoden toteutuneilla lämpötiloilla Keski-Suomessa tuotti hukkalämmöstä (80 C, 1,5 m 3 /s) yhteensä 341 GWh sähköä, arvoltaan yhteensä 17,4 M Kylmää jäähdytykseen parempi hyötysuhde Korkea sähkön tarve ja hinta Business case? Aurinkoenergian vähäinen saatavuus VTT

21 Chemical production from CO 2 via Fischer-Tropsch synthesis Paraffinic wax for candle production CO 2 containing gas Electricity Water CO 2 absorption Electrolyser O 2 CO 2 Syngas & FT conversion Case description Main product 1500 t/a paraffinic wax used e.g as raw material in a candle factory By-products Pure oxygen t/a (50/15 /tn) FT-liquid (light paraffinic oil) 1100 t/a (0.6 /l) District heat MWh/a (70/55 /MWh) Electricity consumption 11 MWe (39/45 /MWh) CO 2 consumption t/a H 2 O 2 Heat FT- liquid (C 5 -C 18 ) Paraffinic FT-wax (C 18 +) Replacing heating gas oil Reprocessing to eg. olefins Raw material for example candles

22 Chemical production from CO 2 via Fischer-Tropsch synthesis Paraffinic wax for candle production Key findings: Paraffinic wax production cost (1.4 /kg) in optimistic scenario exceeded the market price of fossil-based competitor (>1.1 /kg) Electricity and CAPEX most significant cost factors Integration of the FT-process to a plant both emitting CO 2 and utilising by-products O 2 and heat would be necessary

23 Tulevia bio-ccu demonstraatioita Teknologian verifioiminen teollisessa ympäristössä bioetanolitehtaalla Hyödynnetään hiilidioksidia, joka tällä lasketaan ilmaan Nestemäisten ja kiinteiden hiilivetyjen tuotanto Fischer Tropsch-menetelmällä korvaamaan fossiilisesta öljystä valmistettavia tuotteita Kestävää kasvua ja työtäohjelma

24

25 EAKR hanke: Biopohjaisen hiilidioksidin arvoketjut ja liiketoimintapotentiaalit kiertotalousekosysteemissä Bio-CO 2 arvoketjut Lisätietoja: Janne Kärki, erikoistutkija, VTT Janne.Karki@vtt.fi Puh