Muovit päästölähteestä hiilinieluksi

Erilaisia muoveja valmistetaan tällä hetkellä yli 360 miljoonaa tonnia vuodessa. Muovien kulutus on kaksinkertaistunut 2000-luvulta lähtien ja kasvaa edelleen noin 3 prosentin vuosivauhtia. Niiden kysynnän on arvioitu kaksin- tai jopa nelinkertaistuvan vuoteen 2050 mennessä.

Muovit valmistetaan edelleen pääosin fossiilisesta raakaöljystä. Petrokemiallinen teollisuus käyttää lisäksi fossiilisia polttoaineita muovien valmistamisen vaatiman energian tuotannossa, mikä aiheuttaa runsaasti hiilidioksidipäästöjä. Käsite hiilibudjetti kuvaa sitä määrää kasvihuonekaasuja, jonka ihmiskunta voi vapauttaa ilmakehään rajoittaakseen ilmaston lämpenemisen siedettävälle tasolle. On arvioitu, että muoviteollisuus uhkaa yksinään ylittää teollisuuden päästöille asetetun yhteisen hiilibudjetin vuoteen 2100 mennessä.

Power-to-X -teknologiat ovat viime vuosina herättäneet yhä kasvavaa kiinnostusta uusiutuvien polttoaineiden ja kemikaalien tuotannon saralla. Nämä teknologiat voisivat osaltaan vastata myös muovien ilmastohaasteeseen. Power-to-plastics mahdollistaa muovien hiilivetyjen valmistuksen hiilidioksidista ja uusiutuvalla sähköllä elektrolyysillä tuotetusta vedystä.

Päijät-Hämeessä BIOSYKLI-yhteishankkeessa on kartoitettu erilaisia teknologioita valmistaa muoveja vedystä (H2) ja hiilidioksidista (CO2). Hankkeessa on selvitetty CO2-pohjaisen polypropeenin (PP) kokonaisilmastovaikutusta ja energiantarvetta elinkaarimallinnusta hyväksi käyttäen. Tarkoituksena on ollut selvittää voisiko CO2-pohjainen PP toimia tulevaisuudessa jopa hiilinieluna.

Tutkimuksessa tarkasteltu reitti pohjautuu methanol-to-propylene (MTP) -prosessiin, jossa propeenia valmistetaan metanolin kautta (kts. kuva). Prosessi on kaupallistettu ja laajalti käytössä Kiinassa 800 000 tonnin tuotantokapasiteetilla. Toinen mahdollinen teknologia on methanol-to-olefins, joka tuottaa mm. propeenia ja eteeniä.

Hiilidioksidia voidaan ottaa talteen voimalaitosten savukaasuista, jossa sen pitoisuus on noin 12-16 %. Hiilidioksidipesurissa amiiniliuos absorboi hiilidioksidin savukaasuista ja vapauttaa sen kuumennettaessa. Hiilidioksidia on myös mahdollista ottaa talteen suoraan ilmasta, mutta tämä vaatii enemmän energiaa ilman matalan hiilidioksidipitoisuuden (0,04 %) vuoksi.

Vetyä voidaan tuottaa veden elektrolyysissä, jossa tasavirtasähkö pilkkoo vesimolekyylit hapeksi ja vedyksi noin 60-90 °C lämpötilassa. Kennotyypistä riippuen elektrolyysi vaatii noin 50-55 kWh sähköä yhden vetykilon tuottamiseen.

Vety ja hiilidioksidi syötetään metanolisynteesireaktoriin noin 3:1 seossuhteessa, ja reaktiot tapahtuvat korkeassa lämpötilassa ja paineessa (220-250 °C, 50 bar) kuparipohjaisen katalyytin avulla. Eroteltu metanoli syötetään edelleen MTP-prosessiin, jossa monimutkaisten reaktiomekanismien kautta syntyy hiilivetyjä sekä propeenia zeoliittikatalyytin vaikutuksesta (350-550 °C, 1-5 bar). MTP:ssa syntyvä propeenikaasu polymeroidaan sitten polypropeeniksi alle 90 °C lämpötilassa.

Hankkeessa selvisi, että yksi kilogramma CO2-pohjaista PP:a voi toimia 0,64 kilogramman CO2-nieluna, kun otetaan huomioon tuotannosta aiheutuneet päästöt ja muoviin sidottu hiili. Pitkäikäisissä tuotteissa käytettynä materiaali mahdollistaa siis hiilen sidonnan ja tämä voisi olla mahdollista esimerkiksi infrarakentamiseen käytetyissä muoveissa. Jos PP:a käytetään lyhytkestoisissa tuotteissa ja se esimerkiksi poltetaan jätehuollon yhteydessä, vapautuu siihen sidottu hiili takaisin taivaalle. Siispä nykyisen fossiilisen hiilen korvaaminen muoveissa hiilidioksidiperäisellä hiilellä varmistaisi, ettei hiilidioksidin määrä ilmakehässä ainakaan kasva.

Lisää tutkimusta tarvitaan erityisesti erilaisten teknologioiden yhteensovittamisesta sekä taloudellisista näkökulmista. Veden elektrolyysi vaatii huomattavan määrän sähköä, mikä yhdessä vaadittavien laitteistoinvestointien ja hiilidioksidin talteenoton lisäksi aiheuttavat haasteita. Hiilidioksidipäästöjen hinnoittelu sekä uusiutuvan energian kapasiteetin kasvu voivat kuitenkin parantaa tilannetta. Elektrolyysissä voidaan käyttää esimerkiksi halpaa ylijäämäsähköä sähköntuotannon ollessa kulutusta suurempaa, ja prosessien väliset energiaintegroinnit parantavat systeemin hyötysuhdetta.

Tulosten mukaan power-to-plastics -teknologiat mahdollistavat muovien tuotannon muuttamisen hiilidioksidilähteestä nieluksi. Tällä olisi globaalisti suuri merkitys taistelussa ilmastonmuutosta vastaan.

Juttu on julkaistu ensin MuoviPlast-lehden numerossa 4/2020 ja Muoviyhdistyksen internetsivuilla.

Kirjoittajat, Kaisa Kuusela ja Ville Uusitalo, toimivat LUT-yliopistossa kestävyysmuutos -tutkimusryhmässä. Kaisa Kuusela (DI) työskentelee tutkijana BIOSYKLI-hankkeessa ja hän on perehtynyt prosesseihin, joilla sähkön ja hiilidioksidin avulla voidaan valmistaa muoveja. Ville Uusitalo (TkT) työskentelee LUTin apulaisprofessorina ja hänen erikoisalaansa on erilaisten tuotteiden ja prosessien kestävyyden arviointi elinkaarimallinnuksella.

Lue myös: