Kiertotalous | NRO 2/2022
Vuosi 2022 on käynnistynyt jälleen poikkeusoloissa. Epävakaa tilanne ja sota ovat kuitenkin tuoneet mukanaan jotain hyvääkin. Mielenkiinto ilmastonmuutoksen torjuntaan on kasvanut nopeasti jo muutaman vuoden ajan, ja nyt pandemian ja Ukrainan sodan vanavedessä näemme yhä nopeampaa kehitystä kohti vähähiilistä tulevaisuutta. Tavoitteet ovat siirtymässä sanoista tekoihin.
Sementtiteollisuuden hiilineutraalisuustavoite on asetettu vuoteen 2050. Työtä tavoitteen saavuttamiseksi tehdään kuitenkin juuri nyt. Työ jakautuu kahteen toisiaan tukevaan osaan. Ensimmäinen osa perustuu nykyteknologiaan. Päästövähennykset saavutetaan paikallisesti ja jo lähivuosina, ennen kaikkea raaka- ja polttoainevalinnoilla ja energiatehokuutta parantamalla. Sementtien seostaminen ja sementtiklinkkeriä osittain korvaavien materiaalien hyödyntäminen ovat tärkeä osa tätä kehitystyötä.
Toinen osa on kansainvälistä yhteistyötä teknologialoikan varmistamiseksi. Kansainvälinen tutkimus- ja hankeyhteistyö on tärkeää, sillä tutkimuskokonaisuudet ovat erittäin suuria ja demonstraatiohankkeiden toteutus niin kallista ja riskialtista, etteivät yksittäiset yritykset niitä voisi yksin toteuttaa. Hiilidioksidin talteenotto on teknologialoikan keskiössä.
Finnsementti on asettanut tavoitteekseen vähentää kokonaispäästöjään vuoden 2020 tasosta 25 prosenttia tämän vuosikymmenen kuluessa. Vuoteen 2030 asetettu tavoite saavutetaan keinoin, jotka ovat tiedossamme jo nyt.
Fossiilisten polttoaineiden korvaaminen kierrätyspolttoaineilla on tärkeä osa Finnsementin strategiaa. Lappeenrannan sementtitehtaalla on parhaillaan meneillään investointi, joka mahdollistaa siirtymisen SRF (Solid Recovery Fuel) – polttoaineen käyttöön myös kiertouunin pääpolttimessa. Tämän investoinnin myötä kierrätyspolttoaineiden osuus voidaan nostaa 80 prosenttiin. Investointi on käyttöönottovalmis vuoden 2023 alussa ja sen myötä sementtitehtaan polttoaineista peräsin olevat päästöt pienenevät lähes 20 prosenttia.
Saman aikaisesti Paraisten tehtaalla valmistellaan merkittävää energiatehokkuushanketta, jonka ytimen muodostaa uuden teknologian arinajäähdyttäjä hukkalämmöntalteenotolla. Tämä hyväksyntää vielä odottava investointi, toisi merkittävän hiilidioksidipäästövähennyksen ja tuottaisi jopa 5 MW kaukolämpöä paikalliseen verkkoon.
Merkittävin päästövähennysten mahdollistaja on pitkäjänteinen tuotekehitystyö, jossa olemme onnistuneet erinomaisen hyvin. Loppukesästä 2021 lanseeraamamme Kolmossementti on tällä hetkellä markkinoiden vähäpäästöisin sementti. Se on myös yhtiömme nopeimmin myyntiään lisäävä sementti. Kolmossementin ansiosta betonin hiilidioksidipäästöjä pystytään pudottamaan jopa 40 prosenttia, kun vertailukohteena ovat CEM I -sementit. Vauhtiloikka on todella iso, sillä aiemmin markkinoille tuotuun vähäpäästöiseen Oiva-sementtiinkin verrattuna Kolmossementin päästövähennys on peräti neljännes.
Kolmossementin ympäristöystävällisyys perustuu paitsi seosaineiden lisäykseen myös betonireseptissä tarvittavan veden vähyyteen. Kuutioon betonia tarvitaan myös aiempaa vähemmän sementtiä, mikä osaltaan pienentää päästöjä.
Geopolymeerillä tarkoitetaan reaktiivista pii- ja almuniinioksidia sisältävien mineraalien ja aktivaattoreina toimivien alkalikemikaalien reaktiona syntyvää sementin kaltaista sidosmateriaalia. Suomalainen sementtiteollisuus on tutkinut ja hyödyntänyt geopolymeerejä jo Partekin ajoilta 1980-luvulta alkaen. Yleisimmin käytetyt geopolymeerit ovat masuunikuona ja kivihiilen lentotuhka.
Geopolymeerit vaativat kemiallisen aktivointiaineen toimiakseen. Sementissä geopolymeerit aktivoidaan klinkkerin avulla. Myös esimerkiksi vesilasia (Na4SiO4) voidaan käyttää geopolymeerien aktivaattorina. Pitkäaikaiset tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että kuonan ja lentotuhkan kaltaisten jäte- ja sivutuoteperäisten materiaalien ominainen vaihtelu on suurta, jolloin lujuuskehityksen ja sitomisajan hallinnan vaikeus muodostaa käytännön esteen. Laboratorio-olosuhteissa pikkutarkka reseptiikka saadaan toimimaan hyvin, mutta teollisuus- ja työmaaolosuhteissa vaadittavaa luotettavuutta ei muilla kemiallisilla aktivaattoreilla kuin sementtiklinkkerillä ole toistaiseksi saavutettu.
Sementtiklinkkeri on kuonan ja lentotuhkan paras tunnettu aktivaattori. Se aktivoi niiden sisältämän piilevän lujuuspotentiaalin luotettavasti ja mahdollistaa niiden teollisen mittakaavan hyödyntämisen betonirakentamisessa. Lentotuhkan käytöstä sementin seosaineena luovuttiin Suomessa 90-luvun alussa, koska sen laatu ei täyttänyt sementin tasalaatuisuusvaatimusta. Kuonan käyttöä sen sijaan on jatkettu ja sen osuutta kasvatetaan edelleen Finnsementin uusissa tuotteissa.
Nykyiset geopolymeerireseptit perustuvat etupäässä kivihiilen tuhkaan ja masuunikuonaan, jotka ovat jo laajalti hyödynnettyjä sivuvirtoja. Monin paikoin Euroopassa kärsitään jopa kuonapulasta. Suomessa kivihiilen tuhkaa muodostuu vuosittain vähemmän ja vähemmän, ja vuoden 2029 jälkeen ei käytännössä enää lainkaan. Myös masuunikuona nykymuodossa tulee muuttumaan, kun terästeollisuus tulevaisuudessa siirtyy vetyteknologiaan. Sementti- ja betonistandardit mahdollistavat kuonan ja lentotuhkan lisäksi myös esimerkiksi kaoliinisaven käytön betonirakentamisessa. Finnsementissä tutkitaankin parhaillaan muun muassa kalsinoitujen savien käyttöä seosaineena tulevaisuuden sementissä kuonan rinnalla tai sen korvaajana.
Kiertotalous, uusiutumattomien raaka-aineiden korvaaminen jäteperäisillä materiaaleilla ja siirtyminen biopolttoaineisiin mahdollistavat hiilipihin sementin. Kaikki nyt tehtävät vähähiilisyystoimet pienentävät kokonaispäästöjä, jolloin jäljelle jäävä hiilidioksidi on huomattavasti helpommin hallittavissa myös seuraavan vaiheen teknologialoikassa.
Meidän näkemyksemme mukaan nykyteknologialla on saavutettavissa vielä merkittäviä päästövähennyksiä. Betoniteollisuuden yhteisen LOIKKA-hankkeen lähivuosien tavoitteeksi on siksi otettu betonirakentamisen hiilidioksidipäästöjen puolittaminen nykytasosta. Loikan tavoite saavutetaan koko arvoketjun päästövähennysten summana.
Sementin valmistuksen päästöistä yli puolet on peräisin raaka-aineena käytettävästä kalkkikivestä, jolle ei ole varteenotettavaa korvaajaa. Siksi sementin valmistuksesta muodostuu
päästöjä senkin jälkeen, kun polttoaineet on saatu korvattua biopolttoaineilla tai suoralla päästöttömällä sähköenergialla.
CCUS (Carbon Capture, Useage or Storage), eli hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö tai varastointi, on tärkeä osa sementin valmistuksen tulevaisuutta. Tämän uuden teknologian ympärillä tapahtuu juuri nyt paljon. Tutkittavana ovat hiilidioksidin talteenotto, rikastaminen ja paineistaminen nesteeksi, hiilidioksidin siirto ja välivarastointi sekä hiilidioksidin hyödyntäminen raaka-aineena, sen pysyvä geologinen varastoiminen tai mineraaliin sitominen. Sementtiteollisuudessa keskitytään ensisijaisesti tehtaalla tapahtuvan talteenottotekniikan kehittämiseen, sillä vaihtoehtoisia toteutusmahdollisuuksia on useita ja näistä pyritään löytämään kullekin tehtaalle parhaiten sopiva menetelmä.
Kaupallisesti pisimmällä on ns. MEA-talteenotto, jossa hiilidioksidi kaapataan savukaasuista sitomalla se monoetanoliamiiniin (MEA). Tämä tekniikka on jo pitkälle kehitetty ja sen toimivuus on osoitettu myös käytännön kohteissa. Sementtiteollisuuden ensimmäisessä tehdasmittakaavan demonstraatiohankkeessa Norjan Brevikissä on valittu talteenottoteknologiaksi juuri MEA-absorptio.
MEA-absorption etuna on tekniikan korkea kehitysaste ja sen soveltuvuus olemassa oleviin tehtaisiin. Sen haasteena ovat suuret käyttökustannukset ja suuri lisäenergian tarve, josta myös muodostuu päästöjä. Käytännössä tämä rajoittaa sen hiilidioksidin talteenottokyvyn noin 80 prosenttiin tehtaan kokonaispäästöistä. Norjassa vuonna 2024 käynnistyvä talteenotto on mitoitettu kattamaan puolet tehtaan kasvihuonekaasupäästöstä.
Kehitysvaiheessa olevia menetelmiä hiilidioksidin talteenottoon on runsaasti; epäsuorakalsinointi, happipoltto, membraanisuodatus ja jäädyttäminen. Menetelmät jakautuvat kahteen päälinjaan; prosessin jälkeen asennettaviin sekä prosessin osaksi integroituihin menetelmiin. Näistä prosessin jälkeen asennettavat menetelmät voidaan liittää jo olemassa oleviin tehtaisiin, kun taas integroidut ratkaisut soveltuvat parhaiten uusiin uunilinjoihin. Tavoitteena on kehittää menetelmiä mahdollisimman kustannustehokkaiksi ja luotettaviksi sekä minimoida niistä aiheutuvat lisääntyneet kasvihuonekaasupäästöt.
Hiilidioksidin talteenottoon liittyvien haasteiden lisäksi, on ratkaistava kysymys siitä, mitä erotetulle hiilidioksidille tehdään? Hiilidioksidin geologinen varastointi esimerkiksi käytöstä poistettuihin öljy- tai kaasukenttiin, on pitkään ollut ensisijainen vaihtoehto. Suomesta ei nykytiedon valossa löydy geologiseen varastointiin soveltuvia varastopaikkoja.
Hiilidioksidi voidaan kuitenkin geologisen varastoinnin lisäksi sitoa pysyvästi erilaisiin mineraaleihin. Tähän soveltuvaa kiviainesta Suomen maaperästä löytyy runsaasti.
Suomessa olemme juuri aloittaneet Åbo Akademin vetämän PILCCU- hankkeen, jossa tutkitaan mahdollisuutta sitoa savukaasujen hiilidioksidi serpentiniittimineraalin. Åbo Akademi on kehittänyt menetelmää jo pitkään ja sen vahvuutena on, että hiilidioksidi sitoutuu magnesiumpitoiseen mineraaliin suoraan savukaasusta, ilman erillistä hiilidioksidin erottelua.
Menetelmän haasteena on siitä syntyvä suuri määrä kiinteää materiaalia. Juuri käynnistyneessä hankkeessa on tavoitteena siirtää menetelmä laboratoriomittakaavasta käytäntöön
ja löytää syntyvälle tuotteelle hyödylliset käyttökohteet. Erittäin mielenkiintoinen vaihtoehto on sen hyödyntäminen lämpöenergian varastointiin (thermal energy storage, TES). Neste Oyj toimii hankkeen veturiyrityksenä.
Talteen otettu hiilidioksidi voidaan sellaisenaan hyödyntää myös raaka-aineena. Lappeenrannan teknisen yliopiston kanssa olemme jo pitkään selvittäneet mahdollisuutta valmistaa synteettistä polttoainetta sementtitehtaalta talteen otetusta hiilidioksidista ja puhtaasta vedystä, hyödyntämällä päästötöntä energiaa.
Tehdyn esiselvityksen mukaan synteettisen polttoaineen valmistus olisi teknisesti mahdollista ja kannattavaa. Toiveissamme on toteuttaa teollisen mittakaavan powerto-X -teknologiaan (P2X) perustuva pilottilaitos Lappeenrannan tehtaalle.
Hanketta valmistelee ST1 ja siihen on haettu ns. RRF-energiatukea Suomen kestävän kasvun ohjelmasta. Toteutuessaan pilottilaitos aloittaisi toimintansa kesällä 2026 ja mahdollistaisi
36 000 hiilidioksiditonnin hyötykäytön vuosittain.
Sementin valmistusprosessin sähköistämistä tutkimme VTT:n vetämässä Decarbonate hankkeessa. Siinä tutkitaan muun muassa mahdollisuutta korvata sementtiuunissa käytetty polttoaine päästöttömästi tuotetulla sähköllä, joko kokonaan tai osittain.
Sementin valmistuksen sähköistämisessä hyöty saadaan kahta reittiä. Kun käytettään sähköä lämpöenergian lähteenä polttoaineiden sijaan, pienentää se käytetyistä polttoaineista riippuen sementin valmistuksen hiilidioksidipäästöä 30–40 prosenttia. Sähkökalsinointi tuottaa samalla hyvin puhdasta hiilidioksidia, mikä seuraavassa vaiheessa yksinkertaistaa hiilidioksidin talteenottoprosessia.
Sähkökalsinointi yhdistettynä hiilidioksidin talteenottoon mahdollistaa jopa täysin hiilineutraalin sementin valmistuksen. Tulevaisuuden sementtitehdas voi myös toimia säätövoimana älykkäässä sähköverkossa. Hybridiuuni voi käyttää lämmöntuotantoon joko sähköä tai polttoaineita ja näin tasapainottaa sähkön kysyntää ja tarjontaa.
Decarbonate hankkeessa on parhaillaan meneillään koeajot Kumera Oy:n valmistamassa testiuunissa aidolla sementin valmistuksen raaka-aineella. Alustavat tulokset ovat olleet hyvin myönteisiä. Koelaitos toimii hyvin ja olemme tyytyväisiä saavutettuun kalsinointiasteeseen.
Samalla kun teemme järjestelmällistä päästövähennystyötä tehtaillamme olemassa olevalla tekniikalla, meneillään on intensiivinen tutkimusvaihe, jotta talteenottomenetelmät saadaan käyttöön tavoiteaikataulussa. Pilottihankkeita ja ensimmäisiä demonstraatiolaitoksia rakennetaan jo. Vuosikymmenen loppupuolella odotettavissa ovat ensimmäiset täyden mittakaavan tehdashankkeet. Näihin hankkeisiin liittyy runsaasti riskejä ja ne vaativat ympärilleen infrastruktuuria, jota ei vielä ole olemassa. Siksi kohdepaikoiksi valikoituvat maat, joissa julkinen panostus uuteen tekniikkaan on merkittävää.
Vuoden 2030 jälkeen uskon, että vauhti kiihtyy ja vuosina 2035–2040 näemme suurimman uuden teknologian käyttöönottobuumin. Uskon, että vuoden 2045 jälkeen lähes kaikki eurooppalaiset sementtitehtaat on varustettu hiilidioksidin talteenotolla. Meneillään on erittäin mielenkiintoinen muutosmatka.
Artikkeliin liittyviä aiheita
