Kustannustehokkailla CO2-logistiikkaratkaisuilla kohti hiilineutraaliutta

Kuljetus ja erilaiset logistiikkaratkaisut ovat tärkeä osa hiilidioksidin talteenottoa ja hyödyntämistä (CCU). Jotta hiilidioksidi saadaan tehokkaasti uudelleenkäytettyä, on tarpeen luoda uusia arvoketjuja ja logistiikkaratkaisuja hiilidioksidin tuottajien ja käyttäjien välille. Kuljetustapojen vertailu auttaa ymmärtämään, mikä kuljetusmenetelmä on taloudellisesti kannattavin ja ympäristön kannalta kestävin.

Kirjoittaja: Riikka Savijärvi

Hiilidioksidia voidaan kuljettaa erilaisilla menetelmillä käyttökohteesta, mittakaavasta ja kuljetusetäisyydestä riippuen. Yhtenä potentiaalisimpana hiilidioksidin siirtomenetelmänä pidetään putkikuljetusta (Neele et al. 2023; Smith et al. 2021), jossa hiilidioksidia kuljetetaan tyypillisesti 80–150 baarin käyttöpaineella tiheässä olomuodossa (Aspelund & Jordal 2007; Patchilloga et al. 2013). Putkikuljetuksen on arvioitu olevan taloudellisesti ja ekologisesti kannattava menetelmä erityisesti suurien CO2-määrien kuljettamiseen (Neele et al. 2023; Beccattini et al. 2022).

Hiilidioksidia voidaan kuljettaa myös pulloissa tai säiliöissä laivoilla, kuorma-autoilla tai raideliikenteessä. Näissä modulaarisissa kuljetusmuodoissa hiilidioksidia kuljetetaan tyypillisesti nestemäisenä. Laivalla hiilidioksidia kuljetetaan yleensä noin 6–8 baarin paineessa, maantiellä arviolta 17–20 ja raideliikenteessä 6,5–26 baarin paineessa. Toistaiseksi modulaarisia kuljetusmuotoja on hyödynnetty erityisesti elintarvike- ja panimoteollisuudessa pienien CO2-määrien kuljetukseen. Laivakuljetuksen on kuitenkin arvioitu olevan potentiaalinen vaihtoehto myös suurempien määrien kuljettamiseen.

Kustannukset riippuvat kuljetettavan hiilidioksidin määrästä ja kuljetusetäisyydestä

Kustannustehokkaimmat kuljetusmuodot suurille hiilidioksidimäärille ovat laiva- ja putkikuljetukset, kuten kuvassa 1 on esitetty. Toisin kuin putki- ja laivakuljetuksissa, maantie- ja raidekuljetusten kustannukset ovat suhteellisen riippumattomia volyymeistä. Laivakuljetukset ovat osoittautuneet kannattaviksi erityisesti pidemmillä etäisyyksillä; laivakuljetusten kustannus etäisyyttä kohden alenee välimatkojen kasvaessa (Kjärstad et al. 2016). d´Amore & Romanon (2023) mukaan laivakuljetukset ovat kilpailukykyisiä putkukiljetukselle 50–100 kt aluksilla, mutta pienillä laivoilla (10 kt) kustannukset voivat olla kaksinkertaisia putkikuljetukseen verrattuna. Putkikuljetuksessa kustannukset kasvavat melko lineaarisesti etäisyyden mukaan ja laskevat voimakkaasti CO2-virran määrän kasvaessa (Kjärstad et al. 2016). Al Baroudi et al. (2021) mukaan esimerkiksi 5 CO2 Mt/vuosi (1000 km etäisyydellä) putkikuljetus on 24 % halvempi kuin laivakuljetus, kun taas 2 CO2 Mt/vuosi kuljetuksessa laivakuljetus on 10 % edullisempi vaihtoehto. Weihs et al. (2014) mukaan putkikuljetuksen kannattavuus riippuu pitkälti putkiston tyypistä. Esimerkiksi maalla kulkeva putkisto on keskimäärin halvempi kuin merenpohjassa.

Kuva 1. Eri kuljetusmuotojen kustannukset volyymin suhteen 200 km etäisyydellä (mukailtu Han & Lee 2011). (Kuva: Riikka Savijärvi)

Toisin kuin putkikuljetuksessa, laiva-, raide- ja kuorma-autokuljetuksessa on huomattavasti pienemmät investointikustannukset. Modulaariset kuljetusmenetelmät ovat myös putkikuljetusta joustavampia hiilidioksidin siirtomenetelmiä. Etuina ovat nopea infrastruktuurin rakentaminen ja kevyemmät lupamenettelyt. Han & Lee (2011) mukaan maantiekuljetus voi olla taloudellisesti kannattava ratkaisu, kun kuljetettavan hiilidioksidin määrät ja etäisyydet pysyvät pieninä (kuva 2). Raidekuljetus soveltuu hieman pidemmille etäisyyksille ja suuremmille volyymeille kuten kuvassa 2 on esitetty. Roussanaly et al. (2017) mukaan raidekuljetus voi olla kilpailukykyinen kuljetusmuoto putkistolle, mikäli CO2-lähteet ovat lähellä olemassa olevaa raideinfrastruktuuria. Vaikka putkikuljetuksen investointikustannukset ovat huomattavasti suuremmat, käyttökustannukset ovat keskimäärin alhaisemmat verrattuna muihin kuljetusmuotoihin ja putkistoja pidetään edelleen potentiaalisimpana hiilidioksidin siirtomenetelmänä (Neele et al. 2023; Smith et al. 2021).

Kuva 2. Kustannustehokkaimmat CO2-kuljetusmuodot maalla CO2-virran ja kuljetusetäisyyden suhteen (mukailtu Han and Lee 2011) (Kuva: Riikka Savijärvi).

Epäpuhtaudet vaikuttavat kuljetusmenetelmän valintaan

Kuljetettavan hiilidioksidin täytyy olla tarpeeksi puhdasta, jotta vähennetään ympäristöriskejä ja parannetaan taloudellista kannattavuutta. Puhdistusvaatimukset vaihtelevat kuljetusmuodosta ja esimerkiksi hiilidioksidin käyttötarkoituksesta riippuen. Taulukossa 2 on esitetty haitta-ainemaksimit eri kuljetusmuodoille. Taulukon perusteella putkikuljetukselle asetetut raja-arvot haitta-aineille ovat pääsääntöisesti korkeammat eli menetelmä on epäpuhtauksien suhteen sallivampi.

Epäpuhtaudet voivat aiheuttaa monia kemiallisia, fysikaalisia tai mikrobiologisia ongelmia kuljetukseen ja pienikin määrä voi muuttaa kuljetettavan hiilidioksidivirran ominaisuuksia (Razak et al. 2023). Epäpuhtaudet lisäävät esimerkiksi riskejä vuodoille ja murtumien syntymiselle kuljetuslaitteistoissa (Neele et al. 2023). Yksittäiset epäpuhtaudet vaikuttavat eri tavoin hiilidioksidivirtaan ja niillä voi olla ristikkäisvaikutuksia. Esimerkiksi rikkiyhdisteet ja typen oksidit voivat reagoida veden kanssa ja aiheuttaa korroosiota kuljetuslaitteistossa. Kun veden määrä pysyy alle asetetun raja-arvon (taulukko 2), korroosioriski pysyy minimaalisena (ISO/TR 27921:2020(E)).

Taulukossa 2 on esitetty haitta-ainemaksimit eri kuljetusmuodoille. Taulukon mukaan putkikuljetukselle on asetettu jonkin verran sallivammat raja-arvot kuin modulaarisille kuljetusmuodoille. — Taulukko 1. Haitta-ainemaksimit eri kuljetusmuodoissa.

Hiilidioksidin käyttäjien ja tuottajien yhdistäminen ratkaisee logistiikan ongelmat

Aina logistiikalle ei ole tarvetta. Usein kustannustehokkainta on tuoda yhteen hiilidioksidin käyttäjät ja lähteet. Nodic RenGas Oy:n suunnittelema Power to Gas -tuotantolaitoshanke on hyvä esimerkki CO2-lähteiden ja tuottajien yhdistämisestä (Nordic Ren-Gas Oy n.d.). Hankkeen tavoitteena on muodostaa hiilineutraali polttoainekierto sijoittamalla uusiutuvaa metaania, vihreää vetyä ja kaukolämpöä tuottava laitos Lahden Kymijärven voimalaitoksen läheisyyteen. Paikallisten CO2-arvoketjujen muodostamista edistetään myös Luonnonvarakeskuksen koordinoimassa Hiiliketju-hankkeessa, jossa tavoitteena on luoda kaksi paikallista bioCO2-hyödyntämisekosysteemiä (LAB 2023). LAB ammattikorkeakoulu on mukana hankkeessa tutkimuspartnerina.

Lähteet

Aspelund, A., & Jordal, K. 2007. Gas conditioning—The interface between CO2 capture and transport. International Journal of Greenhouse Gas Control, 1(3), 343-354. Viitattu 1.11.2023. Saatavissa http://dx.doi.org/10.1016/S1750-5836(07)00040-0

Al Baroudi, H., Awoyomi, A., Patchigolla, K., Jonnalagadda, K., & Anthony, E. J. 2021. A review of large-scale CO2 shipping and marine emissions management for carbon capture, utilisation and storage. Applied Energy, 287, 116510. Viitattu 1.11.2023. Saatavissa https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116510

Brownsort, P. A. 2019. Briefing on carbon dioxide specifications for transport. 1st Report of the Thematic Working Group on: CO2 transport, storage and networks. EU CCUS PROJECTS NETWORK (No ENER/C2/2017-65/SI2. 793333). Viitattu 1.11.2023. Saatavissa Microsoft Word – Briefing-CO2-Specs-FINAL-v1.docx (ccusnetwork.eu)

d’Amore, F., & Romano, M. C. 2023. Optimal ship-based CO2 transport chains from Mediterranean emission points to the North Sea. Teoksessa: Computer Aided Chemical Engineering (Vol. 52, pp. 2741-2746). Elsevier. Viitattu 1.11.2023. Saatavissa http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-443-15274-0.50436-4

Han, J.-H. and Lee, I.-B. 2011. Development of a Scalable and Comprehensive Infrastructure Model for Carbon Dioxide Utilization and Disposal’, Industrial & Engineering Chemistry Research, 50, pp. 6297–6315. Viitattu 1.11.2023. Saatavissa https://doi.org/10.1021/ie200344t

ISO/TR 27921:2020(E). Technical Report. Carbon dioxide capture, transportation, and geological storage. Cross Cutting Issues. CO2 stream composition.

LAB . 2023. Urbaanin hiilenkierron uudet arvoketjut. Viitattu 8.11.2023. Saatavissa https://lab.fi/fi/projekti/urbaanin-hiilenkierron-uudet-arvoketjut

Neele F., Rycroft L., Gage R., Barnett J., Joos M., Baltac S., Garcia-Calvo W., Pusceddu E. & Stigter H. .2023. CO2 transportation and network development. Teoksessa: Deployment of Carbon Capture and Storage. 61-132. Woodhead Publishing. Viitattu 1.11.2023. Saatavissa https://doi.org/10.1016/B978-0-323-95498-3.00005-5

Nordic Ren-Gas Oy 2023. Lahti. Puhtaiden P2X-kaasupolttoaineiden ja CO2-vapaan kaukolämmön yhteistuotantolaitos Lahteen Kymijärven voimalaitosalueelle. Viitattu 1.11.2023. Saatavissa https://ren-gas.com/projekti/lahti/

Patchigolla, K., & Oakey, J. E. 2013. Design overview of high pressure dense phase CO2 pipeline transport in flow mode. Energy Procedia, 37, 3123-3130. Viitattu 20.10.2023. Saatavissa 10.1016/j.egypro.2013.06.198

Razak, A.A., M. Saaid, I., Md. Yusof, M.A., Husein N., Zaidin M.F. & Sabil K.M. 2023. Physical and chemical effect of impurities in carbon capture, utilisation and storage. J Petrol Explor Prod Technol 13, 1235–1246. Viitattu 3.11.2023. Saatavissa https://doi.org/10.1007/s13202-023-01616-3

Roussanaly, S., Skaugen, G., Aasen, A., Jakobsen, J., & Vesely, L. 2017. Techno-economic evaluation of CO2 transport from a lignite-fired IGCC plant in the Czech Republic. International Journal of Greenhouse Gas Control, 65, 235-250. Viitattu 20.10.2023. Saatavissa http://dx.doi.org/10.1016/j.ijggc.2017.08.022

Wang, H., Chen, J., & Li, Q. 2019. A Review of Pipeline Transportation Technology of Carbon Dioxide. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science .Vol. 310. No. 3, p. 032033. IOP Publishing. Viitattu 20.10.2023. Saatavissa http://dx.doi.org/10.1088/1755-1315/310/3/032033

Weihs, G. F., Kumar, K., & Wiley, D. E. 2014. Understanding the economic feasibility of ship transport of CO2 within the CCS chain. Energy Procedia, 63, 2630-2637. Viitattu 30.10.2023 Saatavissa http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.285