Polttoaineen hiilidioksidipäästöt eivät kerro kaikkea polttamisen ilmastovaikutuksesta. Savukaasujen, eli polttamisessa muodostuvien kaasujen ja hiukkasten seoksen, puhdistaminen on erittäin tärkeää ilmastovaikutusten minimoimiseksi, kirjoittaa apurahansaajamme Fanni Mylläri.
Palaminen voimalaitoskattilassa aerosolifyysikon silmin
Kun mikä tahansa polttoaine palaa, syntyy hiilidioksidia – mutta se ei ole ainoa savukaasun komponentti, joka lämmittää ilmakehää. Siksi polttoaineen hiilidioksidipäästöt eivät kerro kaikkea polttamisen ilmastovaikutuksesta. Oikea polttotekniikka ja hallittu poltto käytettävissä olevalle polttoaineelle takaavat tehokkaan palamisen voimalaitoskattilassa. Savukaasujen, eli polttamisessa muodostuvien kaasujen ja hiukkasten seoksen, puhdistaminen on erittäin tärkeää ilmastovaikutusten minimoimiseksi.
Miten tätä palamisprosessia voisi havainnollistaa? Ajatellaanpa, että kädessäsi oleva puupelletti katoaa täysin muuntuen kuumaksi höyryksi. Höyryn jäähtyessä sen molekyylit törmäilevät toisiinsa ja ne muodostavat pieniä ryppäitä, mutta vain tietyistä höyryn komponenteista.
Emme pysty havaitsemaan tätä ilmiötä paljain silmin, vaan tarvitsemme tähän erittäin herkkiä aerosolimittalaitteita. Mittalaitteet antavat ikään kuin valokuvia tai johtolankoja tapahtuneesta, mutta tutkijan tehtävä on pystyä visualisoimaan tapahtumat valokuvien välillä.
Uusimmassa tutkimuksessani polttoaineen palamista ja samalla hiukkasmuodostusta palamistuotteista tutkittiin jatkuvatoimisella laimentavalla näytteenotolla suoraan kuumasta, jopa yli 1000-asteisesta aerosolista (eli kaasun ja hiukkasten seoksesta). Tehtyjen mittauksien pohjalta pystyttiin osoittamaan, että polttoaineen käytetyt puupelletit paloivat kattilassa erittäin tehokkaasti. Seuraavat mittaustulokset kertovat tehokkaasta palamisesta:
- Puupelleteissä olevat hivenaineet (esim. kalium, natrium, kloori, rikki) höyrystyivät ja muodostivat savukaasun jäähtyessä pieniä 10–60 nanometrin hiukkasia.
- Savukaasun edelleen jäähtyessä näiden jo muodostuneiden hiukkasten pinnalle päätyi lisää alun perin höyrystyneitä yhdisteitä.
- Kuumasta aerosolista mitatut mustahiilipitoisuudet (black carbon (BC), pienen pienet nokihiukkaset) olivat hyvin matalat. Mustahiilihiukkasilla on lämmittävä vaikutus ilmakehässä.
- Kattilaan syötetyn polttoaineen määrä vaikutti hiukkasmuodostuksen sijantiin kattilassa.
- Mitatut häkä- eli hiilimonoksidipitoisuudet olivat matalat.
Nämä tulokset osoittavat sen, että voimalaitoskattilassa palaminen voidaan hallita erinomaisesti, kun polttoteknologia suunnitellaan juuri käytettävälle polttoaineelle. Polton tehokkaalla hallinnalla voidaan ottaa poltettavasta polttoaineesta talteen mahdollisimman suuri määrä energiaa, joka sitten lämmittää kaukolämpöasiakkaiden koteja erittäin hyvällä hyötysuhteella.
Hiukkaspäästöjen vähentäminen parantaa ilmanlaatua
Kattilassa muodostunut kuuma aerosoli jäähtyy edetessään savukaasukanavassa. Pienet muodostuneet hiukkaset törmäilevät toisiinsa ja muodostavat entistä suurempia hiukkasia. Koon, tai oikeastaan halkaisijan, kasvaminen on hyödyksi ajatellen savukaasun puhdistamista.
Tutkitussa lämpövoimalaitoksessa savukaasut puhdistetaan letkusuodattimilla ennen niiden vapauttamista ilmakehään. Letkusuodatinten tarkoitus on kerätä hiukkaset suodatinmateriaalin pinnalle ja päästä savukaasu lävitseen. Tutkimuksessa havaitsimme, että suodatinten tehokkuus oli yli 99,95 % pienille alle 200 nm hiukkasille. Merkittävä osa pienistä hiukkasista poistuu suodattimissa ja näin olen ne eivät päädy ilmakehään.
Hiukkasista pääosin puhdistettu savukaasu sisältää edelleen palamisessa muodostuneita kaasukomponentteja, kuten vesihöyryä, hiilidioksidia ja -monoksidia, typen oksideja ja rikin oksideja. Nämä kaasut päätyvät ilmakehän hapettaviin olosuhteisiin ja voivat hapettumisprosessien kautta muodostaa uusia hiukkasia. Ilmakehässä olevat hapettavat aineet muuttavat alkuperäisiä puhdistuksen läpi tulleita kaasumolekyylejä siten, että ne haluavat pois kaasusta ja sen seurauksena ne muodostavat hiukkasia tai kasvattavat jo ilmakehässä olevia hiukkasia. Tästä eteenpäin pitäisi siis jatkaa tutkimusta esimerkiksi mittaamalla, minkä kokoisina savukaasun hiukkaset toimivat pilvipisaroiden aihioina eli pintana jolle vesi tiivistyy.
Mistä kaikki alkoi?
Väitöskirjani From Boiler to Atmosphere: Effect of Fuel Choises on Particle Emission from Real-Scale Power Plants (2018) viimeisillä sivuilla pohdin, miten fossiilisista polttoaineista luopuminen tulee vaikuttamaan voimalaitosten ilmakehäpäästöihin. Siinä vaiheessa oli ilmiselvää, että biomassan hiilidioksidipäästöt katsotaan neutraaleiksi eli ne eivät laskennallisesti aiheuta kasvaneita kasvihuonekaasupäästöjä. Kuitenkin osa ilmastoa lämmittävistä komponenteista muodostuu palamisen seurauksena – myös hiilidioksidineutraalin biomassan palamisen.
Olen avannut näitä ajatuksia ja palamisen kemiaa aikaisemmassa blogitekstissäni, jossa esimerkiksi totean, että mikäli puuperäiset polttoaineet yleistyvät kivihiilen poistuessa polttoainevalikoimasta, on mahdollista, että ilmastoa lämmittävien mustahiilihiukkasten päästö kasvaa.
