Fischer–Tropsch-menetelmä

Fischer–Tropsch-menetelmä on katalyyttinen kemiallinen reaktio, jossa hiilimonoksidia ja vetyä muunnetaan erilaisiksi nestemäisiksi hiilivedyiksi. Tyypillisesti katalyytit ovat rauta- ja kobolttipohjaisia, mutta myös nikkeliä ja ruteniumia on käytetty. Menetelmän ensisijainen tarkoitus on tuottaa synteettistä öljyn korviketta käytettäväksi synteettisenä voiteluaineena tai synteettisenä polttoaineena. Raaka-aineena voidaan käyttää esimerkiksi kivihiiltä, maakaasua tai biomassaa.

Alkuperäinen menetelmä

Alkuperäistä Fischer-Tropsch -menetelmää kuvaa seuraava kemiallinen yhtälö:

$(2n+1)H_{2}+nCO\rightarrow C_{n}H_{2n+2}+nH_{2}O-165kJ/mol$

Yllä olevan reaktion lähtöaineet (esimerkiksi CO ja H₂) voidaan tuottaa monilla menetelmillä, kuten esimerkiksi metaanin osittaisella poltolla (kaasusta nesteeksi sovelluksissa):

$CH_{4}+{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}O_{2}\rightarrow 2H_{2}+CO-35.9kJ/mol$

tai hiilen tai biomassan kaasutuksella:

$C_{4}O_{3}H_{6}+1/2O_{2}\rightarrow 3H_{2}+4CO$

Hiilimonoksidin ja vedyn seosta kutsutaan synteesikaasuksi. Hiilidioksidia ja hiilimonoksidia tuotetaan hiili- ja puupohjaisten polttoaineiden osittaisella hapetuksella. Synteesikaasun vetypitoisuutta voidaan säätää vesikaasurektiolla.

Kiinteän aineen hapeton pyrolyysi tuottaa metaanipitoista pyrolyysikaasua, jota voidaan käyttää suoraan polttoaineena. Yleensä kaasu poltetaan tarvittavan reaktiolämmön tuottamiseksi. Pyrolyysi tuottaa suuren määrän hiilivetyjä (tyypillisesti 20% lähtöaineista) ilman Fischer-Tropsch-muunnosta. Flash-pyrolyysissä on maksimoitu hiilivetyjen tuotanto. Hiilivetyjen, joita prosessin mukaan kutsutaan pyrolyysiöljyksi tai tervaksi, hyödyntämistä haittaa usein niiden suuri happipitoisuus. Pyrolyysiprosessilla on nykypäivänä lähinnä merkitystä vanhojen autonrenkaiden hävityksessä.

FT prosessi on käyttökelpoinen tuottamaan nestemäisiä hiilivetyjä kiinteistä polttoaineista, kuten hiilestä tai erityyppisistä kiinteää hiiltä sisältävistä jätteistä sekä biomassoista. Tuotetut neste ja vahamaiset hiilivety-yhdisteet jalostetaan halutunlaiseksi synteettiseksi polttoaineeksi, kaasumaiset yleensä poltetaan. Tyydyttämättömistä kaasuista voidaan valmistaa muun muassa polyeteenimuovia. Jos tarvitaan nestemäistä öljyn kaltaista polttoainetta, voiteluainetta tai vahaa, voidaan käyttää Fischer-Tropsch-menetelmää. Jos vedyn tuotanto halutaan maksimoida, voidaan käyttää vesi-kaasu-muunnosreaktiota , jolloin tuotokseksi jää vain hiilidioksidia ja vetyä eikä ollenkaan hiilivetyjä.

Nestemäiset polttoaineet ovat haluttuja, niiden korkean energiasisällön ja yksinkertaisen varastoimisen vuoksi. Ne ovat myös melko turvallisia esimerkiksi vetyyn verrattuna. Hiilivetyjen polttotekniikka on myös nykypäivänä melko hyvin halittua ja ne saadaan palamaan puhtaasti. Biomassasta tuotetut hiilivedyt ovat hiilidioksidineutraaleja. Vetytalous ei tarjoa mitään erityisen suurta etua verrattuna synteettisiin biopolttoaineisiin.

Historia

Saksalaisten Kaiser Wilhelm -instituutin tutkijoiden Franz Fischerin ja Hans Tropschin keksittyä menetelmän 1920-luvulla siihen on tehty monia muutoksia ja säätöjä. Nykyään termi Fischer-Tropsch käsittää monia samankaltaisia prosesseja (Fischer-Tropsch-synteesi tai Fischer-Tropsch kemia).

Menetelmä keksittiin Saksassa 1920-luvulla nestemäisten polttoaineiden tuottamiseksi. Saksalla oli paljon hiiltä, mutta vain vähän öljyä. Saksa ja Japani käyttivät menetelmää toisen maailmansodan aikana vaihtoehtoisten polttoaineiden tuottamiseen. Saksan vuosittainen synteettisen polttoaineen tuotanto saavutti yli 124 000 barrelia päivässä eli noin 6,5 miljoonaa tonnia vuonna 1944 .

Sodan jälkeen vangitut saksalaiset tiedemiehet värvättiin Operaatio Paperclipin kautta jatkamaan työtään synteettisten polttoaineiden parissa Yhdysvalloissa Yhdysvaltojen kaivosviraston Synteettiset nestepolttoaineet -ohjelman alaisuudessa.

Käyttö

Nykyään vain muutamat yritykset ovat kaupallistaneet Fischer-Tropsch-teknologiaa.

1. Shell käyttää maakaasua Bintulassa, Malesiassa syötteenä matalarikkisten diesel-polttoaineiden ja elintarvikeluokan vahan tuottamiseen.
2. Sasol käyttää Etelä-Afrikassa hiiltä ja maakaasua syötteenä erilaisten synteettisten öljytuotteiden tuotannossa. Sasol tuottaa suurimman osan maan diesel-polttoaineesta.

Prosessia käytettiin Etelä-Afrikassa apartheidin aikana kauppasaarron aiheuttaman energiapulan takia energian tuotannossa. Menetelmä on saanut uutta huomiota matalarikkisen dieselin tuotannossa dieselmoottoreiden ympäristövaikutusten minimoimiseksi.

Fischer-Tropsch-menetelmä on vakiintunutta tekniikkaa ja sitä on jo käytetty suuressa mittakaavassa, mutta sen suosiota heikentävät korkeat pääomakustannukset, korkeat käyttö- ja ylläpitokulut sekä öljyn epävakaa hinta. Erityisesti maakaasun käyttö syötteenä on käytännöllistä vain kaukana asutuksesta sijaitsevien esiintymien yhteydessä, muutoin kaasun suora myynti asiakkaille on tuottoisampaa. Useat yritykset kehittävät teknologiaa maakaasuvarantojen hyödyntämiseksi. Geologien mukaan maakaasun käytön odotetaan saavuttavan huippunsa 5–15 vuotta öljyhuipun jälkeen. Toisaalta tällaiset ennustukset ovat vaikeita tehdä ja usein hyvin epävarmoja.

Fischer-Tropsch-menetelmää voidaan käyttää laajojen hiilivarantojen muuttamiseksi nestemäiseksi polttoaineeksi, jos öljypohjaisten polttoaineiden hinta nousee. Biomassan kaasuttamisen ja Fischer-Tropsch-synteesin yhdistäminen on lupaava reitti uudistuvan tai "vihreän" liikennepolttoaineen tuottamiseksi. Hiilidioksidineutraali polttoaine syntyy vain biomassoista. Fossiilisesta hiilestä tai turpeesta tehty polttoaine aiheuttaa n. kaksinkertaiset hiilidioksidipäästöt verrattuna perinteiseen öljynjalostukseen.

Syyskuussa 2005 Pennsylvanian osavaltion kuvernööri Edward Rendell ilmoitti Fischer-Tropsch-tehtaan rakentamisesta. Laitos käyttäisi polttoaineena hiilen louhinnasta jäänyttä ns. jätehiiltä ja se tuottaisi matalarikkistä dieselpolttoainetta. Laitos käyttää Sasolilta ja Shelliltä lisensoitua teknologiaa. Osavaltio on sitoutunut ostamaan merkittävän osan laitoksen tuotannosta sekä tarjonnut yhdessä Yhdysvaltojen energiaministeriön kanssa yli 140 miljoonan dollarin verohelpotukset. Muut Yhdysvaltojen hiiltä tuottavat osavaltiot tekevät samankaltaisia suunnitelmia. Montanan osavaltion kuvernööri Brian Schweitzer on ehdottanut Fischer-Tropsch-laitoksen rakentamista hiilen muuttamiseksi polttoaineeksi, jotta Yhdysvaltojen riippuvuus ulkomaisista polttoaineista laskisi.

Lokakuussa 2006 suomalainen paperi- ja selluvalmistaja UPM ilmoitti suunnitelmista tuottaa biodieseliä Fischer-Tropsch-menetelmällä eurooppalaisten tehtaidensa yhteydessä. Raaka-aineena käytettäisiin jätebiomassaa paperin- ja sellunvalmistusprosesseista.

Maaliskuussa 2007 VTT ja Neste Oil julkistivat yhteistyöhankkeen, jossa puuperäisestä raaka-aineesta valmistetaan kaasutusmenetelmällä polttoainetta. Projekti liittyy Neste Oilin ja Stora Enson biopolttoaineyhteistyöhön. Ensimmäisessä vaiheessa Stora Enson Varkauden tehtaan yhteyteen rakennetaan megawattiluokan koelaitos.

Ympäristövaikutukset

Synteettisten polttoaineiden laajamittaisesta tuotosta keskusteltaessa pitää ottaa huomioon kiinteiden ja kaasumaisten hiililähteiden nesteeksi muuntamisen huono energiahyötysuhde. Tyypillisesti prosessien energiahyötysuhde on 30 % tienoilla. Huono energiahyötysuhde lisää hiilidioksidipäästöjä. Yhdysvaltojen National Renewable Energy Laboratoryn mukaan hiilipohjaisten synteettisten polttoaineiden tuotanto aiheuttaa lähes kaksinkertaiset hiilidioksidipäästöt öljypohjaisiin polttoaineisiin verrattuna. Myös muiden saasteiden^selvennä päästöt kasvat suuresti, tosin monet päästöistä voidaan puhdistaa heti tuotantovaiheessa. Hiilen kaappaamista ja varastointia on ehdotettu lieventämään kasvihuonekaasupäästöjä. Vaikka hiilen kaappaaminen on jo rajoitetussa käytössä, sen tekninen ja taloudellinen käyttökelpoisuus on vielä kyseenalaista.

Katso myös

• Epätavanomainen öljy
• Öljyhuippu
• Puukaasu
• Sabatier-reaktio
• Bosch-reaktio

Aiheesta muualla

• Esko Saikkonen: Laboratoriomittakaavan Fischer-Tropsch-laitteiston suunnittelu ja rakentaminen, Insinöörityö 18.5.2010, Metropolia Ammattikorkeakoulu, Kemiantekniikan koulutusohjelma (pdf)
• Fischer-Tropsch Archive (englanniksi)
• Abiogenic Gas Debate 11:2002 (EXPLORER) (englanniksi)
• Unconventional Ideas About Unconventional Gas (Society of Petroleum Engineers) (englanniksi)
• Process of synthesis of liquid hydrocarbons - Great Britain patent GB309002 - Hermann Plauson(englanniksi)
• Shell (englanniksi)
• Sasol (englanniksi)
• Clean Diesel from Coal by Kevin Bullis (englanniksi)
• Alchem Field Services, Inc.(micro-GTL) (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)
• The GTL Corporation (micro-GTL) (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)
• National Energy Technology Laboratory (NETL): Fischer-Tropsch Synthesis (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)