Fischer–Tropsch-menetelmä

Fischer–Tropsch-menetelmä on katalyyttinen kemiallinen reaktio, jossa hiilimonoksidia ja vetyä muunnetaan erilaisiksi nestemäisiksi hiilivedyiksi. Tyypillisesti katalyytit ovat rauta- ja kobolttipohjaisia. Menetelmän ensisijainen tarkoitus on tuottaa synteettistä öljyn korviketta käytettäväksi synteettisenä voiteluaineena tai synteettisenä polttoaineena.

Alkuperäinen menetelmä

Alkuperäistä Fischer-Tropsch -menetelmää kuvaa seuraava kemiallinen yhtälö:

$(2n+1)H_{2}+nCO\rightarrow C_{n}H_{2n+2}+nH_{2}O$

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

$CH_{4}+{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}O_{2}\rightarrow 2H_{2}+CO$

tai hiilen tai biomassan kaasutuksella:

$CH+{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}O_{2}\rightarrow 1/2H_{2}+CO$

Hiilimonoksidin ja vedyn seosta kutsutaan synteesikaasuksi. Tuotetut hiilivety-yhdisteet jalostetaan halutunlaiseksi synteettiseksi polttoaineeksi.

Hiilidioksidia ja hiilimonoksidia tuotetaan hiili- ja puupohjaisten polttoaineiden osittaisella hapetuksella. Prosessi on käyttökelpoinen tuottamaan nestemäisiä hiilivetyjä tai vetyä kiinteästä polttoaineesta, kuten hiilestä tai erityyppisistä kiinteää hiiltä sisältävistä jätteistä. Kiinteän aineen hapeton pyrolyysi tuottaa synteesikaasua jota voidaan käyttää suoraan polttoaineena ilman Fischer-Tropsch-muunnosta. 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. Muunnokset nesteestä kaasumaisiin polttoaineisiin on helppo tehdä.

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 matala rikkisten 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 heikentää 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 tuottoisempaa. Useat yritykset kehittävät teknologiaa maakaasuvarantojen hyödyntämiseksi. Geologien mukaan maakaasun käytön odotetaan saavuttavan huippunsa 5-15 vuotta öljyhuipun jälkeen. Toisaalta tällaiset ennustukset ovat vaikeuta tehdä ja ovat usein hyvin epävarmoja.

Fischer-Trposch-menetelmää voidaan käyttää laajojen hiilivarantojen muuttamikseksi nestemäiseksi polttoaineeksi jos öljypohjaisten polttoaineiden hinta nousee. Biomassan kaasuttamisen ja Fischer-Tropsch-synteesin yhdistäminen on lupaava reitti uudistuvan tai "vihreän" liikennepolttoaineen tuottamiseksi.

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 Shellilta lisensoitua teknologiaa. Osavaltio on sitoutunut ostamaan merkittävän osan laitokson 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 polttoaineksi, jotta Yhdysvaltojen riippuvuus ulkomaisesta polttoaineesta laskisi.

Lokakuussa 2006 suomalainen paperi- ja selluvalmistaja UPM ilmoitti suunnitelmista tuottaa biodieseliä Fischer-Tropsch-menetelmällä sen eurooppalaisten tehtaiden 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 hiililähden muuntamisessa nesteeksi syntyvä suuri energian tarve, joka myös lisää hiilidioksidi päästöjä. Yhdysvaltojen National Renewable Energe Laboratoryn mukaan hiilipohjaisten synteettisten polttoaineiden tuotanto aiheuttaa lähes kaksinkertaiset hiilidioksidipäästöt öljypohjaisiin polttoaineisiin verrattuna. Myös muiden saasteiden 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

• Öljyhuippu
• Puukaasu

Aiheesta muualla

• 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)(englanniksi)
• The GTL Corporation (micro-GTL) (englanniksi)