Aurinko- ja tuulivoimaloiden määrät ovat kasvaneet voimakkaasti viimeisen kymmenen vuoden aikana. Kuitenkin näiden uusiutuvien energiamuotojen ongelmana on alusta asti ollut niiden vaihteleva sähkön tuotto. Aurinkoisina ja tuulisina päivinä syntyy hyvinkin paljon energiaa, mutta pilvisinä ja tuulettomina päivinä energiantuotanto jää vähäiseksi. Jotta uusiutuvia energiamuotoja voitaisiin hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti, on tärkeää pystyä varastoimaan niiden tuottama energia. Varastoinnin avulla voidaan verkon kuormitusta siirtää verkon kiireisimmiltä huipputunneilta vähemmän kuormittaviin aikoihin. Toisaalta varastoinnin avulla voidaan tasoittaa vaihteluita sähköntuotannossa. Virtausakut tarjoavat yhden potentiaalisen vaihtoehdon uusiutuvan energian varastointiin. Virtausakkujen skaalautuvuuden ansiosta ne soveltuvat hyvin myös suurten energiamäärien varastointiin.
Virtausakkujen anodimateriaalina käytetään yleisimmin grafiittia, joka on nykyisin luokiteltu kriittiseksi materiaaliksi sekä EU:ssa että Yhdysvalloissa. Tämän vuoksi on äärimmäisen tärkeää kehittää uusia, ympäristöystävällisiä ja edullisia sähköä johtavia hiilipohjaisia materiaaleja, joilla on kestäviä ja skaalautuvia synteesi- ja valmistusprosesseja. Hiilipohjaiset anodimateriaalit, jotka ovat peräisin biomassaresursseista, ovat herättäneet suurta kiinnostusta niiden helpon käsittelyn, myrkyttömyyden sekä biomassaresurssien maailmanlaajuisen saatavuuden ja runsauden vuoksi.
Anodimateriaaliksi soveltuvaa johtavaa hiiltä voidaan valmistaa biomassasta pyrolyysin avulla. Pyrolyysi on prosessi, jossa orgaanisia materiaaleja kuumennetaan hapettomasti. Pyrolyysissä käytettävä lämpötila, kaasukehä, lämmitysaika ja -nopeus vaikuttavat merkittävästi lopputuotteisiin. Hitaalla lämmityksellä pyrolyysiprosessi tuottaa tyypillisesti korkeimman kiinteiden aineiden saannon. Biomassan pyrolyysin aikana tapahtuu samanaikaisesti ja peräkkäin suuri määrä reaktioita, mukaan lukien dehydraatio, depolymerisaatio, isomerisaatio, aromatisoituminen, dekarboksylaatio ja hiilen muodostus.
Perinteisessä grafitoinnissa käytetään fossiilisista raaka-aineista peräisin olevaa hiilipitoista materiaalia, kuten hiiltä, öljyä ja raskasta öljyä. Lähtömateriaalit sekoitetaan, jauhetaan sekä esikäsitellään useilla erilaisilla mekaanisilla prosesseilla. Tämän jälkeen hiilipitoiset materiaalit karbonoidaan 700–1200 °C lämpötilassa. Tässä vaiheessa orgaaniset yhdisteet hajoavat ja hiilestä alkaa muodostua karkeasti pinoutunutta grafiittimaista rakennetta. Lähes täydellinen grafiittimainen rakenne saavutetaan nostamalla lämpötilaa edelleen 2750 °C:een inertissä atmosfäärissä. Halutut rakennemuutokset vaativat jopa päivän mittaisen käsittelyn korkeassa lämpötilassa, mikä kuluttaa runsaasti energiaa.
Vaadittavaa lämpötilaa on mahdollista alentaa käyttämällä katalyyttejä. Normaalisti ei-grafitoituvia raaka-aineita voidaan muuttaa katalyytin avulla johtavaksi hiilimateriaaliksi jo 600-800 °C asteen lämpötiloissa. Yleisesti käytetyt katalyytit ovat siirtymämetalleja tai niiden seoksia.
Biomassalla tarkoitetaan uusiutuvia luonnonvaroja, jotka ovat peräisin kasveista ja eläimistä. Hyvin monista materiaaleista on pystytty valmistamaan grafiittia. Esimerkkinä vaikkapa kalan suomut, puu, levät, soija ja silkki. Materiaalin valinnassa sen rakenne ja hiilipitoisuus ovat avainasemassa, sillä lähtökohtaisesti korkea hiilipitoisuus johtaa parempaan tuotteen saantoon. Rakenteellisesti materiaalissa olevat hiilivetyrenkaat helpottavat grafiitin muodostumista.
Tavoitteena olevan lähtömateriaalin tulisi olla halpaa, laajalti saatavilla olevaa, mahdollisimman tasalaatuista ja sen tulisi olla peräisin sivu- tai jätevirroista. Keski-Suomen maakunnan johtavat teollisuusyritykset painottuvat metsä-, energia-, paperi-, puutuote- ja teknologiateollisuuteen. Metsä- ja puutuoteteollisuudesta jäävät kuoret, oksat ja sahanpurut päätyvät energiantuottoon. Erityisesti puutuoteteollisuuden tuottama erilaiset sahanpurujakeet tarjoavat hienojakoisen, tasalaatuisen ja laajasti saatavilla olevan biomassalähteen. BitKein -hankkeen alkuvaiheessa keskitytään erityisesti mekaanisen metsäteollisuuden sivutuote biomassaan ja sen hyödyntämismahdollisuuksiin johtavan hiilen valmistuksessa.
Aleksi Ahl
Kirjoittaja toimii projektitutkijana BitKein -hankkeessa ja Kemian laitoksella Jyväskylän yliopistolla.
Jyväskylän yliopiston BitKein-hankkeessa kehitetään menetelmää virtausakkujen hiilielektrodien valmistukseen. Tavoitteena optimoida virtausakkujen tehokkuus ja korvata elektrodien grafiitti hyödyntämällä biomassoista ja/tai sivuvirroista saatavaa hiilipitoista materiaalia johtavan hiilen lähteenä.