Mitä hiilivetyä maakaasu on?

Mitä hiilivetyä maakaasu on? Metaanin rakenne

Maakaasu koostuu pääasiassa metaanista (CH4), joka on yksinkertaisin tyydyttynyt hiilivety. Lisäksi kaasu sisältää pieniä määriä muita hiilivetyjä, kuten etaania, propaania ja butaania, mikä tekee siitä puhtaasti palavan ja monipuolisen energianlähteen teollisuudelle sekä energiantuotantoon.

Mitä hiilivetyä maakaasu on ja mistä se koostuu?

Maakaasun tarkka koostumus vaihtelee hieman esiintymispaikan mukaan, mutta se on aina kaasumaisten hiilivetyjen seos. Pääasiassa maakaasu on metaania (CH4), joka muodostaa yleensä noin 70-95 prosenttia sen kokonaistilavuudesta. Loppuosa koostuu raskaammista hiilivedyistä, kuten etaanista, propaanista ja butaanista, sekä pienistä määristä epäpuhtauksia, kuten typpeä ja hiilidioksidia.

Kemiallisesti nämä kaikki kuuluvat alkaanien ryhmään eli tyydyttyneisiin hiilivetyihin. Ne ovat peräisin miljoonia vuosia sitten merenpohjaan hautautuneesta eloperäisestä aineksesta, joka on muuttunut kaasuksi kovan paineen ja kuumuuden alla. Rehellisesti sanottuna sekoitin itsekin pitkään maakaasun ja nestekaasun arkikielessä keskenään, ennen kuin perehdyin niiden kemiallisiin eroihin tarkemmin. Yksi kriittinen yksityiskohta selittää kuitenkin sen, miksi maakaasua pidetään fossiilisten polttoaineiden puhtaimpana vaihtoehtona - palaan tähän tarkemmin poltto-ominaisuuksia käsittelevässä osiossa.

Se on yllättävän yksinkertaista. Puhdas maakaasu on täysin hajutonta ja väritöntä, joten jakeluverkkoon syötettävään kaasuun lisätään aina voimakkaasti haisevaa merkkiainetta, merkaptania, vuotojen havaitsemiseksi.

Maakaasun kemiallinen koostumus: metaani ja muut hiilivedyt

Vaikka metaani hallitsee maakaasun koostumusta, muilla mukana olevilla hiilivedyillä on suuri merkitys kaasun lämpöarvolle ja teolliselle käytölle. Raakakaasusta erotellaan jalostusvaiheessa raskaammat jakeet, jotta putkistoon päätyvä kaasu palaa tasaisesti ja turvallisesti.

Metaani (CH4) - maakaasun pääkomponentti

Metaani on kaikista hiilivedyistä yksinkertaisin molekyyli, sillä se koostuu vain yhdestä hiiliatomista ja neljästä vetyatomista. Putkistolaatuisessa maakaasussa metaanin osuus nousee jalostuksen jälkeen tyypillisesti 87-97 prosenttiin. Tämä keveys tekee siitä ilmaa kevyempää, joten mahdollisessa vuototilanteessa kaasu nousee nopeasti ylöspäin ja haihtuu ulkoilmassa.

Pieni molekyylikoko takaa myös erittäin puhtaan palamisen. Kun metaani palaa täydellisesti, syntyy lähes pelkästään hiilidioksidia ja vesihöyryä ilman nokea tai raskaita pienhiukkasia.

Etaani, propaani ja butaani

Metaanin lisäksi maakaasu sisältää yleensä 1-15 prosenttia etaania (C2H6) sekä alle 5 prosenttia propaania (C3H8) ja butaania (C4H10). Nämä niin kutsutut maakaasunesteet (NGL, Natural Gas Liquids) ovat hiiliketjultaan pidempiä ja painavampia kuin metaani. Harvoin tulee ajatelleeksi, kuinka arvokkaita nämä sivutuotteet ovat sellaisenaan.

Teollisuus erottelee etaanin muoviteollisuuden raaka-aineeksi, kun taas propaani ja butaani paineistetaan nestekaasuksi (LPG). Joskus näitä raskaampia hiilivetyjä jätetään tarkoituksella pieniä määriä maakaasun sekaan nostamaan sen energiasisältöä, mutta liian suuri määrä aiheuttaisi ongelmia kaasuputkistoissa tiivistymisen vuoksi.

Miksi maakaasu on puhtaasti palava fossiilinen polttoaine?

Maakaasu tuottaa palaessaan huomattavasti vähemmän hiilidioksidia ja ilmansaasteita kuin muut fossiiliset polttoaineet, kuten kivihiili tai raskas polttoöljy. Sen polttaminen tuottaa tyypillisesti noin 45-50 prosenttia vähemmän hiilidioksidipäästöjä energiayksikköä kohti verrattuna kivihiileen.

Tässä on se aiemmin mainitsemani ratkaiseva yksityiskohta: vedyn ja hiilen suhde molekyylissä. Koska metaanissa on neljä vetyatomia yhtä hiiliatomia kohden, suuri osa sen palamisenergiasta vapautuu vedyn palaessa vedeksi eikä hiilen palaessa hiilidioksidiksi. Kivihiili sen sijaan on lähes pelkkää hiiltä.

Seuraava asia yllättää silti monet. Vaikka maakaasu palaa piipun päässä puhtaasti - ilman rikkioksidi- tai hiukkaspäästöjä - sen ilmastovaikutus ei ole täysin ongelmaton. Jos maakaasua pääsee vuotamaan ilmakehään palamattomana tuotannon tai siirron aikana, metaani toimii voimakkaana kasvihuonekaasuna, joka lämmittää ilmastoa 100 vuoden tarkastelujaksolla noin 25-34 kertaa hiilidioksidia tehokkaammin. Todellisuudessa maakaasu onkin erinomainen siirtymäkauden polttoaine teollisuudelle, mutta vain silloin, kun putkistojen tiiviydestä ja vuotojen ehkäisystä pidetään tiukasti huolta.

Kun aikanaan seurasin erään lämpölaitoksen siirtymistä raskaasta polttoöljystä maakaasuun, ero laitoksen ympäristössä oli käsin kosketeltava. Vanha öljykattila vaati jatkuvaa nuohousta ja jätti jälkeensä kitkerän hajun, kun taas kaasukattilan huoltotarve puolittui ja savukaasut olivat lähes näkymättömiä. Ero käytännössä on valtava.

Miten maakaasua hyödynnetään teollisuudessa ja energiantuotannossa?

Maakaasun monipuolisuus perustuu sen helppoon säädettävyyteen ja korkeaan hyötysuhteeseen. Sitä käytetään laajasti sekä sähkön ja kaukolämmön yhteistuotannossa että prosessiteollisuuden suorana lämmönlähteenä ja kemianteollisuuden raaka-aineena.

Kaasuturbiinivoimalaitokset pystyvät reagoimaan sähköverkon kulutuspiikkeihin minuuteissa, toisin kuin hitaasti säätyvät hiili- tai ydinvoimalat. Tämä tekee maakaasusta tärkeän säätövoiman tuuli- ja aurinkovoiman rinnalle. Teollisuudessa, kuten lasinvalmistuksessa, leipomoissa ja metallurgiassa, maakaasun puhdas ja tarkasti hallittava liekki on usein korvaamaton, koska palamiskaasut eivät likaa lopputuotetta.

Lisäksi maakaasu toimii keskeisenä lähtöaineena vedyn ja ammoniakin tuotannossa, joita tarvitaan lannoiteteollisuudessa. Monet olettavat, että kaasun käyttö rajoittuu pelkkään lämmitykseen, mutta todellisuudessa ruoantuotantomme lannoitteet nojaavat yhä vahvasti maakaasun hiilivetyihin.

Maakaasun yleisimpien hiilivetyjen vertailu

Metaani (CH4) - Maakaasun pääosa

1. 1 hiiliatomi ja 4 vetyatomia, yksinkertaisin alkaani
2. Ilmaa kevyempää, nousee vuototilanteessa ylöspäin
3. Tyypillisesti 70-95 prosenttia raakakaasussa ja yli 90 prosenttia putkistokaasussa
4. Energiantuotanto, lämmitys, kaasuautot (CNG/LNG) ja vedyn valmistus

Etaani (C2H6)

1. 2 hiiliatomia ja 6 vetyatomia
2. Hieman ilmaa raskaampaa
3. Yleensä 1-15 prosenttia esiintymästä riippuen
4. Erotellaan petrokemian teollisuudelle eteenin ja muovien valmistukseen

Propaani (C3H8) ja butaani (C4H10)

1. 3 tai 4 hiiliatomia, nesteytyvät helposti alhaisessa paineessa
2. Selvästi ilmaa raskaampaa, painuu vuotaessaan lattian rajaan
3. Pieniä määriä, tavallisesti yhteensä alle 5 prosenttia
4. Nestekaasu (LPG) grilleihin, retkikeittimiin, trukkeihin ja teollisuuden polttimiin

Suomalaisen leipomon siirtymä polttoöljystä maakaasuun

Kymenlaaksossa toimiva keskisuuri leipomo käytti pitkään kevyttä polttoöljyä paistouuniensa lämmittämiseen, mutta polttoaineen hintavaihtelut ja uunien jatkuva nokeentuminen aiheuttivat päänvaivaa.

Yritys päätti liittää laitoksen paikalliseen maakaasuverkkoon, mutta ensimmäiset viikot uuden järjestelmän kanssa olivat hankalia, sillä vanhojen uunien ilmansyöttöä ei osattu säätää metaanin nopeammalle palamiselle ja paistotulos jäi epätasaiseksi.

Kun huoltoinsinööri kalibroi polttimien ilma-kaasusuhteen kohdalleen ja asensi tarkemman paineensäätimen, liekki tasaantui välittömästi.

Puolen vuoden kuluttua leipomon polttoainekustannukset olivat laskeneet 18 prosenttia, uunien huoltoseisokit vähenivät puoleen ja leipomon hiilidioksidipäästöt pienenivät noin kolmanneksella.