Laajeneva bioenergiaosaaminen Itä-Suomen yliopistossa. Jorma Jokiniemi

Transkriptio

1 Laajeneva bioenergiaosaaminen Itä-Suomen yliopistossa Jorma Jokiniemi

2 KANTIVA Tutkimuskeskus MIKÄ SE ON? Poikkitieteinen tutkimuskeskus Kuopion tiedepuistossa, joka toteuttaa bioenergian tuotantoon ja käyttöön sekä niiden vaikutuksiin liittyviä tutkimus- ja kehityshankkeita Tavoitteena on edistää biomassojen energiahyötykäyttöä kestävällä tavalla Hyödyntää Kuopion yliopiston ja alueen tutkimuslaitosten vahvaa, kansainvälisen tason osaamista Verkottaa alan tutkijat tiiviiksi kansallisesti merkittäväksi osaamiskeskittymäksi Toteutetaan yhteistyössä itäsuomalaisten yritysten kanssa Tiivis yhteistyö Joensuun yliopiston kanssa

3 Keskuksessa mukana Kuopion yliopisto (koordinaattori) Terveyden ja hyvinvoinnin laitos Ilmatieteen laitos Työterveyslaitos Geologian tutkimuskeskus Joensuun yliopisto Valtion teknillinen tutkimuskeskus

4 Yhteistyö Pohjois-Savon Eco Business Center Itä-Suomen Bioenergiaohjelma 2015 Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu Kuopio Innovation Osaamiskeskusohjelma (OSKE ) Muu kansallinen ja kansainvälinen tutkimusyhteistyö Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus Savonia ammattikorkeakoulu

5 Bioenergiaketjun kokonaiskuva J. Jokiniemi, KY teknologia-liiketoiminta-yhteiskunta ALKUTUOTANTO Raaka-aineet puu (metsä) viljelty biomassa jätefraktiot liete maatalous metsäteollisuus muut Korjuutekniikat Logistiikka Maankäyttö kasvihuonekaasut POLTTOAINEIDEN JALOSTUS hake pelletti bioöljy biodiesel etanoli biokaasu muut Raaka-aineesta kilpailevat biotekniikka, metsäteollisuus KÄYTTÖ kokoluokka >50>1>0,05>0 MW CFB BFB arina pölypoltto poltinpoltto kaasutuspoltto IGCC CHP pienpoltto liikenne Sekapoltto Fossiiliset HAITAT Likaantuminen ja korroosio Tuhkan loppukäyttö Päästöt -pienhiukkaset -kv kaasut -NOx, SOx Ilmastovaikutukset Terveysvaikutukset Ilmanlaatu Maankäyttö Vesistö Muut mittaustekniikka-valmistustekniikka-automaatio-mallinnus-koulutus

6 : Toiminta-alue

7 TEEMAT Biomassojen energiahyötykäyttö ja savukaasujen puhdistustekniikat : Teemakokonaisuudet Ilmastovaikutukset Terveysvaikutukset Ympäristö- ja terveysriskien analyysi ja alueellinen mallittaminen TYÖPAKETIT Puhtaat biomassat Jätteet Pelto- ja metsäbiomassojen tuotantoalueiden kasvihuonekaasupäästöt Biomassojen tuotannon ja käytön hiilivetypäästöt Bioenergian käytön pienhiukkaspäästöt ja niiden ilmastovaikutukset Biomassojen polton päästöhiukkasten keräysmenetelmät Puun pienpolton savuille altistuminen ja terveyshaitat Toksisuuden testausmenetelmien kehittäminen hiukkasille Työympäristön riskit ja turvallisuus Alueellinen mallittaminen Ilmasto- ja terveysriskien analyysi

8 Biomassojen energiahyötykäyttö ja savukaasujen puhdistustekniikat Puhtaiden biomassojen poltto ja savukaasujen puhdistustekniikat JORMA JOUTSENSAARI, KY; yhteistyö VTT Tavoitteet: Mahdollisimman tehokas ja ympäristöystävällinen bioenergian tuottaminen: Kehittää menetelmiä biomassojen polttoprosessien ja päästöjen karakterisointiin ja mallinnukseen Kehittää menetelmiä pienpolton savukaasujen puhdistamiseen Vastauksia haetaan mm. kysymyksiin: Millaisilla polttotekniikoilla pystytään vähentämään haitallisia päästöjä ja vähentämään käytettävyysongelmia? Millaisilla savukaasujen puhdistustekniikoilla voidaan vähentää pienpolton päästöjä tehokkaasti? Vaikutukset, kun siirrytään öljyn käytöstä biopolttoaineisiin?

9 Biomassojen energiahyötykäyttö ja savukaasujen puhdistustekniikat Jätteiden energiahyötykäyttö JORMA JOKINIEMI, KY/VTT; yhteistyö VTT Tavoitteet: Selvittää eri energiahyötykäyttötekniikoiden soveltuvuus jätteenkäsittelyketjuissa mukaan lukien yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto Jätteenpolton ilmapäästöjen, likaantumis- ja korroosiongelmien sekä tuhkakysymysten hallinta Vastauksia haetaan mm. kysymyksiin: Mahdollisuudet jätteen rinnakkaispolttoon (ks. valtakunnallinen jätesuunnitelma)? Mitkä ovat kustannustehokkaiden mittausmenetelmien mahdollisuudet jätteenpolton ilmapäästöjen hallinnassa?

10 Kiinteistökokoluokan lämmitysjärjestelmät Hybridimallit Lämpöpumppu+aurinko Lisäksi Pellettikattila tai Bioöljykattila huippukuormia varten Polttoaine

11 Example of Finnish heat-storing batch burning appliance: whirlbox by Tulikivi Ltd. air is led to different parts of firebox to gain more efficient burning 20% of air is led through the grate (primary air) over 45% is led through wall panels of firebox (secondary air) 35% flushes the glass door efficiency 85% emissions for example CO 700 mg/mj, OGC~60 mg/mj, NO x ~70 mg/mj, dust~30 mg/mj Nunnauuni has developed comparable technology

12 Tulevaisuuden haasteita Biopolttoaineiden käyttö lisääntyy merkittävästi Voimalaitoskäyttö vs. pienpoltto Miten ilmanlaatu muuttuu? PM2.5 koostumus muuttuu kivihiili, raskas öljy, turve -> biomassa liikenteen biopolttoaineet Ilmastovaikutukset

13 Ilmastovaikutukset Pelto- ja metsäbiomassojen tuotantoalueiden kasvihuonekaasupäästöt PERTTI MARTIKAINEN, KY Tavoitteet: Selvittää nopeakiertoisten peltobiomassojen tuotannon kasvihuonekaasutaseet erilaisilla maatyypeillä vaihtelevissa ilmasto-oloissa Verrata nopeakiertoisten ja metsäbiomassojen tuotannon ilmastovaikutuksia (Joensuun rinnakkaishankkeen kanssa) Hankkeen tuottama tieto: Miten optimoida biomassatuotannon ilmakehällinen vaikutus? Itä-Suomen olosuhteisiin soveltuvat mallit biomassaa tuottavien ekosysteemien kaasutaseille. Kaasutasemalleja voidaan hyödyntää tulevissa ilmastosopimuksissa ja bioenergialiiketoiminnassa.

14 Ilmastovaikutukset Biomassojen tuotannon ja käytön hiilivetypäästöt TOINI HOLOPAINEN, KY Tavoitteet: Bioenergian käytön hiilivetypäästöjen karakterisointi liittyen pienhiukkasmuodostuksen esivaiheisiin Peltoenergian hiilivetypäästöjen karakterisointi Vastauksia haetaan mm. kysymyksiin: Mitä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä vapautuu bioenergian käytöstä ja peltoenergian tuotosta? Millainen pienhiukkasten muodostuspotentiaali näillä päästöillä on?

15 Ilmastovaikutukset Bioenergian käytön pienhiukkaspäästöt ja niiden ilmastovaikutukset KARI LEHTINEN, KY/IL Hiukkasten vaikutus on suurin epävarmuus arvioitaessa ihmisen vaikutusta ilmastonmuutokseen => Lisäselvityksiä tarvitaan.

16 Pienhiukkaspäästöjen vaikutukset kaasut NO x SO x PAH muu Org hiukkaset TSP PM10 PM2.5 PM1 PM0.1 sekundäärinen PM2.5 terveysvaikutukset vaikutus ilmastomuutokseen

17 terveysvaikutukset pitoisuus koko kemia vaikutus ilmastomuutokseen lämmittävä vaikutus noki (absorptio-iremissio) - huono palaminen Viilentävä vaikutus muu PM (sironta) - hyvä palaminen

18 Terveysvaikutukset Biomassojen polton päästöhiukkasten keräysmenetelmät RAIMO O. SALONEN, KTL Tavoitteet: Ottaa käyttöön biomassan polton ympäristöjen (asuinalue, työpaikat) terveystutkimuksiin soveltuvia ilman hiukkasten keräys- ja mittaustekniikoita Soveltaa puun pienpolton päästöhiukkasten toksisuustutkimukseen kehitettyjä hiukkaskeräysmenetelmiä biopolttoaineilla toimivien energialaitosten ja ajoneuvojen hiukkaspäästöjen tutkimiseen Vastauksia haetaan mm.: Mitkä ovat parhaat tavat yhdistää erikoistekniikoilla kerätyistä hiukkasnäytteistä saatavat kemialliset analyysitiedot toksikologiseen, epidemiologiseen ja työterveyttä koskevaan mittaustietoon?

19 Vastauksia haetaan mm. kysymyksiin: Kuinka merkittäviä haittoja puun pienpoltto aiheuttaa pientaloalueilla? Millaisilla ilmanlaadun mittauksilla ja raja-arvoilla voidaan terveysriskejä tehokkaimmin hallita? Terveysvaikutukset Puun pienpolton savuille altistuminen ja terveyshaitat JUHA PEKKANEN, KTL/KY Tavoitteet: Luoda tutkimusvalmiudet puun pienpolton päästöille altistumisen ja terveysvaikutusten selvittämiseksi. Selvittää nykyisten polttotekniikoiden ja käyttötapojen vaikutukset ilmanlaatuun ja väestön terveyteen. PÄÄSTÖ? 1) Savuhaittojen yleisyys 2) Altistuminen puunpolton hiukkaspäästöille 3) Pienpolton hiukkaspäästöjen terveyshaitat K A N T I V A Validoitu kyselylomake polttotavoista ja havaituista haitoista Altistumismittausmenetelmä puunpolton hiukkaspäästöille Soveltuvien terveysvasteiden mittaaminen - osaaminen ja laitteet VAIKUTUS

20 Terveysvaikutukset Terveyshaitoista kertovat pienhiukkasten toksisuuden testausmenetelmät MAIJA-RIITTA HIRVONEN, KTL/KY Päätavoite: Kehittää toksikologinen testausmenetelmä bioenergian tuotannossa ja käytössä syntyvien pienhiukkaspäästöjen terveydelle haitallisten ominaisuuksien arvioimiseksi. Menetelmä luodaan osaksi uusien teknologioiden kehitystyötä edistämään väestön terveyden kannalta turvallista käyttöönottoa ja päästöjen seurantaa.

21 Terveysvaikutukset Terveyshaitoista kertovat pienhiukkasten toksisuuden testausmenetelmät MAIJA-RIITTA HIRVONEN, KTL/KY

22 Työympäristön riskit ja turvallisuus bioenergian tuotannossa ja käytössä PERTTI PASANEN, KY; yhteistyöttl Tavoitteet: Kehittää eri bioenergian tuotantoketjuille soveltuvat työturvallisuusriskien arviointi- ja hallintatekniikat Tuottaa tietoa keskeisistä työperäisistä altisteista ja altistumistilanteista Kehittää menetelmiä uusien energiaraaka-aineiden työterveysriskien toteamiseksi Työympäristön riskianalyysi: Vaarojen tunnistaminen Vaaran arviointi fysikaaliset vaaratekijät ergonomia, tapaturmat kemialliset & biologiset altisteet Terveysvaikutukset Toimenpiteiden suunnittelu Vaaran poistaminen tai vähentäminen

23 Ympäristö- ja terveysriskien analyysi ja alueellinen mallittaminen Alueellinen mallittaminen MIKKO KOLEHMAINEN, KY; yhteistyö VTT; IL; KTL, SYKE Tavoitteet: Kehittää paikkatietoon perustuvaa alueellista bioenergian käytön ja vaikutusten mallintamista (skenaariot) Kehittää edelliseen liittyvää monitavoitteista optimointia (kustannukset, terveys-, ilmasto- ja ympäristövaikutukset) Vastauksia haetaan mm. kysymyksiin: Onko biopolttoaineen jalostaminen parempi tehdä pienissä yksiköissä vai muutamissa suurissa? Mikä on vaikutuksiltaan paras yhdistelmä eri bioraaka-aineiden käyttötapoja? Mitä vaikutuksia bioenergian tuottamisella on tarkasteltavan alueen maankäyttöön?

24 Ympäristö- ja terveysriskien analyysi ja alueellinen mallittaminen Alueellinen mallittaminen MIKKO KOLEHMAINEN, KY

25 Ympäristö- ja terveysriskien analyysi ja alueellinen mallittaminen Ilmasto- ja terveysriskien analyysi JOUNI TUOMISTO, KTL Tavoitteet: Kehittää tietojärjestelmä, joka mahdollistaa laskentamallien tulosten keräämisen yhdenmukaiseen tietokantaan Mallintaa maakunnallisen bioenergiantuotannon terveys- ja ilmastovaikutuksia Kerätä tietoa ja näkemyksiä sidosryhmiltä Julkaista saadut tulokset avoimina riskinarviointeina internetissä Kehitetään tietojärjestelmiä bioenergiankäytön riskianalyysien tekemiseen ja hyödyntämiseen.

26 Bioenergian lisäysvaihtoehtojen vertailu päästöt, ilmanlaatu ja terveys Tavoite Selvitetään, miten bioenergiaa voidaan lisätä siten, että ympäristö- ja terveysvaikutukset ovat mahdollisimman vähäiset. Tavoitteena on edistää mahdollisimman haitattomien bioenergiantuotanto-tekniikoiden kehitystä ja käyttöönottoa = bioenergian lisäysvaihtoehtojen optimointi

27 Bioenergian lisäysvaihtoehtojen optimointi Altistuminen: Päästölähteet: Kattilatyyppi Polttoaine Puhdistuslaitteet Kaasut PM2.5, PM1, PM0.1 Kemia Leviäminen ja muutunta: Lämmitys Sähköntuotanto Liikenne Muu Pitoisuudet hengitysilmassa Keuhkodepositio PM2.5, PM1, PM0.1 Kemia Ilmanlaatu Terveys Ilmasto Vaikutukset Optimointi

28 :n työpakettien johtajat Ympäristötieteen laitos: Prof. Maija-Riitta Hirvonen (KY/KTL) Prof. Toini Holopainen Prof. Jorma Jokiniemi (KY/VTT) Dos. Jorma Joutsensaari Prof. Mikko Kolehmainen Prof. Pertti Martikainen Dos. Pertti Pasanen Fysiikan laitos: Prof. Kari Lehtinen (KY/IL) THL Ympäristöterveyden osasto: Dos. Raimo O. Salonen Dos. Jouni Tuomisto Yhteystiedot: Prof. Jorma Jokiniemi, KY p Kansanterveystieteen laitos: Prof. Juha Pekkanen (KY/KTL)