Biopolttoaineiden lisäämismahdollisuudet kaukolämmöntuotannossa pienen kokoluokan tuotantolaitoksissa Lahden seudulla

Transkriptio

1 Aaltoyliopisto Teknillinen korkeakoulu Lahden keskus IMMU Paikallisilla teoilla ilmastonmuutoksen hillintään Diplomityö Markus Nurmiainen 2010 Biopolttoaineiden lisäämismahdollisuudet kaukolämmöntuotannossa pienen kokoluokan tuotantolaitoksissa Lahden seudulla

2 Tiivistelmä Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Ympäristötekniikan koulutusohjelma Markus Nurmiainen Biopolttoaineiden lisäämismahdollisuudet kaukolämmön tuotannossa pienen kokoluokan tuotantolaitoksissa Lahden seudulla Diplomityö sivua, 29 kuvaa, 40 taulukkoa ja 8 liitettä Tarkastajat: Professori Risto Soukka DI, Hemmo Takala Hakusanat: ilmastonmuutos, kasvihuonekaasupäästö, kaukolämmitys, biopolttoaine, elinkaariarviointi, lämpölaitos Tämä diplomityö on tehty IMMUhankkeeseen, jossa selvitetään konkreettisia keinoja ilmastonmuutoksen hillintään Lahden seudulla. Diplomityössä tarkastellaan mahdollisuuksia lisätä biopolttoaineita pienen kokoluokan kaukolämmön tuotantolaitoksissa. Teoria osuuden pohjalta luodaan skenaariot Nastolaan ja Vääksyyn (Asikkala). Skenaarioissa tarkastellaan biopolttoaineiden lisäämisen vaikutuksia kasvihuonekaasu ja hiukkaspäästöihin käyttämällä elinkaariarviointimenetelmää. Taloudellisia seikkoja tarkastellaan laskemalla takaisinmaksuaikoja eri biolaitosratkaisuille nettonykyarvomenetelmällä. Tutkimuksen tuloksena saatiin, että kasvihuonekaasupäästöt tuotannon elinkaaren ajalta vähenevät eniten tuottamalla kaukolämmön perustuotanto Nastolassa ja Vääksyssä bio CHPlaitoksella haketta polttamalla. Kiinteitä biopolttoaineita poltettaessa tulevat kuitenkin suurimmat hiukkaspäästöt, mikä vaikuttaa asuinympäristön viihtyvyyteen tuotantolaitoksen läheisyydessä. BioCHPlaitoksen investointikustannukset ovat suurimmat ja takaisinmaksuaika pisin. Nastolan kulutusperusteisiä päästöjä pystytään vähentämään eniten investoimalla biolämpölaitokseen tai biochplaitokseen. Päästöjä Nastolassa pystyttäisiin kyseisillä investoinneilla vähentämään enimmillään 6,4 %. Lahti energian kokonaispäästöjä pystyttäisiin enimmillään vähentämään noin 1,6 %. Johtopäätöksenä tutkimuksesta voidaan sanoa, että kasvihuonekaasupäästöjä pystytään vähentämään investointien avulla. Toiset ratkaisut ovat vain kalliimpia kuin toiset. Lisäksi kiinteitä biopolttoaineita käytettäessä jotkut polttoominaisuudet voivat heiketä esim. verrattuna maakaasun polttoon. Biopolttoaineiden lisäämisellä kuitenkin päästään irti riippuvuudesta fossiilisiin polttoaineisiin kuten öljyyn ja maakaasuun. Investointeja tehdessä on vaikea sanoa suoraan, mikä vaihtoehto on paras tapa tuottaa kaukolämpöä. Investointipäätöksiä tehdessä päätökseen vaikuttaa se, mitä tuotannon ominaispiirteitä painotetaan eniten.

3 Abstract Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Degree Programme of Environmental Technology Markus Nurmiainen Opportunities to increase the utilization of biofuels in small scale district heating plants in Lahti region Master s Thesis pages, 29 figures, 40 tables and 8 appendices Examiners: Professor Risto Soukka M. Sc. Hemmo Takala Keywords: climate change, greenhouse gas emission, district heating, biofuel, life cycle assessment, heating plant This research is a part of IMMUproject, which examines concrete methods to restrain climate change in Lahti region. This study examines possibilities to increase the utilization of biofuels in district heating production in small scale plants. Biofuel increasing scenarios in Nastola and Vääksy (Asikkala) are created based on theory of this thesis. The affects on greenhouse gas and dust emissions by increasing biofuels in the scenarios are examined by using life cycle assessment method. Economical points are considered by calculating the repayment periods with present value method for the different bioplant investments. The greenhouse gases in Nastola and Vääksy are decreasing the most by producing district heating basic production in CHPplant by combusting wood chips. However the biggest dust emissions are caused by using solid biofuels, which has an influence on attractive living environment in the vicinity of the plant. The investment cost is the biggest and the repayment period is longest for the biochpplant investment. Consumption based emissions can be reduced the most, 6,4 %, in Nastola by investing in biochpplant or bio heating plant. Lahti Energia Ltd s emissions from the district heating production could be most reduced 1,6 %. This research concludes there is possibility to reduce greenhouse gas emissions by investing district heating plants which are using biofuels. Other technology solutions are more expensive than the others. In addition some characteristics of combustion are degrading by using solid biofuels for example compared to combustion of natural gas. However by utilizing biofuels we can get rid of from dependence on imported fossil fuels e.g. oil or natural gas. It is difficult to say directly which way is the best to produce district heat. The production characteristics, which are weighted most in decisionmaking process, have a critical influence on the final decision of the investment.

4 Sisällysluettelo Tiivistelmä Abstract Alkusanat Merkintäluettelo 1 Johdanto Työn tausta Ilmastonmuutos IMMUhanke Kansalliset ja paikalliset tavoitteet Työn tavoitteet ja rajaukset Työn rakenne Biopolttoaineiden hyödyntämismahdollisuudet kaukolämmön tuotannossa Biopolttoaineet kaukolämmön tuotannossa Biopolttoaineiden nykykäyttö ja ominaisuudet Puuperäiset polttoaineet Biokaasu Peltobiomassat Jätepolttoaineet Biopolttonesteet Biopolttoaineiden kilpailukyky ja lämmöntuotannon kustannusjakauma Biomassakattilat Tekninen suorituskyky ja taloudellisuus Arinapoltto Kaasutuspoltto Leijutuspoltto Pienen kokoluokan CHPlaitos Uudet teknologiat Vanhat teknologiat Hajautetun energiantuotannon rooli kaukolämmön tuotannossa Hajautettu energiantuotanto osana kaukolämpöjärjestelmää Hajautetun energiantuotannon määritelmä Lämmön tarve kaukolämpöjärjestelmässä Tuotantolaitosten mitoitus ja roolit tehoryhmittäin Perustehon tuotanto Huipputehon tuotanto Varatehon tuotanto Hajautetun tuotannon kehitystä hidastavat tekijät ja mahdolliset edistystoimet Hajautettu vs. keskitetty tuotanto Tukitoimet ja verot Tutkimusmenetelmä Kaukolämmöntuotanto Lahdessa ja biopolttoaineiden saatavuus Kaukolämmön tuotanto Lahden seudulla Ominaispiirteet...38

5 5.1.2 Lahti Hollola Nastola Asikkala (Vääksy) Biopolttoaineiden saatavuus Lahden seudulla Puuperäiset polttoaineet Peltobiomassat Skenaariot Yleistä Case Nastola Nykytilanne Biolämpölaitosskenaario BioCHPskenaario Siirtoputkiskenaario Case Asikkala (Vääksy) Nykytilanne Biolämpölaitosskenaario BioCHPskenaario Tulokset Case Nastola Kasvihuonekaasupäästöt Taloudelliset näkökohdat Case Vääksy Kasvihuonekaasupäästöt Taloudelliset näkökohdat Tulosten tarkastelu Herkkyystarkastelu Vaikutukset Nastolan kunnan ja Lahti Energian päästöihin Johtopäätökset ja yhteenveto Lähdeluettelo Liiteluettelo

6 Merkintäluettelo Lyhenteet AFC CHP CO 2 ekv. k KPA LPG MCFC Mk PAFC PEMFC POK POR Pö REF RMW rpm SOFC UNFCCC alkaalipolttokenno sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitos hiilidioksidiekvivalentti kiinto kiinteän polttoaine nestekaasu sulakarbonaattipolttokenno maakaasu fosforihappopolttokenno polymeeripolttokenno kevyt polttoöljy raskas polttoöljy polttoöljy kierrätyspolttoaine, recovered fuel, rypsimetyyliesteri pyörimisnopeus, rounds per minute kiinteäoksidipolttokenno YK:n ilmastonmuutosta koskea puitesopimus Yhdisteet CH 4 CO CO 2 N 2 O NO x SO 2 metaani hiilimonoksidi hiilidioksidi typpioksiduuli, ilokaasu typpioksidi rikkidioksidi Alaindeksit e th sähkö terminen

7 1 Johdanto 1.1 Työn tausta Ilmastonmuutos Ilmastonmuutoksella tarkoitetaan ihmisen toiminnasta johtuvaa, ilmakehän lisääntyvästä kasvihuonekaasupitoisuudesta aiheutuvaa globaalista ilmaston lämpenemistä. Ilmastonmuutos johtuu siitä, että maapallon säteilytasapaino on muuttunut paljon viime vuosikymmenten aikana. Maan säteilytase tarkoittaa maahan tulevan auringonsäteilyn ja maasta lähtevän heijastuneen ja lämmöstä syntyvän säteilyn välistä tasetta. Osa maan ilmakehään saapuvasta säteilystä heijastuu suoraan pois, osa lämmittää meriä ja maata. Osa tästä maahan absorboituneesta lämmöstä poistuu maapallolta pitkäaaltoisena lämpösäteilynä. Tasapainotilassa maapallolle tulee yhtä paljon säteilyenergiaa kuin lähtee. Säteilyn heijastuminen takaisin avaruuteen on vähentynyt, koska kasvihuonekaasupäästöjen määrä ilmakehässä on lisääntynyt. Kasvihuonekaasut estävät säteilyn heijastumisen takaisin avaruuteen, mutta eivät estä säteilyn tuloa maapallolle. Tämä ilmiö aiheuttaa siten ilmaston lämpenemistä. (Ympäristöministeriö 2003, 7.) Ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi on tehty erilaisia sopimuksia ja strategisia linjauksia niin maailmanlaajuisesti kuin paikallisella tasollakin. Tärkein ilmastonmuutokseen hillintään liittyvä sopimus on YK:n ilmastonmuutosta koskeva puitesopimus (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC) eli ns. ilmastosopimus. Vuonna 1994 voimaan astuneen ilmastosopimuksen tärkein tavoite on vakiinnuttaa ilmakehän kaasujen määrä sellaiselle tasolle, joka estää ihmiskunnan vaarallisen vaikutuksen ilmastoon. (Ympäristöministeriö 2003, 13.) IMMUhanke Tämä diplomityö on tehty osana IMMUhanketta, jonka tavoitteena on selvittää Lahden alueella konkreettisia keinoja ilmastonmuutoksen hillintään. Hankkeella tuetaan Lahden seudullisen ilmastoohjelman tekemistä ja kehittämistä. Ilmastoohjelmassa keskitytään juuri niihin ilmastonmuutosta hillitseviin toimiin, jotka ovat kunnan päätäntävallassa. Lisäksi tuotetaan ajankohtaista informaatiota ilmastonmuutokseen vaikuttavista kunnallisista toimista. Hanke toteutetaan yhteistyönä Aalto Yliopisto Lahden keskuksen, Lahden teknisen ympäristötoimialan, Lahti Energia Oy, PäijätHämeen Jätehuolto Oy:n, Lahden kaupunkiseudun hankintatoimen ja PäijätHämeen kuntaorganisaatioiden kanssa. IMMUN keskeisinä tavoitteina on luoda ilmastonmuutoksen paikallista hillintää tukevaa tutkimus ja selvitysaineistoa päijäthämäläisten kuntien, päättäjien ja asukkaiden tarpeisiin. IMMUhankkeen yhtenä tavoitteena on selvittää, mikä on kaukolämmön merkitys ilmastonmuutoksen hillinnässä Lahden seudulla. Tarkastelussa huomioidaan erityisesti kaukolämmön tuotantoon käytetty polttoaine, polttotekniikka ja tuotantoyksikön koko. (Aalto Yliopisto Lahden Keskus 2009.) Kansalliset ja paikalliset tavoitteet Valtioneuvosto hyväksyi Suomen uuden ilmasto ja energiastrategian, joka käsittelee ilmasto ja energiapoliittisia toimenpiteitä vuoteen 2020 ja viitteenomaisesti aina vuoteen 2050 asti. Strategian mukaan kasvihuonekaasupäästöjen pitäisi vähentyä 20 % vuoden 1990 tasosta. Lisäksi strategiassa on asetettu % päästövähennystavoite vuoteen 2050 mennessä. Energiatehokkuutta tulisi nostaa 20 % vuoteen 2020 mennessä. Uusiutuvan energian osuus EU:ssa tulisi olla keskimäärin 20 % loppukulutuksesta vuonna 2020: Suomella 38 %. Työ ja elinkeinoministeriön tiedotteen mukaan strategia osoittaa selkeästi, että Euroopan komission Suomelle ehdottamia päästöjen vähentämistavoitteita, uusiutuvan energian edistämistavoitteita tai energiakäytön tehostamistavoitteita ei saavuteta ilman mer 6

8 kittäviä uusia ilmasto ja energiapoliittisia toimenpiteitä. Ilman uusia toimenpiteitä Suomen kasvihuonekaasupäästö olisivat vuonna 2020 noin 20 % vuoden 1990 päästöjä korkeammalla. Kasvu aiheutuisi yksinomaan energiantuotannon ja teollisuuden päästöistä. (Työ ja elinkeinoministeriö 2008a, 37,40.) Paikallisella tasolla Hämeessä on laadittu Hämeen Ympäristöstrategia (tarkistus valmistui ), jonka tavoitteet ja linjaukset on tarkoitettu sisällytettäväksi kaikkiin Kanta ja PäijätHämeen alueella toimivien valtion viranomaisten, kuntien ja muiden yhteisöjen laatimiin strategioihin. Strategian tavoitteena on, että Häme vastaa osaltaan ilmastonmuutoksen hillinnästä niin, että vuoteen 2020 mennessä kasvihuonekaasupäästöt Hämeessä vähenevät 20 % vuoden 1990 tasosta. Lisäksi uusiutuvan energian osuus tulee nostaa vähintään 20 % tasolle Hämeen energian kulutuksesta ja tuotannosta. (Lahden tekninen ja ympäristötoimiala 2009, 5.) Hollolan, Lahden ja Nastolan yhteisessä ympäristöstrategiassa tavoitteena on, että seudun kasvihuonekaasupäästöt ovat vuonna 2015 samalla tasolla kuin vuonna Kioton pöytäkirjan mukaista kahdeksan prosentin kasvihuonekaasupäästö vähentämistavoitetta vuoteen 2012 mennessä ei kuitenkaan tällä vähentämistavoitteella saavuteta. (Lahden tekninen ja ympäristötoimiala 2009, 8.) Lahden kaupungin oman ympäristöstrategian luonnoksessa päästövähennystavoitteeksi on esitetty 50 % vuoteen 2025 mennessä vuoden 1990 tasosta. Kyseisen tavoitteeseen päästäkseen Lahden on vähennettävä kasvihuonekaasupäästöjään yhteensä 67 % tämän hetkisestä tasosta. (Lahden tekninen ja ympäristötoimiala 2009, 8.) 1.2 Työn tavoitteet ja rajaukset Työn tavoitteena on selvittää, millaisia mahdollisuuksia on lisätä biopolttoaineiden käyttöä pienen kokoluokan kaukolämmön tuotantolaitoksissa Lahden seudulla. Työssä tutkitaan, mitä biopolttoaineita kaukolämmöntuotantoon on saatavilla PäijätHämeessä ja mikä on kyseisten polttoaineiden kilpailukyky. Lisäksi tavoitteena on kartoittaa mahdolliset biopolttoaineiden polttotekniikat sekä tutkia kyseisten tekniikoiden kilpailukykyä ja teknistä käytettävyyttä. Lisäksi pohditaan myös millaisilla keinoilla hajautettua energiantuotantoa voidaan edistää ottaen huomioon hajautetun tuotannon edut, haitat, mahdollisuudet ja haasteet. Lisäksi työssä käsitellään pienen kokoluokan tuotantolaitosten roolia kaukolämpöjärjestelmässä: millaisia erilaisia voimalaitostyyppejä on ja miten kyseisiä voimalaitoksia käytetään. Paikallisella tasolla tämän työn tavoitteena on selvittää, millaisia mahdollisuuksia on hillitä ilmastonmuutosta Lahden seudun (Lahti, Nastola, Hollola ja Asikkala) lisäämällä biopolttoaineita hajautetussa kaukolämmöntuotannossa teknillistaloudelliset seikat huomioon ottaen. Hajautettuun kaukolämmöntuotantoon tässä työssä määritellään huippu ja varavoimalaitokset sekä pienimuotoiset peruslämmöntuotantolaitokset. Lyhyesti sanottuna hajautettuun kaukolämmöntuotantoon tässä tapauksessa kuuluvat kaikki muut voimalaitokset lukuun ottamatta Kymijärven lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitosta. Työssä kartoitetaan biopolttoaineet, joita on saatavilla Hämeen alueella suhteellisen lyhyeltä etäisyydeltä teknillistaloudellisesti. Mahdollisten biovoimalaitosten paikat kartoitetaan Lahden seudulta ottaen huomioon kaukolämpöverkon ominaispiirteet juuri kyseiseltä alueelta. Eri paikkavaihtoehtoista luodaan biopolttoaineen hyödyntämisskenaariot, joita tarkastellaan elinkaariarvioinnin avulla. Elinkaariarvioinnin avulla eri skenaarioista saadaan tuloksena taloudelliset vaikutukset sekä vaikutukset kasvihuonekaasupäästöihin. Elinkaariarvioinnissa käytetään apuna Gabielinkaariarviointiohjelmaa. Työn tarkoituksena on toimia apuna päätöksentekijöille tehtäessä päätöksiä esim. investoinneista, jotka edesauttaisivat ympäristömyönteisemmän energian tuotannon kehitystä. Lisäksi 7

9 tutkimuksen pohjalta voidaan laatia kuntalaisille ja päätöksentekijöille informatiivisia tiedotteita kaukolämmön merkityksestä ilmastonmuutoksen hillitsemisessä. 1.3 Työn rakenne Tämä työ etenee taustoittavan teoriaosuuden kautta casetutkimukseen ja sen tulosten tarkasteluun ja esittelyyn. Luvussa kaksi käydään läpi mahdolliset biopolttoaineet ja biomassakattilatyypit kaukolämmöntuotantoon sekä mahdollisuudet hyödyntää eri teknologioita pienimuotoisessa sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Teknisen soveltuvuuden lisäksi polttoaineita ja tekniikoita käsitellään myös taloudellisesta näkökulmasta. Luvussa kolme tarkastellaan hajautetun energiantuotannon roolia kaukolämmön tuotannossa. Kappaleessa käydään läpi tuotantolaitosten roolit ja mitoitukset tehoryhmittäin. Lisäksi selvitetään hajautetun energiantuotannon haasteita, mahdollisuuksia ja hidastavia tekijöitä sekä näkymiä tulevaisuudessa. Luvussa neljä käsitellään käytettävää tutkimusmenetelmää. Luvussa kerrotaan yleisesti elinkaarimallinnuksesta ja sen eri osioista. Lisäksi kerrotaan miten elinkaariarviointi toteutetaan ja mitkä ovat arvioinnin tavoitteet ja rajaukset. Luvussa viisi käsitellään Lahden alueen kaukolämmöntuotantoa ja sen erityispiirteitä. Luvussa käsitellään tuotantomääriä, polttoaineita ja päästöjä. Tarkemmin tuotantolaitoksia käsitellään erikseen paikkakunnittain. Lisäksi tutkitaan biopolttoaineiden saatavuutta Lahden seudulla. Luvussa kuusi esitellään eri biopolttoaineiden lisäämisskenaariot Nastolaan ja Vääksyyn. Luvussa seitsemän esitellään elinkaariarvioinnista saadut tulokset. Työn lopuksi esitetään tulosten tarkastelu ja johtopäätökset. Työn tekstiosan jälkeen mainitaan työssä viitatut liitteet. 2 Biopolttoaineiden hyödyntämismahdollisuudet kaukolämmön tuotannossa 2.1 Biopolttoaineet kaukolämmön tuotannossa Suomessa kaukolämpöä tuotetaan yhdistetyissä lämmön ja sähkön tuotantolaitoksissa sekä erillisissä lämpökeskuksissa. Energiateollisuus ry:n mukaan kaukolämmön tuotanto oli vuonna 2008 yhteensä 31,1 TWh. Yhteistuotannon osuus tästä oli noin 75 % ja loppu neljännes tuotettiin erillisissä lämpökeskuksissa. (Energiateollisuus ry 2009b.) Vuonna 2008 kaukolämmön ja siihen liittyvään sähkön tuotantoon käytettiin polttoaineenergiaa kaikkiaan noin 54 TWh. Polttoainejakauma kaukolämmön ja siihen liittyvän sähkön tuotannossa voidaan nähdä tarkemmin kuvasta 1. Polttoaineista eniten käytettiin maakaasua, jonka osuus oli 37,2 %. Biopolttoaineiden osuus käytetyistä polttoaineista oli 13,3 %. Tärkeimpinä puupolttoaineina olivat metsäpolttoaine ja teollisuuden puutähde, joiden osuus yhteensä oli 12,3 %. Loppu bioenergiasta tuotettiin muilla biopolttoaineilla, joihin kuuluu esimerkiksi jätepolttoaineet ja biokaasu. (Energiateollisuus ry 2009a, 4.) 8

10 18,3 12,2 3,4 1 4,2 37,2 Maakaasu Kivihiili Turve Puu Muut biopolttoaineet Öljy Muut 23,7 Kuva 1. Kaukolämpöön ja siihen liittyvään sähkön tuotantoon käytettyjen polttoaineiden prosentuaaliset osuudet vuonna 2008 (Energiateollisuus ry 2009c) Puuenergia ry:n mukaan paikallisilla biopolttoaineilla voidaan tuottaa huomattava osa tarvitsevastamme lämpö ja sähköenergiasta. Kotimaisen energian saatavuus ja toimintavarmuus on hyvä ja biopolttoaineiden hintakehitys on vakaa verrattuna tuontipolttoaineisiin, joihin kohdistuu useita globaaleja saatavuus ja hintariskejä. Lisäksi biopolttoaineiden käytöllä saadaan alennettua päästökaupan aiheuttamia lisäkustannuksia sen sijaan, että päästöoikeuksia ostettaisiin ulkomailta valtion toimesta. Paikallisista polttoaineista merkittäväin kasvupotentiaali on metsähakkeella, pelleteillä, peltoenergialla ja biotähteillä. Maassamme on nykyisin yli 400 biopolttoaineita pää tai sivupolttoaineena käyttävää keskikokoista tai suurta kattilalaitosta. Lisäinvestointipotentiaalia on kuitenkin runsaasti eri puolilla maatamme. (Puuenergia ry, 3, 4.) VTT:n tekemän tutkimuksen mukaan biopolttoaineiden käytön lisäämisen suurimpana esteenä aikaisemmin on ollut biopolttoaineiden hinta ja investointikustannukset fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. Kuitenkin viime vuosina biopolttoaineiden kilpailukyky on parantunut kiristyneistä päästövaatimuksista ja muiden polttoaineiden hinnan kallistumisesta johtuen. Lisäksi energiantuotantoteknologiat ovat kehittyneet, joten biopolttoaineita pystytään hyödyntämään yhä energiatehokkaammin. (VTT 2008, 32.) Suomen bioenergiaosaaminen ja teknologia ovat maailman huippua samalla kuin bioenergian kansainväliset markkinat kasvavat nopeasti. Markkinoille tarvitaan uusia moderneja kotimaisia referenssejä sekä uusinvestointeja energian ja biopolttoaineiden tuotantoon. Esimerkkinä uusista teknologian kehitysalueista ovat pienen kokoluokan paikalliset sähköä ja lämpöä tuottavat laitokset. Tuloksekas tuotekehittely kotimaan markkinoilla voi johtaa menestykseen vientimarkkinoilla, joten yhteiskunnan kannattaa tukea kotimaisia investointeja uuteen teknologiaan. (Puuenergia ry, 3.) Vuoteen 2020 mennessä kansainvälisesti ja kansallisesti tähdätään merkittävään hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen, uusiutuvien energialähteiden käytön lisäämiseen sekä energiatehokkuuden parantamiseen (Energiateollisuus ry 2008, 1). Energiaalalla tulee olemaan merkittävä rooli näihin tavoitteisiin pääsemisessä. Kaukolämpöalalla biopolttoaineiden lisääminen näyttää olevan paras ratkaisu kiristyviin päästövaatimuksiin ja uusiutuvan energian käytön lisäämisen vaatimuksiin. (VTT 2008, 32.) 9

11 Energiateollisuus ry:n mukaan nykyään kaukolämpöyrityksillä menee hyvin, liittymishalukkuus on korkealla ja kasvu nopeaa. Kuitenkin kaukolämpöalaa on kritisoitu itsetyytyväisyydestä ja kehityksen pysähdyksestä. Kritiikin taustalla on huoli siitä, että kaukolämpöala ei pysy mukana kehityksessä ja kilpailussa. Biopolttoaineiden käytön lisäämisellä ala pystyisi kehittämään toimintaansa ja vastaamaan saamaansa kritiikkiin. Kehityksen avulla kaukolämmityksestä tulisi entistä ympäristöystävällisempi lämmitysmuoto ja sen kilpailukyky muihin, pitkällä tähtäimellä ei yhtä energiatehokkaisiin, lämmitysmuotoihin paranisi. Lisäksi ihmisten asenteet ovat muuttumassa ekologiset seikat tiedostavampaan suuntaan, joten ilmastonmuutoksen torjuminen kasvihuonekaasuja vähentämällä parantaa kaukolämmityksen mainetta asiakkaiden silmissä. (Energiateollisuus ry 2008, 1.) 2.2 Biopolttoaineiden nykykäyttö ja ominaisuudet Puuperäiset polttoaineet Metsäntutkimuslaitoksen mukaan vuonna 2008 Suomessa käytettiin lämpö ja voimalaitoksissa kiinteitä puupolttoaineita kaikkiaan noin 14,3 miljoonaa kiintokuutiometriä. Kiinteiden puupolttoaineiden energiasisältö oli 27 TWh, joka on kolmannes kaikesta puuenergiasta ja seitsemän prosenttia kaikkien energialähteiden kokonaiskulutuksesta. (Metsäntutkimuslaitos 2009, 1.) Taulukosta 1 nähdään kiinteiden puupolttoaineiden käyttömäärien kehitys lämpö ja voimalaitoksissa vuosina Taulukko 1. Kiinteiden puupolttoaineiden käyttö lämpö ja voimalaitoksissa (Metsäntutkimuslaitos 2009, 1) Ener Puupolttoaine [milj. m 3 ] giasi sältö 2008 [TWh] Metsähake 0,79 0,96 1,27 1,72 2,31 2,61 3,06 2,66 4,03 8,04 Metsäteollisuuden 11,04 10,94 11,33 11,13 11,56 10,37 11,03 10,03 9,51 17,68 sivutuotepuu Puupelletit ja 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,04 0,03 0,04 0,05 0,29 briketit Kierrätyspuu 0,17 0,22 0,38 0,53 0,54 0,65 0,66 0,31 0,73 1,35 Käyttö yhteensä 12,02 12,15 13,01 13,39 14,43 13,66 14,78 13,04 14,34 27,36 Metsäntutkimuslaitoksen mukaan vuonna 2008 puupolttoaineista metsähakkeen käyttö kasvoi eniten. Yhteensä haketta käytettiin 4,0 milj. m 3, joka on uusi metsähakkeen käytön ennätys. Kasvua vauhdittivat kahden edellisen sadekesän aiheuttama polttoturpeen niukkuus ja metsäteollisuuden supistumisesta johtunut sivutuotepuun tuotannon väheneminen. (Metsäntutkimuslaitos 2009, 1.) Metsähakkeen osuuden arvioidaan kasvavan varsinkin kaukolämmön tuotannossa, koska pellettien valmistus vie merkittävän osan aiemmin kaukolämpösektorille ohjautuneista metsäteollisuuden sivutuotteista (Asplund et. al. 2005, 15). Pitkän aikavälin ilmasto ja energiastrategian tavoitteena on metsähakkeen käytön lisääminen energian tuotannossa ja raakaaineena teollisuudessa runsaaseen 12 miljoonaan kiintom 3 vuoteen 2020 mennessä. Asplund et. al. mukaan metsähakkeen käytön suurin lisäys 10

12 mahdollisuus on teollisuuden ja kaukolämpöä ja sähköä tuottavissa laitoksissa. Pieniä, 310 MW:n lämpökuormille rakennettavia CHPlaitoksia on mahdollista rakentaa sekä teollisuuteen että yhdyskuntiin seuraavan 10 vuoden aikana kappaletta. (Asplund et. al. 2005, 15.) Metsähakkeen käytön lisääntymiselle voi kuitenkin muodostu esteeksi alan heikosta kannattavuudesta johtuva pula metsäkone ja kuljetusyrittäjistä. Valtio tukeekin metsähakkeen käyttöä veroratkaisuilla sekä investointi ja tuotantotuilla, jotta energiapuun korjuulle voidaan taata riittävä kannattavuus yrittäjien näkökulmasta. (Motiva 2009.) (Työ ja elinkeinoministeriö 2008b.) Haketta käytettäessä polttoaineelle oleellisia ominaisuuksia ovat kosteus, tehollinen lämpöarvo, palakoko ja irtokuutiometrin tiheys. Kosteutta voidaan pitää tärkeimpänä, koska se vaikuttaa suoraan hakkeen lämpöarvoon ja siitä saatavaan energiahyötyyn (Motiva 2009). Mitoituskosteuksia korkeampien polttoaineiden käyttö aiheuttaa tehorajoituksia kattilalla varsinkin talvella, jolloin lämpökuorman pitäisi olla suurimmillaan. Toisaalta kesällä polttoaineen alhainen kosteuspitoisuus aiheuttaa ongelmia kattilan lämpötilan hallitsemisessa (VTT 2002b, 30). Lisäksi polttokattilan koko ja ominaisuudet vaikuttavat siihen, millaista haketta siinä voidaan käyttää. Alle 1 MW:n laitoksissa kosteusprosentti ei saisi ylittää 40 %. Tuoreen puun kosteus on yleensä % (Motiva 2009). Tehollinen lämpöarvo metsähakkeella on 69 MJ/kg (Finbioenergy 2005). Puupellettien ja brikettien käyttö voima ja lämpölaitoksissa on vielä hyvin vähäistä. Metsäntutkimuslaitoksen mukaan niitä käytettiin vuonna 2008 yhteensä tonnia, joka vastaa energiasisällöltään 0,29 TWh (Metsäntutkimuslaitos 2009, 2). Suomessa puupellettien tuotantoa vaivasi raakaainepula, mikä johti uusien tehdashankkeiden viivästymisiin ja pellettitehtaiden sulkemisiin. Kuitenkin Suomessa tuotetuista puupelleteistä meni vientiin 60 %, ja samalla myös puupellettien tuonti kasvoi merkittävästi. Kaukolämmöntuotannossa pellettien yhtenä käyttökohteena voisi olla huippu ja varavoimakattilat, jotka nykyään käyttävät pääosin fossiilisia polttoaineita. Pelleteillä voitaisiin esimerkiksi korvata tukipolttoaineena käytettävää öljyä, jonka osuus vuonna 2008 kaukolämmön erillistuotannon polttoaineista oli 15,2 %. Pelletit sopivat myös hiilipölykattiloiden seospolttoaineeksi, mistä on paljon kokemusta sekä Tanskasta että Ruotsista. Pellettien toinen merkittävä käyttökohde Suomessa on polttoaineseoksen laadun parantaminen ja tasaus kiinteätä kotimaista polttoainetta käytettäessä. (Energiateollisuus ry 2009a.) (Finbio 2009, 16.) Asplund et. al. mielestä pellettien kotimaisen käytön saaminen tähänastista nopeampaan kasvuun edellyttäisi kilpailukyvyn parantamista kevyen polttoöljyn veron korottamisella (Asplund et. al. 2005, 15). Esimerkiksi Ruotsissa ja Tanskassa pellettien kilpailukyky on Suomea parempi, koska siellä fossiilisten polttoaineiden verotus on ankarampaa ja uusiutuvaa sähköntuotantoa tuetaan enemmän (Pellettienergia 2009). Tulevaisuudessa pellettien raakaaineena voi olla myös kuori, metsähake, turve tai mahdollisesti myös erilaiset polttoaineseokset. (Asplund et. al. 2005, 14, 15.) Pelletti on polttoaineominaisuuksiltaan hieman erilaista kuin hake. Pelletti on tasalaatuista ja sillä on suuri energiatiheys, joten pienellä pellettiosuudella voidaan parantaa laitoksen suorituskykyä varsinkin silloin kun puu on huonolaatuista tai kosteaa. Lisäksi pelletin käytettävyys polttoaineena on hyvällä tasolla. Lämmöntuottotehoa pystytään helposti säätämään kulutuksen perusteella ja energiantuotossa päästään nopeasti ylös. (Energiateollisuus ry 2009a.) (Finbio 2009, 16.) Biokaasu Biokaasu on kaasuseos, joka sisältää tavallisesti % metaania ja % hiilidioksidia. Sitä muodostuu eloperäisen aineksen hajotessa hapettomissa olosuhteissa. Biokaasulähteestä riippuen biokaasuissa voi olla pieniä pitoisuuksia typpeä ja rikkivetyjä sekä kaatopaikkakaasuissa näitten lisäksi vielä pieniä pitoisuuksia kloori ja fluoriyhdisteitä (VTT 2000, 144.) Biokaasun energiasisältö on noin 57 kwh/m 3. Biokaasun tuottamiseen kontrolloidusti 11

13 on useita teknisiä vaihtoehtoja. Vaihtoehtoina ovat esimerkiksi biokaasureaktorit tai biokaasun keräys kaatopaikoilta pumppaamalla. (Kuittinen et. al. 2009, 7.) (Motiva 2009.) Vuonna 2008 Suomessa tuotettiin biokaasua yhteensä 142,14 milj. m 3. Biokaasun määrä nousi noin 2,5 % edelliseen vuoteen verrattuna. Hyödynnetyn biokaasun määrässä oli myös pientä nousua edellisvuoteen verrattuna hyödyntämisasteen noustessa 69 %:sta noin 72 %:iin. Biokaasulla tuotettiin vuonna 2008 lämpöä 405,5 GWh ja sähköä 56,6 GWh. Biokaasulla tuotettu energiamäärä on alle 1 % Suomessa tuotetusta uusiutuvan energian tuotannosta. (Kuittinen et. al.2009, 7.) Biokaasua voidaan käyttää energiaksi joko polttamalla lämmöksi kaasupolttimessa tai käyttämällä kaasumoottorissa tai turbiinissa. Biokaasun avulla energiaa voidaan tuottaa joko lämpölaitoksella tai CHPlaitoksessa. Kaasun hyödyntäminen lämmöksi vaatii lähellä sijaitsevan lämmön käyttökohteen, jonka energiankulutus on tarpeeksi suuri. Joissakin tapauksissa on mahdollista hyödyntää vanhaa lämpökattilaa vaihtamalla siihen kaasulle sopiva poltin. Lämmöntuotannon hyötysuhde voi olla jopa yli 90 %. Yhdistetyssä sähkön ja lämmöntuotannossa biokaasua voidaan hyödyntää kaasumoottoreissa tai mikroturbiiniyksiköissä, jotka ovat tyypillisesti kokonaisteholtaan noin 100 kw 2 MW. (Latvala 2005, 11.) Suurin osa Suomen biokaasulaitoksista on pieniä yhdistetyn sähkön ja lämmön tuottajia, eli CHPlaitoksia, joissa tuotetaan energiaa laitoksen omaan tai paikalliseen käyttöön (Motiva 2009). Asplund et. al. mukaan biokaasun teknistaloudelliseksi potentiaaliksi on arvioitu yhteensä TWh vuoteen 2015 mennessä. Suurin biokaasupotentiaali on maatalouspuolella, jossa biokaasua voidaan tuottaa eläinlannasta ja oljista. Biokaasun tuotantolaitosinvestointien lisäksi tarvitaan investointeja kulutuspuolelle. Esimerkiksi biokaasun hyödyntämiseen voimalaitoksilla tarvitaan siirtoputki, jos lämmön kulutus ei ole lähellä tuotantopaikkaa. (Asplund et. al. 2005, 20.) Peltobiomassat Peltobiomassaa voidaan hyödyntää energiamarkkinoilla joko kiinteänä polttoaineena tai siitä voidaan jalostaa kaasumaisia tai nestemäisiä polttoaineita kasvilajista riippuen. Elintarviketuotantoon käytettävien kasvien ohella voidaan hyödyntää ns. nonfood (ihmisravintoon kelpaamaton) kasveja, kuten ruokohelpi, sekä nopeakasvuisia puulajeja. (Asplund et. al. 2005, 23.) Suomessa peltobiomassojen hyödyntäminen energiantuotannossa on ollut tähän mennessä hyvin vähäistä, sillä peltoenergiapolttoaineen hinta laitokselle toimitettuna nousee korkeammaksi kuin esim. metsähakkeella. (Motiva 2009.) Olki on perinteisin peltobiomassa, mutta sitä on käytetty kuitenkin varsin vähän energiantuotantoon. Suomen olkisadoksi on arvioitu 2,1 milj. tonnia vuodessa. Tästä kokonaismäärästä noin 20 % voidaan arvioida teknistaloudelliseksi potentiaaliksi, mikä vastaa energiasisällöltään 1,5 TWh. (Finbio 2009, 16.) VTT:n mukaan oljelle sopivia käyttökohteita ovat mm. maatilat ja maaseudun taajamien lämpökeskukset. Oljella ja jyvillä on erilaiset palamisominaisuudet, joten niitä on parempi käyttää erikseen. Oljen hyödyntämisen suurin ongelma on sen vaatima tilavuus, mikä hankaloittaa varastointia ja lisää kuljetuksen kustannuksia. Olki ja puu muistuttavat toisiaan muutamilta ominaisuuksiltaan. Niiden alkuainesisältö ja tehollinen lämpöarvo ovat hyvin samankaltaiset. Olki on kuitenkin puuta ja muita kiinteitä polttoaineita ongelmallisempi polttoaine, koska sillä on pieni energiatiheys ja suuri tuhkapitoisuus. (VTT 2000, 98.) Merkittävämmäksi kiinteää polttoainetta tuottavaksi peltoenergiakasviksi on osoittautumassa ruokohelpi, jonka viljelypintaala on nykyään noin hehtaaria. Vuotuiset käyttömäärät voimaloissa ovat kuitenkin vielä hyvin pieniä, yhteensä alle 100 GWh. Suomen bioenergiayhdistys on asettanut viljelyajan tavoitteeksi ha vuodeksi 2020, mikä vastaa parhaimmillaan 4,5 TWh vuosittaista energiantuotantoa. (VTT 2003, 17.) (Finbio 2009, 16.) 12