BIOPELKISTIMIEN TUOTANNON HIILIDIOKSIDIPÄÄSTÖT, ENERGIANTARVE JA TALOUDELLISUUS

Transkriptio

1 PROSESSI- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO PROSESSIMETALLURGIAN LABORATORIO Hannu Suopajärvi BIOPELKISTIMIEN TUOTANNON HIILIDIOKSIDIPÄÄSTÖT, ENERGIANTARVE JA TALOUDELLISUUS Biomass raw material Thermochemical conversion Bio-based reducing agent Forest chips Industrial chips Energy crops Demolition wood Pulp mill residues Slow pyrolysis Torrefaction Fast pyrolysis Gasification Gasification + Methanation Charcoal Torrefied biomass Bio-oil Synthesis gas Synthetic natural gas Torrefied biomass, charcoal Biomass Coking plant Coal Biocoke BIOREDUCER: BIOMATERIAPOHJAISEN PELKISTYSAINEEN MAHDOLLISUUDET 2013

2 PROSESSI- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO PROSESSIMETALLURGIAN LABORATORIO Hannu Suopajärvi Biopelkistimien tuotannon hiilidioksidipäästöt, energiantarve ja taloudellisuus Bioreducer: Biomateriapohjaisen pelkistysaineen mahdollisuudet

3 ESISANAT Tämä raportti on tehty osana Bioreducer Biomateriapohjaisen pelkistysaineen mahdollisuudet projektia ja kuuluu työpakettiin (WP) 5: Biomateriapohjaisten pelkistinaineiden käytön vaikutusten arviointi. Bioreducer-projekti on Oulun yliopiston prosessimetallurgian laboratorion (PYOMET) koordinoima hanke, joka toteutettiin välisenä aikana. Bioreducer hanke kuului osaksi Tekesin Biorefine-ohjelmaa. Hankkeessa on ollut mukana laaja kirjo pien- ja suuryrityksiä sekä muita yhteistyötahoja. Työn vastuullisena johtajana PYOMET:ssa oli prof. Timo Fabritius. Projektin pääasiallisena tutkijana ja projektipäällikkönä on toiminut Hannu Suopajärvi. Kokeellisessa työssä on ollut mukana Mikko Iljana, Juho Haapakangas ja Tommi Kokkonen. Projektissa mukana olleet yritykset ovat: Gasek Oy, Lassila & Tikanoja Oyj, Mustavaaran Kaivos Oy, Naturpolis Oy, Pohjolan Voima Oy, Rautaruukki Oyj, Sievin biohake Oy ja Suomen biosähkö Oy. Lisäksi mukana on ollut Taivalkosken kunta ja Pohjois-Pohjanmaan liitto sekä Tekes. Projektin aikana johtoryhmätyöskentely oli varsin onnistunutta ja osanotto erittäin aktiivista. Yhteistyö TIE-hankkeen (Taivalkosken Innovatiiviset Energiaratkaisut) kanssa toi Bioreducer-projektiin laajuutta entisestään ja kontakteja laajemmin bioenergian kanssa työskentelevien tahojen kanssa. Bioreducer-projektin vastuullisena johtajana ja projektin vastuullisena tutkijana haluamme kiittää kaikkia projektin osapuolia antoisasta yhteistyöstä. Erityiskiitos kuuluu projektin suurimmalle rahoittajalle, Tekesille, jonka tuki EAKR-rahoituksen muodossa on korvaamaton. Oulussa Prof. Timo Fabritius Hankkeen vastuullinen johtaja DI Hannu Suopajärvi Hankkeen päätutkija 3

4 SISÄLLYSLUETTELO ESISANAT... 3 SISÄLLYSLUETTELO JOHDANTO MATERIAALIT JA METODIT Raaka-aineesta pelkistimeksi Raaka-aine CO 2 -päästöt (Hiilijalanjälki) EROI Tuotantokustannukset HAKETUSKETJUT Pieniläpimittainen puu Yleistä Pienpuuhakeketjun kuvaus Pienpuun korjuu Pienpuun metsäkuljetus Pienpuun haketus Pienpuun kaukokuljetus Pienpuun kuormaus ja purku Koneiden siirrot (Pienpuu) Pienpuun kuiva-ainehävikki Muut päästöt Hakkuutähde Yleistä Hakkuutähdehakeketjun kuvaus Hakkuutähteen metsäkuljetus Hakkuutähteen haketus Hakkuutähdehakkeen kaukokuljetus Hakkuutähdehakkeen kuormaus ja purku Koneiden siirrot (Hakkuutähdehake) Kannot Yleistä Kantohakeketjun kuvaus Kantojen nosto Kantojen metsäkuljetus Kantojen kaukokuljetus Kantojen murskaus Kantojen kuormaus ja purku Yhteenveto oletuksista TERMOKEMIALLISET KONVERSIOTEKNOLOGIAT: HIDAS PYROLYYSI, TORREFIOINTI, KAASUTUS JA METANOINTI Hidas pyrolyysi Kirjallisuus Puuhiilen tuotanto: massa- ja energiataseet Kuivaus Puuhiilen tuotanto: Tuotantokustannukset Torrefiointi Kirjallisuus Torrefioidun puun tuotanto: massa- ja energiataseet

5 4.2.3 Torrefioidun puun tuotanto: Tuotantokustannukset Kaasutus ja metanointi Kirjallisuus Bio-SNG:n tuotanto: massa- ja energiataseet Bio-SNG:n tuotanto: tuotantokustannukset TULOKSET I Haketusketjut Hiilidioksidipäästöt Energiankulutus Puuhiilen tuotanto Massa- ja energiataseet Tuotantokustannukset CO 2 -päästöt ja energiankulutus Torrefioidun puun tuotanto Massa- ja energiataseet Tuotantokustannukset CO 2 -päästöt ja energiankulutus Bio-SNG:n tuotanto Massa- ja energiataseet Tuotantokustannukset CO 2 -päästöt ja energiankulutus TULOKSET II Tuotantoketjun aikaiset fossiiliset CO 2 -päästöt CO 2 -päästöt ilman sivutuotehyvityksiä CO 2 -päästöt sivutuotehyvityksillä CO 2 -päästöt sivutuotehyvityksillä ja epäsuorilla päästöillä Energy Return on Investment (EROI) KOKSIN KORVAAMINEN MASUUNISSA BIOPOHJAISILLA PELKISTIMILLÄ Fossiiliset ja biopohjaiset pelkistimet masuunissa Koksin korvaaminen biopelkistimillä: vaikutus CO 2 -päästöihin Mahdollisuus CO 2 -päästöjen vähentämiseen ja puun tarve, case Ruukki YHTEENVETO LÄHTEET Liitteet

6 1. JOHDANTO Masuunipohjaisessa raudanvalmistuksessa käytetään suuri määrä energiaa pelkistimien muodossa (koksi, kivihiili, öljy, maakaasu, jne). Pelkistimien tuotannosta ja käytöstä aiheutuu merkittävä määrä fossiilisia hiilidioksidipäästöjä. Työpaketin (WP 5) tavoitteena on selvittää torrefioidun puun, puuhiilen ja biopohjaisen synteettisen maakaasun (Bio-SNG) tuotannon hiilidioksidipäästöt määritellyllä systeemirajauksella ja verrata CO 2 -päästöjä fossiilisten pelkistimien elinkaaren aikaisiin päästöihin. Laskenta tehdään mallintamalla ketjut Factory Simulation Tool simulointiohjelmistoon, jota on käytetty Bioreducer-projektissa muissakin tarkasteluissa. Ketjut mallinnetaan modulaarisesti siten, että raaka-aineen keruu, kuljetus ja haketus muodostavat oman kokonaisuutensa ja eri termokemialliset konversioreitit omansa. Raakaaineista vertailussa on metsätähdehake, kannot ja pieniläpimittainen puu. Biopelkistimien Kehitetyillä prosessipohjaisilla laskentakokonaisuuksilla voidaan arvioida biopelkistimien tuotannon aiheuttamia CO 2 -päästöjä. Määritelmällisesti kyseessä on hiilijalanjäljen laskeminen, sillä päästöjä vesiin ja maaperään ei oteta huomioon. Raportissa tarkastellaan myös pelkistimien tuotannon energiantarvetta tuotettua energiayksikköä kohden koko tuotantoketjun aikana (Energy Return on Investment EROI). Tämän lisäksi tarkastellaan kunkin biopelkistimen tuotantokustannuksia. Koska biopohjaiset pelkistimet ovat kemiallisilta ja fysikaalisilta ominaisuuksiltaan erilaisia, korvaavat ne masuunissa koksia eri määrän. Toiminnallinen yksikkö, jolle ympäristökuorma lasketaan, johdetaan jokaiselle pelkistimelle niiden kyvystä korvata yksi yksikkö koksia masuunissa. Biopohjaisen pelkistimen tuotannossa mahdollisesti syntyvät sivutuotteet oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi käytettävän sähköntuotantoon, jossa se korvaa sähköä marginaalisella päästökertoimella. Puuhiilen tuotantolaitoksen oletetaan sijaitsevan lähellä Suomen ainoata integroitua terästehdasta, eikä näin ollen biopelkistimien kuljetusta tarvita tai se on niin lyhyt, että sitä ei tarvitse huomioida. Biopelkistimen tuotantolaitosten kapasiteetiksi valittiin 50 MW polttoaineteho,kuiva laskettuna kuiva-ainemäärästä. Oletetaan jokaisen tehdaskokonaisuuden (hiiltämö, torrefiointi, kaasutus+metanointi) käyntiasteeksi 90% ja puun kuiva-aineen teholliseksi lämpöarvoksi 19.0 MJ/kg. Näin ollen 50 MW polttoaineteho,kuiva tarkoittaa vuodessa t puumäärää (kuiva). Polttoaineteho MW saapumistila riippuu kosteudesta. 6

7 2. MATERIAALIT JA METODIT 2.1 Raaka-aineesta pelkistimeksi Erilaisia mahdollisuuksia biomassapohjaisten pelkistimien tuotannosta ja hyödyntämisestä masuunissa on tarkasteltu julkaisussa Suopajärvi et al. (2013). Puuhiilen lisäksi masuunissa voitaisiin hyödyntää mm. pelkistäviä kaasuja, torrefioitua biomassaa ja Bio-SNG:tä. Metallurgisen teollisuuden tarpeisiin esikäsittelyprosessien määrä raaka-aineesta lopputuotteeksi (puuhiili, torrefioitu biomassa, Bio-SNG) on varsin maltillinen verrattuna esimerkiksi prosessointiketjuihin, joita vaaditaan liikennepolttoaineiden valmistamiseen. Raaka-aineen hankintaketju on hyvin yhtenäinen energiantuotannon kanssa, kun energiapuuta käytetään lämmön- ja sähköntuotannossa. Puuhiilen tuotannossa tärkeässä osassa on toimiva raaka-ainelogistiikka. Tehokas logistiikka on sekä kustannustehokasta että vähäpäästöistä. Metsähakkeen raaka-aineet jaetaan neljään eri luokkaan: 1) Hakkuutähde, 2) Pienpuu, 3) Kannot ja 4) Järeä (lahovikainen) runkopuu. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan Suomessa yleisimmin käytössä olevien metsähakkeen tuotantoketjujen kasvihuonepäästöjä ja energiankulutusta, kun tuotetaan yhden koksiyksikön korvaamiseen tarvittava määrä biopohjaista pelkistintä. Järeä runkopuu jätetään tarkastelun ulkopuolelle. Metsätehon tutkimuksen mukaan vuonna 2011 yleisimmät metsähakkeen tuotantoketjut muodostuivat seuraavanlaisesti: 1) Hakkuutähde (tienvarsihaketus 74%), 2) Pienpuu (tienvarsihaketus 72%) 3) Kannot (käyttöpaikkamurskaus 45%). Yhteensä vuonna 2011 lämpö- ja voimalaitoksissa käytettiin metsähaketta 6.8 milj. m 3 (13.7 TWh), josta pienpuuta oli 45%, hakkuutähdettä 33%, kantoja 14% ja järeää lahovikaista runkopuuta 8% (Sandström 2012). Kuviossa 1 on esitetty tutkimuksen systeemirajaus, metsähakkeen tuotannosta, metsähakkeen jalostamiseen masuuni-injektioon sopivaksi pelkistimeksi. Tuotantoketjuun kuuluu metsähakkeen koneellinen kuivaus, termokemiallinen konversio (hidas pyrolyysi, torrefiointi ja kaasutus+metanointi). Tuotteen mahdollinen käsittely injektioon sopivaksi, puuhiilen ja torrefioidun puun tapauksessa jauhatus (sähkön tarve) on otettu huomioon. Bio-SNG:n tapauksessa lämpötilan nostoon tarvittava lämpöenergia on jätetty huomiotta, koska siihen löytyisi ylimääräistä lämpöenergiaa Bio- SNG:n käyttöpaikalta eli terästehtaan yhteydestä. Tarkastelussa ei oteta huomioon mahdollisia muutoksia masuuniprosessin muissa syötteissä, kuten happirikastuksessa ja puhallusilman lämpötilassa, jotka muuttuvat eri injektanttien tapauksessa. Systeemin rajoissa ovat myös dieselin-, lannoitteidenja sähköntuotannon energiankulutus ja päästöt. Työssä tarkastellaan myös epäsuorien päästöjen, jotka aiheutuvat metsän hiilivarannon muutoksesta, vaikutusta elinkaaren aikaisiin päästöihin. 7

8 Polttoaine, sähkö, raaka-aineet Päästöt Päästöt Dieselin tuotanto Energia ja raaka-aineet Lannoitteen tuotanto Päästöt polttoaineen käytöstä Päästöt polttoaineen käytöstä Päästöt polttoaineen käytöstä Päästöt polttoaineen, lämmön ja sähkön käytöstä Päästöt sähkön käytöstä Puun kasvu Puun hakkuu Puun kaukokuljetus Puun haketus Termokemiallinen käsittely Jatkokäsittelyt Biopelkistin Epäsuorat päästöt Polttoaine Polttoaine hiilivaraston muutoksista Polttoaine, sähkö Sivutuotehyvitykset Sähkö, lämpö Sähkö Kuvio 1. Biopohjaisen pelkistimen tuotantoketju. 2.2 Raaka-aine Tässä työssä arvioidaan kolmen eri raaka-aineen käyttöä pelkistimien tuotannossa: hakkuutähde, pieniläpimittainen kokopuu ja kanto. Mikäli puun kosteudeksi oletetaan 50% ja kuivatuoretiheydeksi (kuivamassa per puun tuoretilavuus) 405 kg/m 3, tuoretiheys voidaan laskea kaavan (1) mukaisesti: KT m (1) 1 X, missä m on tuoretiheys, KT on kuivatuoretiheys ja X on kosteus desimaalilukuna. Tässä tapauksessa tuoretiheys on 810 kg/m 3. Yhdessä märässä kuutiossa puuta 50% (oletetaan sekä ranka että neulaset) on siis kuiva-ainetta 405 kg ja vettä 405 kg. Alakankaan (2000) mukaan puun kuiva-aineesta noin 52% on hiiltä. Yhdessä märkäkuutiossa on siis hiiltä noin 208 kg. Taulukossa 1 on esitetty eri hakelajien teholliset eli alemmat lämpöarvot. Taulukko 1. Hakelajien teholliset lämpöarvot (Alakangas 2000) Hakelaji Puulaji Tehollinen lämpöarvo kuivaaineessa MJ/kg Tehollinen lämpöarvo kuivaaineessa kwh/kg Harvennusten kokopuuhake Mänty Kuusi Koivu Hakkutähde neulasitta Mänty Kuusi 19, Koivu 19, Hakkuutähde neulasineen Mänty Kuusi Kanto- ja juuripuuhake Mänty Kuusi

9 Puuperäisen polttoaineen energiasisältö massaa kohden märkänä voidaan laskea kaavalla (2). Q teh, märkä 100 X Qnet, kuiva X 100 (2), missä Q teh, märkä = tehollinen lämpöarvo kosteana (MJ/kg), Q teh, kuiva = tehollinen lämpöarvo kuiva-aineessa (MJ/kg), X = kosteus (p-%) ja (MJ/kg) on veden höyrystymiseen kuluva lämpömäärä (+25 o C). Edelleen saadaan laskettua energiasisältö märkäkuutiota kohden kaavalla (3) kertomalla tehollisen lämpömäärän lauseke puun tuoretiheydellä Q teh Q til, märkä teh, märkä m 1000 (3) Jos oletetaan puun alemmaksi lämpöarvoksi 19.0 MJ/kg, saadaan sen teholliseksi lämpöarvoksi 50% kosteudessa 8.3 MJ/kg (6.7 MJ/m 3 ja 1.86 MWh/m 3 ). Taulukossa 2 on listattu puuperäisen raaka-aineen tärkeimmät ominaisuudet, jotka on oletettu samaksi kaikille hakelajeille. Todellisuudessa puun kemiallinen koostumus vaihtelee mm. puulajin, puun osan ja myös kasvupaikan myötä. Taulukko 2. Raaka-aineen ominaisuudet (muokattu lähteestä Alakangas 2000). Puuraaka-aineen ominaisuudet Hiili (C) 52.0% Vety (H) 6.1% Happi (O) 40.55% Rikki (S) 0.05% Typpi (N) 0.3% Tuhka 1.0% Lämpöarvo, kuiva (tehollinen) 19.0 MJ/kg Lämpöarvo, saapumistilassa (tehollinen) 8.28 MJ/kg (50% kosteus) 2.3 CO 2 -päästöt (Hiilijalanjälki) Tässä työssä tarkastellaan haketusketjun ja termokemiallisten konversioteknologioiden fossiilisia hiilidioksidipäästöjä. Tarkastelut tehdään erikseen haketusketjuille ja tehdasalueelle, jonka jälkeen ne yhdistetään elinkaariarviointityyppiseksi tarkasteluksi, jossa hyvitetään myös sivutuotteiden käytöstä saatavat vähennykset sähköntuotannon hiilidioksidipäästöissä. Lopulta tarkastellaan sitä kuinka paljon yhden koksiyksikön korvaaminen masuunissa aiheuttaisi fossiilisia hiilidioksidipäästöjä biopelkistimen tapauksessa. Pelkistimien tuotannon eri vaiheissa käytettävän sähkön ominaispäästökertoimeksi oletetaan 210 kgco 2 /MWh (Motiva 2012), joka kuvaa Suomen keskimääräistä sähkönhankinnan ominaispäästökerrointa. Mikäli pelkistimien tuotannossa syntyy ylijäämäenergiaa (esim. pyrolyysikaasu), jota voidaan hyödyntää energiantuotannossa, oletetaan siitä saatavaksi hiilidioksidipäästöhyvitykseksi marginaalisen sähkön (uusi sähkökapasiteetti) 9

10 korvaaminen päästökertoimella 600 kgco 2 /MWh (Motiva 2012). Lannoitteiden käytöstä aiheutuviksi CO 2 -päästöiksi oletetaan 7 kg/mwh metsähaketta (Wihersaari 2005a). Työssä tarkastellaan myös biomassan energiakäytöstä aiheutuvia epäsuoria päästöjä. Epäsuorilla päästöillä tarkoitetaan hiilen vapautumista ilmakehään, kun biomassa poltetaan heti sen korjaamisen jälkeen sen sijaan, että biomassa hajoaisi metsässä useiden vuosien kuluessa (hiilivaraston muutos). Taulukossa 3 on esitetty lähteestä Liski et al. (2011) lasketut epäsuorat päästöt rangalle, kannolle ja oksille (keskiarvot Pohjois- ja Etelä-Suomen arvoista), kun oletetaan raaka-aineen käytön jatkuvan 20, 50 ja 100 vuotta. Oletetaan, että pienpuun energiankäyttöä kuvaa ranka ja hakkuutähteen käyttöä oksille lasketut epäsuorat päästöt. Todellisuudessa hakkuutähteissä on mukana paksumpia runko-osia. Taulukko 3. Epäsuorat päästöt metsähakkeen raaka-aineille (laskettu lähteestä Liski et al. 2011). 20 vuotta 50 vuotta 100 vuotta Yksikkö Ranka kg/mwh Kanto kg/mwh Oksa kg/mwh Työssä arvioidaan pelkistimien tuotannon ympäristövaikutuksia menetelmällä, jota voidaan kutsua hiilijalanjäljeksi (engl. Carbon Footprint). Ympäristövaikutuksissa ei oteta huomioon päästöjä maaperään tai vesiin, jotka kuuluvat elinkaariarviointiin. Laskennassa tarkastellaan ilmapäästöjä ja mikäli inventaaridatassa on erikseen määritelty, käytetään osaprosessien hiilidioksidipäästöjen laskennassa CO 2 -ekvivalentteja, joissa CH 4 kerroin on 21 ja N 2 O kerroin 310* (Lipasto 2012). 2.4 EROI Kirjallisuudessa eri energialähteiden energiatehokkuutta kuvataan erilaisilla termeillä ja käsitteillä. Yleisesti käytetään tunnuslukuja, joissa arvioidaan energiantarvetta tuotettaessa yksi yksikkö polttoainetta. Yksi tällainen tunnusluku on EROI (Energy Return on Investment) (Raugei et al. 2012), joka vapaasti suomennettuna on Investoinnin Energian Tuotto. Lähtökohtaisesti tarkastelussa tulisi ottaa huomioon kaikki käytetty energia elinkaaren ajalta, joka tarvitaan energiayksikön tuottamiseen. Tämä tarkoittaa sitä että energiasyötteet, jotka tarvitaan työkoneiden ja tuotantolaitosten rakentamiseen, otetaan huomioon. Huomioon otetaan myös kaikki raaka-aineiden hankintaan ja kuljetuksiin kuluva energia. Riippuen määritelmästä, huomioon voidaan ottaa myös valmiin energiayksikön jakelusta ja mahdollisesta edelleenkäsittelystä aiheutuva energiantarve (Hall et al. 2009). Yleisesti EROI voidaan määritellä Hammerschlagin (2006) mukaan (4): ulos EROI (4) E E sisään,uusiutumat on, missä E ulos on energiasisältö tietyssä määrässä energiankantajaa ja E sisään, uusiutumaton on valmistusprosessissa kulutettu uusiutumattoman energian määrä. 10

11 EROI on yksikötön suhdeluku. Mikäli energiankantajan (energy carrier) EROI < 1, on tuotetun energiankantajan vapauttama kokonaisenergia pienempi kuin siihen käytetty uusiutumattoman energian määrä. Mikäli EROI > 1, on tuotanto energeettisesti järkevää. Tässä tarkastelussa systeemirajaus ei ole täysin elinkaariarvioinnin mukainen, mutta sisältää oletettavasti tärkeimmät vaiheet pelkistimien tuotannossa (kuvio 1). Energiankäyttöihin lasketaan myös sähköntuotannon primaarienergian tarve. Primaarinenergian kulutus sähköntuotannossa on 2.35 kwh prim /kwh e (8.46 MJ/kWh e ) (Soimakallio et al. 2009). Dieselin valmistuksen primaarienergiankulutukseksi oletetaan 1.29 MJ/MJ dieseliä (Kalnes et al. 2009). Lannoitteiden primaarienergiankulutukseksi oletetaan 1.4% toimitetusta energiamäärästä (metsähake) (Wihersaari 2005a). 2.5 Tuotantokustannukset Eri biopelkistimien tuotantolaitosten investointikustannukset on johdettu kirjallisuudesta. Laitteiden mitoitus perustuu massavirtoihin, jotka saadaan malleista eri tapauksille. Prosessilaitteen hinta C, jonka kapasiteetti on S, lasketaan yhtälöllä (5). n S C C * 0 S 0 (5), jossa C 0 on laitteen hinta, jonka kapasiteetti on S 0 ja n on skaalauskerroin, jonka arviona käytetään 0.7. Laitteiden hinnat muutetaan nykyarvoon käyttämällä Eurostatin (2012) inflaatiokertoimia. Investoinnin vuosittainen kuoletusarvo lasketaan yhtälöllä (6). C vuosi N i(1 i) (1 i) N * C IC 1 (6), jossa C IC on laitteiston asennettu kustannus, i on korkokerroin, N on investoinnin elinaika ja C vuosi on vuosittainen kuoletuserä. Tehtaan eliniän oletetaan olevan 15 vuotta ja korkotason 6%. Jokaisessa tapauksessa oletetaan käyttöpääomaksi 15% investointikustannuksista. Tässä työssä käytetään kirjallisuudesta kerättyjä investointikustannuksia koko tehtaalle, jolloin tarkastelussa ei olla prosessiyksikkötasolla. Investointikustannukset ovat tällöin varsin karkeita, mutta kuitenkin suuntaa antavia. Raaka-aineen, sähkön ja muiden tuotannontekijöiden kustannukset on esitetty jokaisessa eri konversioteknologiaa kuvaavassa kappaleessa ( ) erikseen. 11

12 3. HAKETUSKETJUT 3.1 Pieniläpimittainen puu Yleistä Pienpuun käyttöä energiantuotannossa on viime vuosina pyritty lisäämään, koska hakkuutähteen ja kantojen saatavuus on vahvasti sidoksissa päätehakkuisiin. Tyypillinen pienpuuleimikonkertymä on kokopuulle MWh/ha (40 60 m 3 /ha) ja karsitulle pienpuulle 15 20% pienempi (Kärhä 2011a) Pienpuuhakeketjun kuvaus Kuviossa 2 on esitetty ensimmäisenä tarkastelussa olevan ketjun kuvaus raakaaineesta (pienpuu) hakkeen purkuun käyttöpaikalla. Pienpuun haketus oletetaan tapahtuvan tienvarsihaketuksella ns. kuumaketjulla, jossa hake syötetään suoraan hakerekkaan. Kuumaketju Korjuu Haketus Metsäkuljetus Kaukokuljetus Purku Koneen siirto Koneen siirto Kuvio 2. Pienpuuhakkeen tuotantoketju. Seuraavissa kappaleissa esitetään kunkin vaiheen taustaoletukset, joita päästöjen ja energiankulutusten laskennassa on käytetty Pienpuun korjuu Pieniläpimittaisen puun korjuussa voidaan käyttää joko yhden puun korjuuseen tarkoitettua korjuupäätä tai monta runkoa kerralla korjaavaa päätä. Pieniläpimittaisen puun korjuun tuottavuus riippuu monesta tekijästä, joista yksi merkittävimmistä on korjattavan puun läpimitta. Pieniläpimittaisella puulla tuottavuus voi vaihdella Kärhän (2006) mukaan 2 17 m 3 /h (tehollinen E 0 ) välillä riippuen puun koosta. Mikäli oletetaan, että keskimääräinen puun läpimitta rinnankorkeudella on 9 cm, on sen tilavuus 36 dm 3 (Kärhä 2011b). Taulukossa 4 on esitetty tehollinen tuottavuus kahdelle eri harvesteripäälle, olettaen 36 dm 3 koko kokopuulle (Kärhä 2006). Harvesterin polttoaineen kulutus oletetaan olevan 12 l/h (Berg & Karjalainen 2003). Taulukko 4. Harvesterin tuottavuus ja polttoaineen kulutus (diesel) Kärhä 2006, Berg & Karjalainen 2003). Tuottavuus m 3 /h (tehollinen E 0 ) Polttoaineen kulutus l/h Harvesteripää syöttörullilla Tavallinen kaatopää

13 Mikäli oletetaan keskimääräisen hakkuukertymän olevan 100 MWh/ha eli noin 50 m 3 /ha, vaatii edellä mainituilla tehollisilla tuottavuuksilla yhden hehtaarin korjuu noin tuntia. Polttoaineen kulutus suoritetta kohden (m 3, joka lasketaan funktionaalisen yksikön mukaan) voidaan käyttää seuraavaa kaavaa (7): FC tot x FC P (7), missä FC tot on kokonaispolttoaineenkulutus (l), x on suoritemäärä (m 3 pienpuuta), FC on polttoaineenkulutus (l/h), P on tuottavuus (m 3 /h). Dieselin kulutus kiloina (kg) saadaan kertomalla tilavuus 0.845:lla, joka on dieselin tiheys (kg/l) (Lipasto 2012). Dieselin käytöstä aiheutuvat kasvihuonekaasut lasketaan päästökertoimilla, jotka on esitetty taulukossa 5 (Lipasto 2012). Taulukko 5. Päästökerroin Hakkuukoneelle (125 kw nimellisteho) (Lipasto 2012). Päästökerroin (g/l polttoaine) CO HC NO x PM CH 4 N 2 O SO 2 CO 2 CO 2 ekv Päästökerroin (g/kg polttoaine) (diesel tiheys kg/l) Polttoaineen käytöstä aiheutuva energiankulutus voidaan laskea kertomalla polttoaineen kulutus polttoaineen energiasisällöllä (8). E diesel Q diesel FC tot (8) Pienpuun metsäkuljetus Tässä tarkastelussa oletetaan erillinen työvaihe kaadetun kokopuun metsäkuljetukselle tienvarteen. Oletetaan kokopuun metsäkuljetus tapahtuvan keskikokoisella metsätraktorilla. Taulukossa 6 on esitettynä metsätraktorin tuottavuus ja (m 3 /h) polttoaineen kulutus (l/h) (Laitila et al. 2012, Eriksson & Gustavsson 2008). Taulukko 6. Keskiraskaan metsätraktorin tuottavuus ja polttoaineen kulutus (Laitila et al. 2012, Eriksson & Gustavsson 2008). Tuottavuus m 3 /h (tehollinen E 0 ) Polttoaineen kulutus l/h Kuljetuksen hiilidioksidi- ja muut päästöt lasketaan samoilla oletuksilla kuin korjuun tapauksessakin käyttäen Lipaston päästökertoimia (taulukko 7). 13

14 Taulukko 7. Päästökerroin metsätraktorille (105 kw nimellisteho) (Lipasto 2012) Päästökerroin (g/l polttoaine) CO HC NO x PM CH 4 N 2 O SO 2 CO 2 CO 2 ekv Päästökerroin (g/kg polttoaine) (diesel tiheys kg/l) Pienpuun haketus Haketus tapahtuu tässä hakkeen tuotantoketjussa tienvarressa, joka kuvaa hyvin tämän päivän tilannetta. Noin 70% pienpuun haketuksesta vuonna 2006 tehtiin tienvarressa (Kärhä 2011a), samoin kuin 2011 (Sandström 2012). Tulevaisuudessa terminaalihaketuksen osuuden oletetaan kasvavan. Tienvarsihaketuksessa oletetaan käytettävän erillistä hakkuria ja hakeautoa, joka edusti vuonna %:n osuutta (Sandström 2012). Kokopuun haketuksen tuottavuus riippuu mm. hakkurin järeydestä. Arvioita tienvarsi- ja terminaalihakkureiden tuottavuuksista on löydettävissä muun muassa lähteistä Kärhä et al. 2011a ja Laitila et al Kärhän et al. (2011b) mukaan HEINOLA 1301 ES hakkurilla päästiin pienpuun haketuksessa 179 i- m 3 /h tehotuntituottavuuteen ja Jenz HEM 581 DQ hakkurilla 114 i-m 3 /h tehotuntituottavuuteen. Tässä työssä käytetään Taulukon 8 mukaisia arvoja, jotka ovat hieman pienemmille hakkureille tyypillisiä arvoja (Laitila et al. 2012). Taulukko 8. Tienvarsihaketuksen tuottavuus kokopuuhakkeelle (Laitila et al. 2012). Tuottavuus i-m 3 /h (tehollinen E 0 ) Polttoaineen kulutus l/i-m 3 Polttoaineen kulutus l/h Haketukselle käytetään dieselin päästökertoimia, jotka on otettu lähteestä Berg & Karjalainen 2003) Pienpuun kaukokuljetus Kaukokuljetus aiheuttaa kasvihuonepäästöjä, joihin vaikuttaa mm. ajoneuvon polttoaineenkulutus (myös EURO-luokka) ja kuljettu etäisyys. Polttoaineen kulutukseen vaikuttaa mm. kuormakoko, nopeus ja pysähdyksien määrä. Kaukokuljetus aiheuttaa päästöjä sekä täytenä että tyhjänä, kun hakerekka on menossa hakemaan uutta hakelastia tienvarresta. Tarkastelussa oletetaan hakkeen olevan 50% kosteudessa eli tuoreeltaan haketettu. Hakerekan oletetaan olevan kokoluokkaa 120 i-m 3, johon pystytään tiiviyden ollessa (1/2.22=0.45 m 3 /i-m 3 (Kärhä et al. 2011) kuormaamaan 48 m 3 haketta. Mikäli oletetaan hakeauton massaksi 20 tonnia ja suurimmaksi mahdolliseksi yhdistelmämassaksi 60 tonnia, voi hakemassa olla 40 tonnia. Tällöin ei voida täyttää hakerekkaa aivan täyteen, vaan kuormaksi tulee 46 m 3. Täyttöaste tässä tapauksessa on siis 46/48*100=96%. Kaukokuljetuksen kasvihuonepäästöt lasketaan käyttämällä hyväksi LIPASTO:n autokohtaisia kertoimia päästöille, joissa oletetaan EURO 4 luokan ominaispäästöt. Keskimääräiseksi kaukokuljetusmatkaksi oletetaan tässä 14

15 tapauksessa 80 km, jolla pystytään keräämään riittävä määrä eri energiapuujakeita pelkistimen tuotantoon. Taulukossa 9 on esitetty EURO 4 luokan päästöt 60 tonnin täysperävaunuyhdistelmälle, jonka oletetaan kuvaavan hakerekkaa. Koska päästöt sekä täytenä että tyhjänä tulee huomioida, tehdään se laskemalla edestakaiselle matkalle keskimääräinen kuorma. Taulukko 9. EURO 4 täysperävaunullisen ajoneuvon päästöt maantieajossa (LIPASTO 2012). Tyhjä Täysi (37 t) Kulutus (l/km) CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) PM (g/km) CH 4 (g/km) N 2 O (g/km) NH 3 (g/km) SO 2 (g/km) CO 2 (g/km) Factoryyn implementoitiin parametreja joilla voidaan tarkastella kaukokuljetuksen osuutta päästöjen muodostumisessa (matka, täyttöaste) Pienpuun kuormaus ja purku Kirjallisuudessa oli saatavissa heikosti tietoa siitä, kuinka paljon kuormaus ja purku kuluttavat polttoainetta. Erikssonin ja Gustavssonin (2010) mukaan kuormaus ja purkuvaiheen polttoaineen kulutus on 10% siitä, mitä se on täydessä kuormassa ja ajossa. Tässä toimitusketjussa oletetaan, että tienvarressa tapahtuva haketus on ns. kuuma ketju, jossa hake ohjataan suoraan hakeautoon. Näin ollen erillistä kuormausta ei metsässä tarvita. Purussa voidaan olettaa joutokäynti, jonka aikaiseksi kulutukseksi arvioidaan 1.7 l/kuorma (Lindholm et al. 2010) Koneiden siirrot (Pienpuu) Työkoneiden siirtoja tarvitaan niin harvesterin kuin metsätraktorin osalta. Siirtoja tarvitaan niin harvesterin kuin metsätraktorin osalta. Sekä harvesterin että metsätraktorin osalta siirtomatkaksi oletetaan 0.17 km/m 3 ja polttoaineen kulutukseksi 0.54 l/km (Karjalainen & Asikainen 1996, Kilpeläinen et al. 2011). Laskettaessa päästöjä, on käytetty Lipaston Euro 3 katuajo tyhjänä, joka vastaa polttoaineen kulutuksen osalta (0.52 l/km) esitettyä arviota lavettikuljetuksesta Pienpuun kuiva-ainehävikki Bioenergiaketjuissa voi syntyä huomattava määrä kuiva-ainehävikkiä, esimerkiksi metsäkuljetuksissa, varastoinnissa, haketuksessa ja kuivauksessa. Tässä tarkastelussa oletetut kuiva-ainehävikit on esitetty kootusti kappaleessa

16 Muut päästöt Päästöjä muodostuu dieselin kuljetuksesta jalostamolta varasto- ja jakelusäiliöihin (laiva- ja rekkakuljetuksia), työkoneiden, kuljetuskaluston ja infrastruktuurin rakentamisesta jne. Näitä ei kuitenkaan oteta huomioon tässä tarkastelussa. 3.2 Hakkuutähde Yleistä Hakkuutähteestä valmistettu metsähake on tuotantokustannuksilla mitattuna edullisinta. Riippuen taustaoletuksista, hakkuutähteestä tuotetun hakkeen käyttöpaikkahinnat ovat Ihalaisen & Niskasen (2010) mukaan noin /m 3 käyttöpaikalla, kantomurskeen /m 3 ja pienpuun /m 3 ilman tukia. Hakkuutähteen alemmat kustannukset johtuvat pääasiassa matalammasta kantohinnasta ja siitä että hakkuutähteitä ei tarvitse erikseen hakata/korjata, vaan ainoastaan kuljettaa metsästä tienvarteen. Kuten jo todettua, hakkuutähteen tapauksessa vuonna 2011 käytetyin tuotantoketju oli tienvarsihaketus, jota tässä yhteydessä tarkastellaan. Kun päätehakkuilta on tarkoitus korjata hakkuutähteitä eli oksia ja latvuksia energiaksi, muutetaan ainespuun hakkuukoneen työtapaa. Sen sijaan että latvukset ja oksat laitetaan koneuralle parantamaan hakkuukoneen kantavuutta, ne kasataan ajouran varteen, josta ne voidaan kuljettaa tienvarteen. Tällainen hakkuutapa tehostaa hakkuutähteen korjausta (Laitila et al. 2012) Hakkuutähdehakeketjun kuvaus Kuviossa 3 on esitetty hakkuutähdehakkeen tuotantoketju. Hakkuutähteen haketus oletetaan tapahtuvan tienvarsihaketuksella ns. kuumaketjulla, jossa hake syötetään suoraan hakerekkaan. Kuumaketju Haketus Metsäkuljetus Kaukokuljetus Purku Koneen siirto Kuvio 3. Hakkuutähdehakkeen tuotantoketju Hakkuutähteen metsäkuljetus Korjuun päästöjen oletetaan allokoituvan ainespuulle, joten siitä vaiheesta ei aiheudu hakkeelle päästöjä. Metsäkuljetuksessa käytetään metsätraktoria, jonka tuottavuus ja polttoaineen kulutus on esitetty taulukossa 10 (Laitila et al. 2012). 16

17 Taulukko 10. Hakkuutähteen metsäkuljetuksen tuottavuus ja polttoaineen kulutus (Laitila et al. 2012). Tuottavuus m 3 /h (tehollinen E 0 ) Polttoaineen kulutus l/h Metsätraktorin päästökertoimina hakkuutähteen metsäkuljetuksessa käytetään samoja kertoimia kuin pienpuun metsäkuljetuksessa (taulukko 6) Hakkuutähteen haketus Haketuksessa oletetaan sama tuottavuus ja polttoaineen kulutus kuin kokopuun haketuksessakin. Käytetty hakkuri ei edusta suurinta mahdollista hakkurityyppiä Hakkuutähdehakkeen kaukokuljetus Hakkuutähdehakkeen kuljetuksessa käytetään samoja oletuksia kuin pienpuuhakkeen tapauksessa Hakkuutähdehakkeen kuormaus ja purku Hakkuutähdehakkeen purussa käytetään samoja oletuksia kuin pienpuuhakkeen tapauksessa. Polttoaineen kulutukseksi arvioidaan 1.7 l/kuorma (Lindholm et al. 2010) Koneiden siirrot (Hakkuutähdehake) Metsätraktorin osalta siirtomatkaksi oletetaan 0.17 km/m 3 ja polttoaineen kulutukseksi 0.54 l/km (Karjalainen & Asikainen 1996, Kilpeläinen et al. 2011). Laskettaessa päästöjä, on käytetty Lipaston Euro 3 katuajo tyhjänä, joka vastaa polttoaineen kulutuksen osalta (0.52 l/km) esitettyä arviota lavettikuljetuksesta. 3.3 Kannot Yleistä Kantojen käyttö energiantuotannossa on lisääntynyt Suomessa 2000-luvulla. Aikaisemmin 1970 ja 1980 luvuilla kantoja käytettiin sulfaattisellun raakaaineena ja energiakäytössä (Laitila 2010). Kantojen noston vaikutuksista maaperään ollaan erimielisiä, mutta ainakin UPM käyttää kantoenergiaa varsin laajasti. Erilaisia kantokertymiä on esitetty kirjallisuudessa ja esimerkiksi Hakkilan (2004) mukaan kantoja voitaisiin saada MWh/ha. Kanto- ja juuripuuta korjataan lähes ainoastaan kuusen päätehakkuilta. Pieniä määriä männyn kantoja korjataan lähinnä maanrakennustyömailta, turvesoilta, tonteilta, pellonraivausalueilta. (Laitila 2010). Tässä tarkastelussa, toisin kuin pienpuun tapauksessa, kantojen annetaan kuivata vuosi kasassa. Samalla pienennetään kannoissa olevan mineraaliaineksen määrää. Kantojen ja juurien kosteus tuoreena on keskimäärin 50% ja noin vuoden varastoinnilla päästään kosteudessa alle 30%:n (Laurila & Lauhanen 2010). 17

18 3.3.2 Kantohakeketjun kuvaus Kuviossa 4 on esitetty kantomurskeen tuotantoketju. Kantojen murskaus oletetaan tapahtuvan käyttöpaikalla. Laskettaessa kantojen tuotantoketjun päästöjä ja energiankulutuksia oletuksena on, että kannot kuivuvat metsäkuljetuksen jälkeen 50%:n kosteudesta 30%:iin. Kantojen nosto Kuormaus Metsäkuljetus Kaukokuljetus Purku Murskaus Koneen siirto Koneen siirto Kuvio 4. Kantohakkeen tuotantoketju Kantojen nosto Kantojen nostossa käytetään Suomessa kaivinkoneita, joihin on kytketty erillinen kantojen pilkkomiseen ja nostoon suunniteltu laite. Kantojen noston tuottavuudesta on tehty tutkimuksia jonkin verran mm. (Laitila et al. 2007, Laitila 2010, Erkkilä et al. 2010). Taulukossa 11 on esitetty kantojen noston tehotuntituottavuus ja polttoaineen kulutus kaivinkoneella suoritetulle kantojen nostolle (Laitila et al. 2012). Taulukko 11. Kantojen noston tehotuntituottavuus ja polttoaineen kulutus (Laitila et al. 2012). Tuottavuus m 3 /h (tehollinen E 0 ) Polttoaineen kulutus l/h Kantojen noston hiilidioksidi- ja muut päästöt lasketaan käyttäen Lipaston päästökertoimia tela-alustaiselle kaivinkoneelle (taulukko 12). Taulukko 12. Telakaivinkoneen (104 kw nimellisteho) keskimääräiset päästöt Suomessa vuonna 2011 (Lipasto 2012). Päästökerroin (g/l polttoaine) CO HC NO x PM CH 4 N 2 O SO 2 CO 2 CO 2 ekv Päästökerroin (g/kg polttoaine) (diesel tiheys kg/l) Kantojen metsäkuljetus Metsäkuljetuksen tehotuottavuus ja polttoaineen kulutus on esitetty taulukossa 13 (Laitila et al. 2012). Kantojen metsäkuljetuksen tuottavuus on huomattavasti pienempi kuin kokopuulla. 18

19 Taulukko 13. Kantojen metsäkuljetuksen tuottavuus (Laitila et al. 2012). Tuottavuus m 3 /h (tehollinen E 0 ) Polttoaineen kulutus l/h Kantojen kaukokuljetus Toisin kuin kokopuulla ja hakkuutähteellä tässä ketjussa kannot kuljetetaan kokonaisina käyttöpaikalle. Kantojen kuljetuksessa voidaan käyttää esimerkiksi 150 m 3 yhdistelmää (Palander et al. 2011). Oletetaan kantokuorman tiheyden olevan 0.25 m 3 /i-m 3, jolloin kuormaan mahtuu noin 37 k-m 3 kantoja. Kantojen kuivapainoksi oletetaan 405 kg/m 3. Kantojen kosteuden ollessa 30%, kuten oletettu, tulee yhden kuorman massaksi 22.4 tonnia. Mikäli kantojen kuljetukseen tarkoitetun auton massaksi oletetaan 29 tonnia (Palander et al. 2011), tulee koko yhdistelmän massaksi 51.4 tonnia. Määritettäessä kuljetuksista aiheutuvia päästöjä lasketaan polttoaineen kulutus osakuormalla Kantojen murskaus Kantojen pienentämisessä käytetään hakkureiden sijaan murskaimia kantojen mukana tulevan kiven ja muun epäpuhtauden takia. Kantojen murskauksessa käyttöpaikalla voidaan käyttää joko suurta mobiilimurskainta tai kiinteää murskainta. Mobiilimurskaimen energialähteenä on polttomoottori, kun taas kiinteässä murskaimessa käytetään sähkömoottoreita. Taulukossa 14 on esitetty esimerkkejä kantojen murskauksen tuottavuudesta ja energiankulutuksista. Tarkastellaan tässä yhteydessä kiinteän murskaimen vaikutusta päästöihin. Taulukko 14. Kokonaisten kantojen murskauksen tuottavuus ja energian kulutus (Kärhä et al (b), Kärhä et al. 2010) Tuottavuus i-m 3 /h (tehollinen E 0 ) Energian kulutus Mobiilimurskain Vermeer HG l/i-m 3 Kiinteä murskain (Saalasti Murska 1224 HF) kwh/i-m 3 Olennaista myös murskauksessa on saavuttaa suhteellisen tasainen murske, jota voitaisiin pyrolysoida tasalaatuiseksi puuhiileksi. Oletetaan, että kantojen hyödyntämisessä ei tarvita erillistä vaihetta palakoon edelleen pienentämiseksi, vaan kantomurske soveltuu sellaisenaan puuhiilen tuotantoon Kantojen kuormaus ja purku Polttoaineen kulutukseksi arvioidaan kuormauksessa 4.7 l/kuorma ja purussa 1.7 l/kuorma (Lindholm et al. 2010). 3.4 Yhteenveto oletuksista Taulukkoihin 15 ja 16 on koottu kaikki laskennassa tarvittavat oletukset. Taulukon 15 data on koottu raportissa esitetyistä lähteistä, jotka on esitetty kappaleissa Metsähakeketjun eri vaiheissa tapahtuvat kuiva-ainehäviöt 19

20 (taulukko 16) on koottu pääosin kirjallisuudesta (Eriksson 2008, Eriksson & Gustavsson 2010, Wihersaari 2005b). Taulukko 15. Hake ja murskeketjujen tuottavuudet ja energiankulutus vaiheittain. Vaihe Toiminto Tuottavuus (tehollinen) Toiminnot metsässä Hakkuu (pienpuu) 9.5 (m3/h) 12 (l/h) Kantojen nosto 10.0 (m3/h) 18 (l/h) Metsäkuljetus 10.6 (m3/h) 10.0 (l/h) (hakkuutähde) Metsäkuljetus (kanto) 7.0 (m3/h) 10.0 (l/h) Metsäkuljetus (pienpuu) 11.8 (m3/h) 9.5 (l/h) Polttoaineen/Sähkön kulutus Toiminnot tien varressa Lastaus (kannot) (l/kuorma) Haketus (pienpuu) 80 (i-m3/h) 40 (l/h) Haketus (hakkuutähde) 80 (i-m3/h) 40 (l/h) Kaukokuljetus Pienpuuhake Kuljetustilavuus 120 i-m3 Hakkuutähdehake Kuljetustilavuus 120 i-m3 Kannot Kuljetustilavuus 150 i-m3 Toiminnot käyttöpaikalla Lastin purku Polttoaineen kulutus lasketaan kuorman mukaan, joka määräytyy joko maksimitilavuuden tai -massan mukaan 1.7 (l/kuorma) Murskaus (kannot) 200 (i-m3/h) 1.05 (kwh/i-m3) Taulukko 16. Kuiva-ainehäviöt (%) metsähakeketjun eri vaiheissa. Kuiva-ainehäviöt ketjun eri vaiheissa (%) Vaihe Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Metsäkuljetus Kuivuminen Haketus Kuormaus Kaukokuljetus Purku Murskaus Taulukkoon 17 on koottu jokaisen hake/murskejakeen tehollinen lämpöarvo ennen kuivausta (saapumistilassa) ja puun tarve yhtä tuotettua haketonnia kohden (kuiva-aine). Hakkuutähteen kosteuspitoisuus on 50%, pienpuun osalta tarkastellaan kahta eri kosteuspitoisuutta (30% ja 50%) ja kantojen kosteuspitoisuus on 30%. Puun tarpeeseen vaikuttavat taulukossa 16 esitetyt häviöt tuotantoketjun eri vaiheissa. Taulukko 17. Metsähakkeen ja -murskeen teholliset lämpöarvot saapumistilassa. Energiasisältö (MWh/t) Hakkuutähde Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Kanto Puun tarve (t k.a./t hake k.a.) 20

21 4. TERMOKEMIALLISET KONVERSIOTEKNOLOGIAT: HIDAS PYROLYYSI, TORREFIOINTI, KAASUTUS JA METANOINTI Tässä osiossa esitellään kolmen termokemiallisen konversioteknologian; hidas pyrolyysi, torrefiointi ja metanointi oletukset, joita on käytetty laskettaessa tuotetulle biopelkistimelle ketjun hiilidioksidipäästöt ja energiantarve. Torrefiointi on biomassan kuumennusta matalissa lämpötiloissa hapettomassa atmosfäärissä. Lämmitysnopeudet ovat maltillisia. Biomassan pyrolyysi on kuivatislausta ylemmissä lämpötiloissa ja hapettomassa atmosfäärissä. Biomassan metanointia edeltää biomassan kaasutus, jossa kiinteä biomassa osittain hapettuu ja muodostaa synteesikaasua, joka edelleen käsitellään lähes puhtaaksi metaaniksi. 4.1 Hidas pyrolyysi Kirjallisuus Biomassan hiiletyksessä (hidas pyrolyysi) käytetään lämpötilaa alkaen noin 400 o C:sta aina 900 o C:een riippuen hiilen halutuista ominaisuuksista. Hiiletyksen tuotteena saadaan kiinteä jae, jota voidaan kutsua biohiileksi tai puuhiileksi ja pyrolyysikaasuja ja nesteitä (terva). Biohiili nimitystä käytetään yleisesti kirjallisuudessa, joka on keskittynyt bioperäisen hiilen käyttöön maanparannusaineena ja hiilen maaperään sitojana. Puuhiilen tuotantokaavio pelkistetysti voidaan esittää kuvion 5 mukaisesti. Biomassa Kaasun käsittely Kaasun hyödyntäminen Biomassan esikäsittely Biomassan pyrolyysi Jäähdytys Puuhiili Kuvio 5. Puuhiilen tuotanto (Roberts et al. 2010, Suopajärvi et al. 2013). Riippuen pyrolyysilaitoksen teknologiasta ja ympäröivästä infrastruktuurista, voivat materiaali- ja energiavirrat vaihdella suuresti. Esimerkiksi biomassan kuivaukseen ennen pyrolyysia voidaan käyttää erilaista saatavilla olevaa termistä energiaa. Hakkeen ja murskeen kuivaamiseen voidaan käyttää teollisuuden ylijäämälämpöä, joka voi olla esimerkiksi kaukolämmön muodossa. Biomassan kuivaamisessa voidaan hyödyntää myös osa hitaassa pyrolyysissa syntyvästä sivutuotekaasusta ja pyrolyysiyksikön savukaasuja (Brown et al. 2011, Roberts et al. 2010). Puuhiilen (charcoal) tai biohiilen (biochar) tuotannon ympäristövaikutuksista on tehty muutamia selvityksiä (Norgate & Langberg 2009, Norgate et al. 2012, Roberts et al. 2010, Gaunt et al. 2008). Tehdyt selvitykset ovat maantieteellisesti (Australia, Pohjois-Amerikka) ja raaka-aineen osalta (eucalyptus, maissin 21

22 korjuutähteet) varsin kaukana suomalaisista olosuhteista ja pitkäkiertoisen puun ja hakkuutähteiden käytöstä. Roberts et al. (2010) ovat tehneet varsin kattavan elinkaaritarkastelun, jonka oletuksia voidaan osittain hyödyntää tässä tarkastelussa Puuhiilen tuotanto: massa- ja energiataseet Kuten jo raportin aikaisemmassa vaiheessa todettua, lasketaan massa- ja energiataseet tuotantoyksikölle, jonka koko on 50 MW kuivaa biomassaa. Tehollinen kapasiteetti riippuu siitä, kuinka kosteaa tuotantolaitokselle tuleva raaka-aine on. Mikäli raaka-aineen kosteuspitoisuus on 50%, on laitoksen kapasiteetti 90% käyntiasteella noin 43.6 MW polttoainetta ja kosteaa haketta laitos käyttäisi noin m 3 vuodessa Kuivaus Biomassan kuivauksessa pyritään poistamaan mahdollisimman suuri osa biomassan sisältämästä vedestä, jotta itse pyrolyysin ohjaus ja tuotteiden laatu saadaan optimoitua. Riippuen ympäröivästä infrastruktuurista, voidaan märän biomassan kuivaukseen käyttää pyrolyysi-prosessin savukaasuja tai mahdollisesti saatavilla olevaa kaukolämpövettä. Saatavilla oleva kuivausenergia vaikuttaa kuivurin valintaan. Tässä tapauksessa oletetaan, että hakkeen kuivaukseen alkukosteudesta aina 15%:iin asti käytetään pyrolyysiyksikön savukaasuja ja lisäksi tarpeen mukaan pyrolyysikaasun polttimelta lisälämpöä. Tarvittavan lisälämmön määrä riippuu biomassan alkukosteudesta. Yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan, että kuivaaminen vaatii energiaa 3.6 MJ/kg H 2 O:ta. Mikäli raakaaineen lähtökosteus on alhainen (kannot 30%), on kuivauksen kokonaisenergiantarve pienempi Hidas pyrolyysi Pyrolyysin mallinnuksessa on käytetty hyväksi laboratoriomittakaavan pyrolyysikokeita, joiden oletetaan vastaavan teollisen mittakaavan tilannetta. Lähteenä on käytetty Demirbasin (2001) tekemiä pyrolyysikokeita pyökille ja kuuselle ja oletettu niiden kuvaavan myös suomalaisen hakeraaka-aineen pyrolyysia. Pyrolyysikokeita tehtiin lämpötilavälillä K. Pyrolyysin saantoja voidaan arvioida eri lämpötiloissa. Datasta on tehty sovitteet joko logaritmista, toisen asteen tai suoran sovitusta käyttäen, jolloin on saatu yhtälöt puuhiilen saannolle ja hiilen, vedyn, tuhkan sekä hapen osuudelle puuhiilessä. Johtuen käytetyistä sovitusmenetelmistä, saadaan edustavia saantoja lämpötilavälillä o C. Kuviossa 6 on esitetty esimerkkinä puuhiilen saanto ja kuviossa 7 hiilisaanto eri lämpötiloissa. 22

23 Puuhiilen saanto (kuusi) Puuhiilen saanto (keskiarvo) Puuhiilen saanto (pyökki) Log. (Puuhiilen saanto (keskiarvo)) % 30.0 y = -16.8ln(x) R² = Lämpötila [K] Kuvio 6. Puuhiilen saanto (data: Demirbas 2001). Hiilipitoisuus (kuusi) Hiilipitoisuus (keskiarvo) Hiilipitoisuus (pyökki) Poly. (Hiilipitoisuus (kuusi)) % y = -6E-05x x R² = Lämpötila [K] Kuvio 7. Hiilen osuus puuhiilessä (data: Demirbas 2001). Käyttämällä sovitettuja saantoyhtälöitä saadaan puuhiilen koostumus, jolloin tiedetään sivutuotteisiin päätyvien komponenttien määrä. Ainetaseen lisäksi pyrolyysille lasketaan energiatase, joka perustuu kirjallisuudessa esitettyihin arvoihin. Pyrolyysilämpötilaksi oletetaan peruslaskennassa 450 o C, joka on riittävä hyvälaatuisen puuhiilen tuottamiseksi. Energiaa tarvitaan veden höyrystämiseen, puun, hiilen ja kaasun lämpötilan nostoon. Pyrolyysin oletetaan olevan lievästi eksoterminen (-400 kj/kg ka). Nämä on otettu laskennassa huomioon. Pyrolyysin häviöt seuraavat Roberts et al. (2010) oletuksia, samoin kuin pyrolyysin käynnistykseen tarvittavan lisäenergian tarve (metsähake 58 MJ/t kuiva hake). 23

24 Sivutuotteiden hyödyntäminen Elinkaarilaskennoissa voidaan tuotteelle laskea hyvityksiä, mikäli sivutuotteista saadaan esimerkiksi tuotettua energiaa, joka jouduttaisiin tuottamaan muilla keinoin. Tässä tarkastelussa oletetaan, että pyrolyysin sivutuotteet hyödynnetään sähköntuotannossa. Oletetaan, että pyrolyysikaasu ja nesteet poltetaan ja niistä otetaan lämpö talteen jätelämpökattilan tyyppisellä ratkaisulla CO 2 -päästöt ja energiankulutus Puuhiilen tuotannon osalta CO 2 -päästöt lasketaan käytettyjen fossiilisten energianlähteiden osalta. Puuhiilen tuotannossa tarvitaan sähköä, jonka tuottaminen aiheuttaa hiilidioksidipäästöjä. Puuhiilen tuotannon sähkönkulutukseksi oletetaan 150 kwh/t kuiva-ainetta. Arvio on johdettu Rogers & Brammer (2012) tutkimuksesta, jossa arvioitiin nopean pyrolyysin vaativan 240 kwh/t kuiva-ainetta sähkönkulutuksen. Roberts et al. (2010) raportoivat, että pyrolyysiprosessin käynnistykseen tarvitaan keskimäärin 58 MJ/t ka ulkoista energiaa, joka saatiin maakaasusta. Tässä tarkastelussa oletetaan sama energiamäärä saatavan hakkeesta, jonka tuotannon aikaiset fossiiliset CO 2 - päästöt otetaan huomioon Puuhiilen tuotanto: Tuotantokustannukset Raaka-aine Taulukossa 18 on esitetty jokaiselle hake/murskelajille, joiden tuottamiselle lasketaan myös CO 2 -päästöt ja energiankulutus, niiden hinta tienvarressa haketettuna (hakkuutähde- ja kokopuuhake) tai käyttöpaikalla (kantomurske) ilman kaukokuljetuskustannuksia. Raaka-aineen hinnat on johdettu lähteestä Ihalainen & Niskanen (2010). Oletuksena on, että raaka-aineesta maksetaan sen energiasisällön mukaan. Jokaisessa tapauksessa puun kuiva-aineen määrä, joka tarvitaan biopelkistimen tuotannossa, on sama, mutta kostean raaka-aineen määrä vaihtelee kosteusprosentin mukaan. Taulukko 18. Raaka-aineen hinta (johdettu lähteestä Ihalainen & Niskanen 2010). Hakkuutähdehake Kokopuuhake Kantomurske Hinta ( /m 3 ) Kosteus-% 50% 50% 30% Hinta ( /t) kostea Hinta ( /MWh)* * Hakkuutähdehakkeen ja kokopuuhakkeen energiasisältö laskettu 1.88 MWh/m 3 (50% kosteus) ja kantomurskeen energiasisältö 2.04 MWh/m 3 (30% kosteus). Kaukokuljetuskustannukset hakkuutähde- ja kokopuuhakkeelle lasketaan käyttämällä Pettyn & Kärhän (2011) esittämää yhtälöä (9): C Kuljetus x (9) 24

25 jossa C Kuljetus on kaukokuljetuskustannus, euroa per kuutio kohden ( /m 3 ) ja x on kaukokuljetusmatka (km). Oletettu kuorman koko on 42.5 m 3, joka on suurin piirtein keskimääräinen hakekuorman koko Suomessa. Kaukokuljetuskustannukset kokonaisille kannoille oletetaan olevan 15% suuremmat, laskettuna samalla yhtälöllä kuin hakkuutähde- ja kokopuuhakkeelle. Kaikille tapauksille oletetaan, että 80 km kaukokuljetusmatka riittää perustapauksessa siihen, että laitokselle saadaan toimitettua noin m 3 raaka-ainetta. Tuotantolaitoksen koolla on vaikutus myös tarvittavaan raaka-aineen määrään. Mikäli raaka-aine joudutaan hankkimaan laajalta alueelta, muodostuu kuljetuskustannuksista jossain vaiheessa rajoittava tekijä. Yhtälö, jolla voidaan arvioida keskimääräistä hankintaetäisyyttä, jotta saadaan tarvittava määrä raakaainetta, on esitetty alla (10): 2 2F x (10) 3 Y, jossa x on keskimääräinen hankintaetäisyys, jolla saadaan hankittua riittävä määrä raaka-ainetta puuhiilituotantoon. Kertoimella 2/3 on painotettu hankintaetäisyyttä maksimaalisesta hankintaetäisyydestä, on mutkittelevuustekijä, joka kuvaa todellisen kuljetun matkan suhdetta suoraan etäisyyteen kahden pisteen välillä. Mutkittelevuustekijä 1 kuvaa suoraa etäisyyttä kahden pisteen välillä ja 3 erittäin huonoja liikenneyhteyksiä (Wright & Brown 2007, Wright et al. 2008). Tässä työssä käytetään mutkittelevuustekijälle arvoa 2, jonka voidaan olettaa kuvaavan varsin hyvin kehittynyttä tieverkostoa. F kuvastaa vuosittaista puun tarvetta (m 3 ) ja kerroin 2 osoittajassa ottaa huomioon sen, että hankinta-alue on puoliympyrä (laitos meren läheisyydessä). Metsäalan pinta-ala, jolta metsähakkeeksi sopivaa raaka-ainetta voidaan hankkia, on merkitty : :lla ja prosenttiosuus, jota käytetään, on 88.3%. Y tarkoittaa yhtälössä metsähakkeen saantoa vuositasolla, joka on saatavissa hankinta-alueelta (m 3 /km 2 ) Investointikustannukset Puuhiilen tuotantolaitos koostuu esikäsittelyvaiheista, pyrolyysivaiheesta ja lämmön talteenotosta. Esikäsittelyvaiheisiin kuuluu raaka-aineen varastointi, mahdollinen haketus, syöttö kuivuriin ja syöttö pyrolyysivaiheeseen. Pyrolyysiin kuuluu pyrolyysireaktori ja hiilen jäähdytysvaihe. Pyrolyysissa syntyy sivutuotteena pyrolyysikaasua ja tervoja, jotka voidaan saada talteen lämpönä tai edelleen jalostaa siitä esimerkiksi bio-metaania (Görling 2012). Yksinkertaisin tapa käsitellä pyrolyysikaasut lienee polttaa ne ja tehdä siitä lämpöä ja sähköä. Osa pyrolyysikaasusta tarvitaan kuivauksen ja pyrolyysin energiatarpeiden täyttämiseen. Tässä tarkastelussa oletetaan, että ylimääräiset sivutuotteet ja niiden käsittelyyn tarvittavat laitteistot eivät kuulu investointiin. Investointiin kuuluvat myös perustukset ja muu infrastruktuurin rakentaminen. Pyrolyysilaitoksen investointikustannukset on johdettu lähteestä Roberts et al. (2010), jotka ovat esittäneet investointikustannukset pyrolyysilaitokselle, jonka kapasiteetti on 10 tonnia kuivaa biomassaa tunnissa 80% käyttöasteella. Esikäsittelylaitoksen investointikustannus on 3.6 M$ ja pyrolyysilaitoksen

26 M$ (Roberts et al. 2010). Vuoden 2007 kurssilla investointikustannukset ovat 2.7 M esikäsittelylaitokselle ja 7.9 M pyrolyysilaitokselle. Kapasiteetti korjataan yhtälön (5) avulla Tuotannon tekijät Tuotannontekijöistä otetaan huomioon sähkö, jonka hinnaksi oletetaan 50 /MWh. Työvoimakustannukset lasketaan oletuksella, että tehtaalle tarvitaan 12 työntekijää, joiden palkka vuodessa Tehtaanjohtajan palkaksi oletetaan Torrefiointi Kirjallisuus Torrefiointi on puun lämpökäsittelyä alhaisissa lämpötiloissa ja hapettomissa olosuhteissa. Lämpötila on alle 290 o C ja torrefiointiyksikkö pyritään suojaamaan ilmavuodoilta. Torrefioinnissa biomassasta, joka yleensä kuivataan noin 15-% kosteuteen, poistetaan loppu vesi ja osa haihtuvista aineista. Näin saadaan kasvatettua syntyneen tuotteen lämpöarvoa, mutta parannettua myös tuotteen jauhautuvuutta esimerkiksi ajatellen kivihiilikattila-injektointia. Torrefioidussa biomassassa on edelleen korkea happipitoisuus, joka heikentää sen koksin korvaussuhdetta masuunissa. Toisaalta torrefioidun biomassan tuotannossa ei menetetä biomassan alkuperäisestä kemiallisesta energiasta kuin pieni osa. Energiasaanto torrefioinnissa on luokkaa 70 95% riippuen torrefiointilämpötilasta (taulukko 19) (Phanphanich & Mani 2011). Taulukko 19. Torrefioinnin massa- ja energiasaanto (%) Phanpanich & Mani 2011). Biomassa Torrefiointi lämpötila ( o C) Massasaanto (%) Energiasaanto (%) Mäntyhake Hakkuutähdehake Torrefiointia biomassan esikäsittelynä on tutkittu varsin paljon mm. Hollannissa sijaitsevassa ECN:n tutkimuslaitoksessa. Bergman (2005) ja Bergman et al. (2005a, 2005b) ECN: ltä ovat tehneet pioneerityötä torrefioinnin tutkimuksessa ja tällä hetkellä Euroopan laajuisesti on meneillään useita torrefiointiin liittyviä kansainvälisiä tutkimushankkeita ja teknologian kehityshankkeita (Chew & Doshi 2011). Kuten pyrolyysissa, myös torrefiointiin on tutkittu erilaisia teknologiavaihtoehtoja ja lämmitysvaihtoehtoja (Bergman et al. 2005b, Uslu et al. 2008). Torrefioinnin prosessikaavio on esitetty yksinkertaistettuna kuviossa 8. 26

27 Biomassa Biomassan ja kaasun poltto Biomassan esikäsittely Biomassan torrefiointi Jäähdytys Torrefioitu biomassa Kuvio 8. Torrefioidun biomassan tuotanto (muokattu lähteestä Bergman et al. 2005) Torrefioidun puun tuotanto: massa- ja energiataseet Kuivaus Kuivauksessa oletetaan sama energiantarve kuin pyrolyysilaitoksessa (3.6 MJ/kg H 2 O). Kuivauksen tarvitsema energia saadaan polttamalla torrefioinnissa syntyvä kaasu ja lisäksi poltetaan osa tehtaalle tuodusta puusta Torrefiointi Torrefioinnin massa- ja energiataseiden laatimisessa hyödynnetään lähteitä Bergman et al. (2005b) ja Uslu et al. (2008), jotka ovat esittäneet massa ja energiataseet 150 MW polttoaineteho torrefiointilaitokselle. Materiaali- ja energia taseet on skaalattu tässä tarkastelussa siten, että tehtaalle tulevan puun kuivaaineen tehollinen kapasiteetti on 50 MW. Tehty malli on yksinkertaisempi, kuin puuhiilen tuotantolaitokseen tehty malli, eikä sillä pysty laajasti tekemään erilaisten skenaarioiden simulointia. Torrefiointilämpötilan oletetaan olevan noin 280 o C, jolloin massasaannon 15% kosteudessa olevasta puusta voidaan olettaa olevan noin 70% (Uslu et al. 2008). Massasaanto puun kuiva-aineesta on tällöin noin 82%. Torrefioidun puun lämpöarvoksi (LHV) voidaan olettaa 21.8 MJ/kg. Koko torrefiointiketjun terminen hyötysuhde on 96%, kun raaka-aineen kosteus on 50% (Bergman et al. 2005). Torrefioinnissa syntyy sivutuotekaasua, joka poltetaan prosessien lämpöenergian tarpeen tyydyttämiseksi CO 2 -päästöt ja energiankulutus Fossiilisia päästöjä syntyy sähkönkulutuksesta. Lisäksi energiankulutukseen lasketaan myös se osa biomassasta, joka tarvitaan torrefioinnin ja kuivauksen termisen energiantarpeen tyydyttämiseksi. Torrefioinnin sähkönkulutuksen oletetaan olevan 113 kwh/t torrefioitu puu (Koppejan et al. 2012) Torrefioidun puun tuotanto: Tuotantokustannukset Raaka-aine Raaka-aineen ominaisuudet ja hinta oletetaan samoiksi kuin puuhiilen tuotantokustannusten laskennassa. Torrefioinnin raaka-ainetarpeen (50 MW kuivaaine) lisäksi oletetaan haketta käytettävän lämpöenergian tuottamiseen. 27

28 Investointikustannukset Investointikustannukset on johdettu ECN:n tekemistä taloudellisista tarkasteluista, käyttämällä hyväksi kapasiteettitekijäkertoimia, jotka esitettiin luvussa Kuivauksen ja torrefioinnin läpi kulkeva massavirta on 9.47 t/h. Bergman et al. (2005) ovat arvioineet, että kt tuotantoon riittää yksi torrefiointilinjasto. Tässä laskennassa torrefioidun biomassan tuotanto 90% käyntiasteella on 61.4 kt, jolloin voidaan olettaa yhden linjaston riittävän. Oletetaan tuotantoteknologiaksi rumpureaktori. Kirjallisuuslähteissä koko laitoksen (60 kt torrefioitua puuta) investointikustannuksiksi on annettu noin 7.5 M (perusvuodeksi oletettu 2006) (Uslu et al. 2008). Kustannukset muutetaan vuoden 2011 valuutaksi, kapasiteetti korjataan kertoimella 0.7, ja mukaan otetaan 15% käyttöpääoma Tuotannon tekijät Samat kuin puuhiilen tapauksessa. Uslu et al. (2008) mukaan torrefioinnin ulkoisen energian tarve on noin 700 MJ per tonni torrefioitua biomassaa, joka saadaan polttamalla haketta. Tämän lisäksi osa kuivauksen tarvitsemasta lämpöenergiasta tuotetaan polttamalla haketta. Hakkeen tarve riippuu kuivattavan hakkeen kosteudesta. 4.3 Kaasutus ja metanointi Kirjallisuus Biomassasta tuotetun synteettisen maakaasun (Bio-SNG) tuotanto biomassasta on yksi mahdollisista keinoista tuottaa monikäyttöistä polttoainetta useisiin käyttökohteisiin. Puhdasta Bio-SNG:tä (> 95% CH 4 ) voidaan syöttää olemassa oleviin maakaasuverkkoihin. Bio-SNG:n yksinkertaistettu tuotantokaavio on esitetty kuviossa 9 (Rönsch & Kaltschmitt 2012). Biomassa Biomassan esikäsittely Biomassan kaasutus Kaasun puhdistus Metanointi SNG:n jalostus Bio-SNG Kuvio 9. Bio-SNG:n tuotanto (Rönsch & Kaltschmitt 2012). Biomassan esikäsittelyyn kuuluu kuivaus ja partikkelikoon muokkaaminen halutunlaiseksi käyttämällä hakkureita ja jauhimia. Partikkelikokoon vaikuttaa muun muassa käytetty kaasutusteknologia. Biomassan kaasutuksessa voidaan käyttää erilaisia kaasutusteknologioita (van der Meijden et al. 2010, Rönsch & Kaltschmitt 2012, Heyne et al. 2012, Hacatoglu et al. 2010, Gassner & Maréchal 2009). Kaasutuksessa käytetään korkeita lämpötiloja, joissain teknologioissa jopa 1600 o C. Kaasujen puhdistuksessa erotetaan tuottajakaasusta kiintoainepartikkelit, tervat, rikki, typpi ja halogeeniyhdisteet (Rönsch & 28

29 Kaltschmitt 2012). Puhdistettu kaasu johdetaan metanointivaiheeseen, joka koostuu joko useista kiinto- tai leijupetireaktoreista. Metanaatioreaktiot ovat voimakkaasti eksotermisia (van der Meijden et al. 2010). Metanointivaiheen jälkeen raakakaasusta poistetaan vesi ja hiilidioksidi Bio-SNG:n tuotanto: massa- ja energiataseet Kuivaus Kuivauksessa käytetään ylijäämälämpöä kaasutuksesta ja metanoinnista. Kuivaukseen tarvittava terminen energia on edelleen sama kuin pyrolyysi- ja torrefiointitapauksissa (3.6 MJ/kg H 2 O). Kuivauksessa oletetaan biomassa kuivattavan lähtökosteudesta 15%:n loppukosteuteen, joka on riittävä varmistamaan tehokkaan kaasutuksen (Hacatoglu et al. 2010) Kaasutus ja metanointi Massataseet on hyvin pitkälle johdettu arvioista, jotka on esitetty lähteessä Hacatoglu et al. (2010). Teknologia, jota on tarkasteltu Hacatoglu et al. (2010) työssä, perustuu paineistettuun happikaasutukseen. Metanointi suoritettiin adiabaattisissa reaktoreissa välilauhdutuksella. Mukana ketjussa ovat myös CO 2 ja veden poisto. Kaasutuksen ja metanoinnin yhdistetyksi energiasaannoksi on laskettu Hacatoglu et al. (2010) esittämistä arvoista 70.5%. Kaasutuksen hapen tarve on laskettu Gassnerin ja Maréchalin (2012) esittämistä tuotantoluvuista. Heidän mukaansa 20 MW laitoksessa 10% kosteudessa olevan biomassan massavirtaa 1.19 kg/s kohden tarvitaan 0.26 kg/s happea. Lisäksi tarvitaan noin 0.4 kg/s höyryvirta. Oletetaan sama suhde myös tässä työssä, vaikka biomassan kosteus on 15%. Näin ollen saadaan hapen massavirtaukseksi 0.68 kg/s Sivutuotteiden hyödyntäminen Kaasutuksessa ja metanoinnissa syntyy prosessiparametreista riippuen ylimäärälämpöä, joka voidaan hyödyntää sähköntuotannossa (Hacatoglu et al. 2010) CO 2 -päästöt ja energiankulutus Synteettisen maakaasun tuottaminen vaatii suuren määrän sähköenergiaa. Hacatoglu et al. (2010) esittävät Bio-SNG:n kaiken sähköenergian tarpeen olevan 330 kwh/t kuivaa biomassaa. Tämä oletus sisältää myös hapen tuotannossa tarvittavan sähköenergian. Mikäli tuotantolaitoksella on investoitu oma sähköntuotantoyksikkö, voidaan osa sähköntarpeesta täyttää sivutuotteista tuotetulla sähköllä. Tässä tapauksessa oletetaan kuitenkin, että sellaista mahdollisuutta ei ole. 29

30 4.3.3 Bio-SNG:n tuotanto: tuotantokustannukset Raaka-aine Puuraaka-aineen kustannukset ovat samat kuin puuhiilen ja torrefioidun puun tapauksessa Investointikustannukset Investointikustannuksissa nojaudutaan Gassnerin ja Maréchalin (2009) esittämiin arvioihin paineistettuun happikaasutukseen perustuvasta laitoksesta. Heidän mukaansa Bio-SNG tuotantolaitoksen, jonka kapasiteetti on 20 MW terminen, raakaaine, investointikustannukset ovat 17.9 M (perusvuosi 2006 oletettu). Heidän analyysinsa sisälsi myös höyrypiirin, joka tässä tarkastelussa jätetään huomiotta. Oletuksena on, että ylimääräenergian hyödyntäisi toinen toimija. Näin ollen investointikustannuksiksi voidaan olettaa 17.0 M Tuotannon tekijät Hapen hinnaksi oletetaan 8 $/100 m 3, joka on luettu kuviosta 10, kun hapen tarve on noin 2000 m 3 /h. Oletetaan hapen hinnaksi noin 5.75 /100 m 3 (kurssimuunnos 2011 arvoilla). Kuvio 10. Hapen hinta (Kirschner 2012). 30

31 kg CO2/t hake (ka) 5. TULOKSET I Tässä osiossa esitetään laskentojen tulokset. Ensimmäisessä kappaleessa 5.1, tarkastellaan haketusketjujen aikana syntyvien fossiilisten hiilidioksidipäästöjen määrää ja tarvittavaa energiamäärää määritettyä yksikköä kohden. Kappaleissa esitetään termokemiallisten konversioteknologioiden massa- ja energiataseet sekä niihin liittyvät ympäristövaikutukset ja taloudelliset tekijät. 5.1 Haketusketjut Työssä tarkasteltiin kolmen eri raaka-aineen; hakkutähde, pienpuu ja kannot käyttämistä pelkistimien tuotannossa raaka-aineena. Seuraavassa on esitetty fossiiliset hiilidioksidipäästöt ja energiantarve tuotettua haketonnia (kuiva-aine) ja energiayksikköä (MWh, märkä) kohden. Laskennat on tehty ainoastaan haketusketjun aikana syntyvistä päästöistä Hiilidioksidipäästöt Kuviossa 11 on esitetty eri hakelajien tuotantovaiheen aiheuttamat hiilidioksidipäästöt. Tarkastelussa ei ole otettu huomioon tuotantokoneiden eikä polttoaineen tuotannosta aiheutuvia hiilidioksidipäästöjä. Suurimmat hiilidioksidipäästöt tuotettua kuivaa haketonnia kohti aiheutuvat kantomurskeen tuotannosta. Yksinkertainen selitys suurimmille päästöille on useampien työvaiheiden tarve tuotantovaiheessa. Kantomurskeen tuotannosta aiheutuvat hiilidioksidipäästöt ovat 38.1 kg/t kuivaa haketta, kun taas hakkuutähteestä tuotetun hakkeen hiilidioksidipäästöt ovat 25.1 kg/t kuivaa haketta. Hakkuutähteen päästöt ovat pienemmät johtuen siitä, että siinä ei ole erillistä korjuuvaihetta, vaan hakkurin päästöt ohjautuvat tukkipuulle Työkoneiden siirto Murskaus/haketus Kaukokuljetus Kuormaus ja purku Metsäkuljetus Nosto/korjuu 0.00 Hakkuutähde Kannot Pienpuu (50 %) Pienpuu (30 %) Kuvio 11. Metsähake/murskeketjujen fossiiliset hiilidioksidipäästöt kgco 2 /t hake (kuiva-aine). 31

32 Pienpuuhakkeen osalta tarkasteltiin kahta eri tapausta. Ensimmäisessä tapauksessa pienpuu toimitettiin tuoreena käyttöpaikalle 50% kosteudessa ja toisessa oletettiin kuivuminen tien varressa 30%:n kosteuteen. Hiilidioksidipäästöissä ei oletusten perusteella ole suurta eroa (34.4 kgco 2 /t kuiva hake 50% kosteudella ja 35.9 kgco 2 /t kuiva hake 30% kosteudella). Tienvarsikuivauksen kuiva-ainehävikkiä kompensoi osaltaan se, että kuorman kokoa voidaan hieman suurentaa. Kuviossa 12 on esitetty fossiiliset hiilidioksidipäästöt tuotettua energiayksikköä kohden (MWh). Kuviosta nähdään, että kantojen ja kuivemman pienpuun (kosteus 30%) hiilidioksidipäästöjen määrä lähenee hakkuutähdehakkeen ja kosteamman pienpuuhakkeen hiilidioksidipäästöjä. Tämä johtuu siitä, että kuivemman hakkeen ja murskeen tehollinen lämpöarvo saapumistilassa on suurempi kg CO 2 /MWh hake Työkoneiden siirto Murskaus/haketus Kaukokuljetus Kuormaus ja purku Metsäkuljetus Nosto/korjuu 0.00 Hakkuutähde Kannot Pienpuu (50 %) Pienpuu (30 %) Kuvio 12. Metsähake/murskeketjujen fossiiliset hiilidioksidipäästöt kgco 2 /MWh hake. Tuotantolaitteiden hiilidioksidipäästöt pohjautuvat suomalaiseen kirjallisuuteen. Kirjallisuudessa esitetyt arviot metsähakkeen tuotannon aikaisille päästöille ovat varsin hyvin linjassa esitettyjen lukujen kanssa. Wihersaari (2005b) on esittänyt hakkuutähteestä tuotetun hakkeen tuotannon hiilidioksidipäästöiksi 4 7 CO 2 eq/mwh. Mälkin ja Virtasen (2003) arvioissa päästöt ovat luokkaa 7 9 kgco 2 /MWh. Erikssonin ja Gustavssonin (2008) mukaan hiilidioksidipäästöt ovat hakkuutähdehakkeelle 3.7 kgco 2 /MWh, kantomurskeelle 5.5 kgco 2 /MWh ja pienpuuhakkeelle kgco 2 /MWh. Tässä tutkimuksessa esitetyt arvot ovat hyvin lähellä kirjallisuudessa esitettyjä arvioita. Kaukokuljetusmatkalla on varsin suuri vaikutus hakkeen tuotannon hiilidioksidipäästöihin. Kuviossa 13 on esitetty kaukokuljetusmatkan vaikutus metsähakkeen ja -murskeen hiilidioksidipäästöihin. Peruslaskennassa, joihin yllä olevat kuviot perustuvat, kaukokuljetusmatka oli 80 kilometriä. Kaukokuljetuksen osuus hiilidioksidipäästöistä on luokkaa 24 39% eri raakaainelähteille (laskettuna tuotettua kuivaa haketonnia kohden). Prosentuaalisesti suurin kaukokuljetuksen osuus hiilidioksidipäästöistä on hakkuutähteellä, jonka tuotannon yhteenlasketut hiilidioksidipäästöt ovat pienimmät. Mikäli raaka- 32

33 aineen hankinnassa päästään lyhyisiin kuljetusmatkoihin, voitaisiin kokonaishiilidioksidipäästöjä laskea merkittävästi. CO2 hakkuutähde CO2 kanto CO2 pienpuu 50 % CO2 pienpuu 30 % Hiilidioksidipäästöt (kg CO 2 /t hake (ka)) MJ/t hake (ka) Kaukokuljetusmatka (km) Kuvio 13. Kaukokuljetusmatkan vaikutus metsähakkeen/murskeen tuotannon hiilidioksidipäästöihin kgco 2 /t hake (kuiva) Energiankulutus Metsähakkeen tuotantoon tarvitaan energiaa, joka saadaan pääasiassa käytettävistä polttoaineista ja sähköstä. Kuviossa 14 on esitetty energiankulutus tuotettua kuivaa haketonnia kohden (MJ/t hake) ja kuviossa 15 tuotettua energiayksikköä kohden (kwh/mwh). Sähkönkulutus on esitetty ns. sekundaarienergiana, jolloin sähkön tuottamisen primaarienergiaa ei ole otettu huomioon. Tätä tarkastelua jatketaan osioissa 6 ja Työkoneiden siirto Murskaus/haketus Kaukokuljetus Kuormaus ja purku Metsäkuljetus Nosto/korjuu 0 Hakkuutähde Kannot Pienpuu (50 %) Pienpuu (30 %) Kuvio 14. Metsähakkeen ja -murskeen tuotannon energiankulutus MJ/t hake (kuiva-aine). 33

34 kwh/mwh hake kostea Primaarienergian kulutus kwh/mwh Työkoneiden siirto Murskaus/haketus Kaukokuljetus Kuormaus ja purku Metsäkuljetus Nosto/korjuu 0.00 Hakkuutähde Kannot Pienpuu (50 %) Pienpuu (30 %) Kuvio 15. Metsähakkeen ja -murskeen tuotannon energiankulutus kwh/mwh. Kirjallisuudesta on löydettävissä vastaavia arvioita. Esimerkiksi Eriksson ja Gustavsson (2008) ovat esittäneet kuvion 16 kaltaiset primaarienergian kulutukset eri raaka-aineista valmistetulle hakkeelle/murskeelle. Esitetyt lukuarvot ovat hyvin lähellä tässä tutkimuksessa esitettyjä arvoja Murskaus/haketus Kaukokuljetus Metsäkuljetus Nosto/korjuu 0.00 Hakkuutähde Kannot Pienpuu 1 Pienpuu 2 Kuvio 16. Haketus/murskeketjujen primaarienergian kulutus (Eriksson & Gustavsson 2008). 5.2 Puuhiilen tuotanto Massa- ja energiataseet Puuhiilen tuotannossa tarvitaan varsin suuri määrä puuta yhden puuhiili-tonnin tuottamiseen. Pyrolyysin saanto heikkenee lämpötilan noustessa, mutta noin 450 o C, saavutetaan 30% saanto kuivasta puusta, kun käytetään luvussa

35 esitettyjä sovitteita. Kuivaa puuta tarvitaan siis 3.32 tonnia yhtä tuotettua puuhiilitonnia kohden. Märän puun tarve riippuu sen kosteudesta, mutta 50% kosteudessa olevaa puuta tarvitaan 6.63 tonnia. Kuviossa 17 on esitetty yhtä puuhiilitonnia kohti tarvittavan raaka-aineen, sähkön ja ulkopuolisen energian (hake) tarve. Lisäksi kuviossa on esitetty saatavilla oleva lämpöenergia, joka jää käyttämättä sisäisen energiantarpeen jälkeen. Sivutuoteenergia 5529 kwh Kostea hake/murske 6.63 t (50% kosteus) Pyrolyysilaitos Lämpötila 450 o C Puuhiili 1 tonni Sähkö 498 kwh Lämpöenergia 53 kwh Kuvio 17. Puuhiilitonnin tuottamiseen tarvittava raaka-aine, sähkö ja fossiiliset polttoaineet sekä saatavilla oleva energia. Lämpöenergia, joka on saatu polttamalla pyrolyysikaasu, voidaan hyödyntää esimerkiksi sähkön tai sähkön- ja lämmöntuotannossa Tuotantokustannukset Puuhiilen tuotantokustannukset laskettuna 50 MW kuiva-aine kapasiteetin pyrolyysilaitokselle on esitetty kuviossa 18. Investointikustannuksiksi massavirtojen laskennan jälkeen saatiin 11.7 M, joka sisältää esikäsittelylaitoksen ja pyrolyysiyksikön. Hakkuutähdehakkeesta, joka on edullisin raaka-aine, tuotetun puuhiilen tuotantokustannukset ovat 332 /t. Kantomurskeesta tuotetun puuhiilen kustannukset olisivat 400 /t ja pienpuusta tuotetun puuhiilen 455 /t. Tässä raportissa esitetyt tuotantokustannukset ovat selkeästi alemmat kuin raportissa WP 4.1, jossa laitoksen investointikustannukset oletettiin huomattavasti korkeammiksi. Suurimman yksittäisen kustannuserän vuositasolla muodostaa kaikissa raaka-aineen käyttöskenaarioissa puu. Raakaaineen osuus kustannuksista on 59 70%. 35

36 Puuhiilen tuotantokustannukste ( /GJ) Ominaiskustannus ( /t puuhiili) Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Sähkö Energiakustannukset (puu) Pääomakustannukset Raaka-aine Kuvio 18. Puuhiilen tuotantokustannukset ( /t). Kuviossa 19 on esitetty puuhiilen tuotantokustannukset puuhiilen energiasisältöä (29.7 MJ/kg) kohden ( /GJ). Tämän lisäksi kuviossa on esitetty mahdollinen sivutuotehyvitys pyrolyysikaasun myymisestä hinnalla (15 /MWh). Ilman sivutuotehyvityksiä puuhiilen tuotantokustannukset ovat /GJ. Sivutuotehyvitysten kanssa puuhiilen tuotantokustannuksiksi voidaan laskea /GJ Sivutuote vähennykset Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Sähkö Energiakustannukset (puu) Pääomakustannukset Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske Raaka-aine Yhteensä ( /GJ) Kuvio 19. Puuhiilen tuotantokustannukset sivutuotehyvityksineen ( /GJ). Tuotantolaitoksen kapasiteetilla on usein suuri vaikutus tuotantokustannuksiin, riippuen kuitenkin teknologiasta sekä raaka-aineen ja tuotannontekijöiden hinnasta. Kapasiteetin muutokset investointikustannuksiin on laskettu kaavalla (8). Raaka-aineen hinta muodostuu yhtälöllä (7) lasketun keskimääräisen hankintaetäisyyden kautta. Laskennassa on puun hinnaksi oletettu 30 /m 3. Esimerkki kapasiteetin vaikutuksesta ja yksittäisen laskentamuuttujan vaikutuksista on esitetty kuvioissa 20 a) ja b). Kuviossa 20 a) on esitetty kapasiteetin vaikutus tuotantokustannuksiin mutkittelevuuskertoimella 2 ja 36

37 Puuhiilen tuotantokustannukset /t kuviossa 20 b) mutkittelevuuskertoimella 3. Kuviosta 20 a) voidaan havaita, että puuhiilen tuotantokustannukset eivät vaihtele kovinkaan paljoa kapasiteetilla 8 24 t kuiva-ainetta/tunnissa. Mutkittelevuuskertoimen arvolla 3, kuviossa 20 b), raaka-aineen hankintakustannukset olisivat korostuneemmassa asemassa. Samankaltaisia tarkasteluita voitaisiin tehdä muidenkin muuttujien osalta, mutta tässä tarkastelussa ne sivuutetaan a) b) Puuhiilen tuotantokustannukset /t Laitoksen koko tka/h Laitoksen koko tka/h Kuvio 20. Laitoksen kapasiteetin vaikutus tuotantokustannuksiin (a) mutkittelevuuskertoimella 2 ja (b) mutkittelevuuskertoimella CO 2 -päästöt ja energiankulutus Puuhiilen tuotannon CO 2 päästöihin lasketaan tässä kohdassa ylimääräisen lämpöenergian tuottamisesta ja sähköenergian tuottamisesta aiheutuvat fossiiliset hiilidioksidipäästöt. Puuhiilen tuotannossa ei tarvita suurta määrää ulkopuolista lämpöenergiaa. Puuhiilen tuotannon epäsuoriin CO 2 -päästöihin lasketaan myös käytetyn sähkön tuotannossa syntyvät fossiiliset CO 2 -päästöt. Polttoon menevän hakkeen (23.2 kg/t puuhiiltä) aiheuttamat hiilidioksidipäästöt ovat 50% kosteuden pienpuulla ainoastaan 2.4 kg per tuotettu puuhiilitonni. Puuhiilen tuotannossa tarvitaan sähköä kwh sähköä per tuotettu puuhiilitonni. Sähköntuotannosta aiheutuvat epäsuorat CO 2 -päästöt ovat kg ja sähköntuotannon primaarienergiankulutus 4207 MJ/t puuhiiltä. 5.3 Torrefioidun puun tuotanto Massa- ja energiataseet Torrefioinnin massa- ja energiataseet skaalattiin ja laskettiin kirjallisuudesta saatujen arvojen perusteella. Torrefioinnissa massa- ja energiasaanto kiinteään tuotteeseen on suurempi kuin pyrolyysissa, jossa suurempi osa puun kuivaaineesta ja energiasisällöstä menetetään kaasuihin ja nesteisiin. Kuviossa 21 on esitetty torrefiointilaitoksen tarvitsemat raaka-aineet, sähkön- ja lämpöenergian tarve laskettuna kappaleen 4.2 oletusten mukaisesti. Lukuarvot on laskettu kuivaa tuotetta kohden. Lämpöenergia saadaan polttamalla haketta, jonka kosteudeksi oletetaan 50%. 37

38 Ominaiskustannus ( /t torrefioitu biomassa) Kostea hake/murske 2.43 t (50% kosteus) Torrefiointilaitos Lämpötila 280 o C Torrefioitu puu 1 tonni Sähkö 113 kwh Lämpö 933 kwh Kuvio 21. Torrefioidun biomassa-tonnin tuottamiseen tarvittava raaka-aine, sähkö ja ulkopuolelta tuotava lämpöenergia. Laskennallisesti saatu lämpöenergian tarve eroaa varsin suuresti useista torrefioinnin lämmöntarvetta käsittelevistä julkaisuista (esim. Agar & Wihersaari 2012 ja Koppejan et al. 2012). Lähteessä Bergman et al. (2005) lämpöenergian tarve, johon tämän työn oletukset suurimmalta osin perustuvat, on noin kwh/t torrefioitua puuta. Lämmöntarpeen voidaan siis olettaa olevan lähellä todellisuutta Tuotantokustannukset Torrefioidun biomassan tuotantokustannukset tuotettua torrefioitua biomassa tonnia kohden on esitetty kuviossa 22. Investointikustannuksiksi saatiin 9.0 M, joka on hieman alempi kuin pyrolyysilaitoksen investointikustannukset. Torrefioidun biomassan tuotantokustannuksiksi saatiin /t. Tuotantokustannuksiksi ilman raaka-ainekustannuksia muodostuu 55 /t, joka on linjassa Uslu et al. (2008) tutkimuksen kanssa (40 56 /t) Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Sähkö Energia (hake) Pääomakustannukset Raaka-aine Kuvio 22. Torrefioidun puun tuotantokustannukset ( /t). Raaka-aineen hinnalla on merkittävä rooli tuotantokustannusten muodostumisessa. Tässä tutkimuksessa on oletettu, että 80 km kaukokuljetusmatka on riittävä siihen, että laitokselle saadaan toimitettua riittävä määrä puuraaka-ainetta. Muodostuvat hakkeen hinnat ovat jonkin verran 38