Polttopuun pientuotannon ja -käytön kehitystarpeet

Transkriptio

1 Polttopuun pientuotannon ja -käytön kehitystarpeet Satu Helynen, Heikki Oravainen Teknologiakatsaus 124/2002

2 Polttopuun pientuotannon ja -käytön kehitystarpeet Satu Helynen Heikki Oravainen VTT Prosessit Teknologiakatsaus 124/2002 Helsinki 2002

3 Kilpailukykyä teknologiasta Tekes tarjoaa rahoitusta ja asiantuntijapalveluja kansainvälisesti kilpailukykyisten tuotteiden ja tuotantomenetelmien kehittämiseen. Tekesillä on vuosittain käytettävissä avustuksina ja lainoina runsaat kaksi miljardia markkaa teknologian kehityshankkeisiin. Teknologiaohjelmien avulla maahamme luodaan uutta teknologiaosaamista yritysten, tutkimuslaitosten ja korkeakoulujen yhteistyönä. Ohjelmien tavoitteena on nostaa teknologista kilpailukykyämme tulevaisuuden keskeisillä teollisuuden toimialoilla. Tällä hetkellä Tekesillä on käynnissä noin 50 teknologiaohjelmaa. ISSN X ISBN Kannen kuvat: Nokka-Tume Oy, Tulikivi Oyj, Vapo Oy, VTT Kansi: Oddball Graphics Oy Sisäsivut: DTPage Oy Paino: Paino-Center Oy, 2002

4 Esipuhe Tässä raportissa esitetään yhteenveto Tekesin käynnistämästä Polttopuun pientuotannon ja -käytön t&k-toiminnan aktivointiselvityksestä. Raportissa esitetyt näkemykset perustuvat selvityksen tuloksiin, eivätkä edusta Tekesin virallista kantaa. VTT Prosessit kartoitti alan tutkimus- ja kehitystarpeita yhdessä Työtehoseura ry:n, Jyväskylän Teknologiakeskus Oy:n, Elomatic Papertech Engineering Oy:n, Satakunnan ammattikorkeakoulun sekä JP Management Consulting Oy:n kanssa. Tärkeä osa projektia olivat useat aluetilaisuudet, joihin osallistui yli 200 alan toimijaa aktiivisesti keskustellen. Tilaisuuksien järjestämiseen osallistuivat yhteistyössä VTT:n kanssa useat TE-keskusten teknologiayksiköt, Kymenlaakson ammattikorkeakoulu, Mikkelin ammattikorkeakoulu, Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu, Svenska Yrkeshögskolan, Tampereen ammattikorkeakoulu, Tampereen energiatoimisto, Työtehoseura ry sekä Ylä-Savon Kehittämisyhtiö Oy. Seuraavat erillisselvitykset olivat osana projektia: Työtehoseura ry, Polttopuun pientuotannon t&k-tarpeet Seppo Tuomi Pelletteihin liittyvät t&k-tarpeet Elomatic Papertech Engineering Oy, Aluelämpölaitoksiin liittyvät t&k-tarpeet Johanna Hoppu Satakunnan ammattikorkeakoulu, Lämpöyrittäjyyteen liittyvät kehittämistarpeet Martti Honkasalo ja Jukka Yrjölä JP Management Consulting Oy, Vientipotentiaali, kilpailukyky ja kansainvälinen Hannu Kivelä aspekti polttopuun pientuotannon ja -käytön tutkimus- ja kehitystyön aktivoinnissa Jyväskylän Teknologiakeskus Oy, Informaatio- ja viestintä (ICT) -teknologian Veli-Pekka Heikkinen kehittämistarpeet Jyväskylän teknologiakeskus Oy toimitti projektin käyttöön FINBIO ry:llä teettämänsä selvityksen Polttopuun pientuotannon ja -käytön yritysten t&k-tarpeet Yritys- ja asiantuntijahaastattelun tulokset, jonka on laatinut FINBIO ry:n puheenjohtaja Keijo Mutanen. Projektin vastuullinen johtaja VTT:llä oli tutkimuspäällikkö Satu Helynen ja projektipäällikkönä erikoistutkija Heikki Oravainen. Erikoistutkija Veli Linna osallistui aktiivisesti aluetilaisuuksien organisointiin ja tuotepäällikkö Eija Alakangas raportin toimittamiseen. Kiitämme kaikkia projektiin osallistuneita sekä aluetilaisuuksissa näkemyksiään esittäneitä yhteistyöstä. Helsingissä 12. helmikuuta 2002 Heikki Kotila Teknologiapäällikkö Marjatta Aarniala Teknologia-asiantuntija

5 Tiivistelmä VTT laati Tekesin toimeksiannosta selvityksen polttopuun pientuotannon ja -käytön tutkimus- ja kehitystarpeista yhteistyönä useiden alalla toimivien organisaatioiden kanssa. Projektin osana järjestettiin kymmenen tilaisuutta eri puolilla Suomea, joihin kutsuttiin yrityksiä ja alan t&k-toimijoita keskustelemaan tutkimus- ja kehittämistarpeista. Järjestelyihin osallistuivat useimmiten paikalliset ammattikorkeakoulut. Työtehoseura ry, Satakunnan ammattikorkeakoulu, Elomatic Papertech Engineering Oy, JP Management Consulting Oy sekä Jyväskylän teknologiakeskus Oy laativat selvityksiä erityisaihepiireistä. Tähän raporttiin on koottu keskeisimmät tulokset. Erityisaiheselvitykset liittyivät pienpuun tuotantotekniikkoihin, pellettiteknologian kehittämistarpeisiin, aluelämpöluokan kehittämiseen, vientipotentiaaliin sekä informaatio- ja viestintäteknologian (ICT) soveltamiseen. Selvityksen tuloksena esitetään kullekin osa-alueelle keskeisimmät kehittämistarpeet. On myös arvioitu teknologian kilpailukykyä ja vientipotentiaalia ja verrattu suomalaisen teknologian tasoa potentiaalisten vientimaiden tasoon. Puun lisääntyvä pienkäyttö alentaa osaltaan Suomen hiilidioksidipäästöjä. Uusiutuvien energialähteiden edistämisohjelman tavoitteena on lisätä käyttöä vuoden 1995 luvusta 12,8 TWh 45 %:a vuoteen 2010 mennessä. Uhkana puun pienkäytön lisääntymiselle on kuitenkin muiden ympäristöpäästöjen mahdollinen lisääntyminen. Mikäli puun pienkäyttöä lisätään Suomessa käyttäen nykyistä teknologiaa, hiilimonoksidi-, hiilivety- ja hiukkaspäästöt lisääntyvät. Varsinkin taajamissa puun polton päästöjä pitäisi pystyä rajoittamaan nykyisestä. Kehittämällä sekä panospolttoisia tulisijoja ja kattiloita että jatkuvaa polttoa käyttäviä stokeri- ja pellettipolttimia, päästöjä voidaan oleellisesti vähentää. Suurin haaste liittyy panospolttoisten puunpolttolaitteiden kehittämiseen. Palamisprosessin parempaan hallintaan antaa mahdollisuuksia mm. nykyaikainen mittaus-, säätö- ja ohjaustekniikka. Myös katalysaattorien käyttö voi olla mahdollista tulevaisuuden puunpolttolaitteissa. Tarvitaan merkittäviä uusia innovaatioita, jotta puun pienkäytön tavoitteisiin päästään. Nykyisten laitteiden pienet muutokset eivät siihen riitä. Kun uuden sukupolven teknologia on saatu kehitettyä, avautuu sille lähes rajattomat vientimahdollisuudet lähialueille ja koko Euroopan alueelle. Lähes kaikissa maissa puun käytölle on asetettu huomattavia lisäämistavoitteita. On ennakoitavissa, että omatoimisen polttoaineiden hankinnan osuus pienenee, joskin sen määrä säilyy edelleen merkittävänä. Polttoainekaupan lisääntymisen lisäksi lämmön myynnin arvioidaan kasvavan. Alan tuotteiden markkinat ovat Euroopassa merkittävät, ja viennin arvioidaan lisääntyvän. Liiketoiminnan kokonaisvolyymi vuonna 2010 on arviolta 800 miljoonaa euroa, josta suurin osa on laitevalmistusta. Polttoainekaupan ja lämpöliiketoiminnankin arvioidaan yhdessä ylittävän 170 miljoonan euron rajan. Puun pienkäyttö on perinteisesti ollut kotitalouksien ja maatilojen puun käyttöä, jossa suurin osa (n.70 %) puun hankinnasta hoidetaan itse tai polttoaineesta ei makseta hintaa. Tilanne on muuttumassa, ja kuluttajille on tarjolla markkinoilla erityyppisiä polttoaineita. Valikoima on lisääntynyt jalosteilla, kun pelletit ja briketit ovat tulleet markkinoille. Markkinavolyymin kasvaessa 800 miljoonaan euroon vuoteen 2010 mennessä, työllistävyys kasvanee jopa henkilötyövuoteen. Monelle puun pientuotannon alueella toimivalle työ on osa-aikaista lisäansiota, joten alalla toimii merkittävästi suurempi määrä henkilöitä. Omatoimisen puun hankinnan osuus tulee prosentuaalisesti alenemaan ja puun lisäkäyttö perustuu polttoainekauppaan ja lämpöliiketoimintaan. Tämä merkitsee mm. pelisääntöjen luomista polttoaineiden ja energian kauppaan, polttoaineiden laadun standardisointia, laitteiden ja järjestelmien edelleen kehittämistä jne. Polttoaineen pitää olla taloudellisesti kilpailukykyistä muiden energiamuotojen kanssa. Polttolaitteiden kehittämisessä suurin haaste on päästöjen alentamisessa niin, että laitteiden hinta pysyy kilpailukykyisenä. Päästöihin voidaan puuta poltettaessa vaikuttaa hyvin paljon myös oikealla laitteen käytöllä ja hyvälaatuisella polttoaineella. Sen takia tarvitaan teknologian kehittämisen rinnalla myös koulutusta ja tiedotusta.

6 Abstract VTT has, in co-operation with a number of organisations operating on small-scale production and use of firewood, carried out a survey of research and development needs in this field. Ten information seminars were organised in different locations of Finland, to which enterprises as well as research and development organisations in this field were invited. Local polytechnics, TTS Institute, Satakunta Polytechnic, Elomatic Papertech Engineering Oy, JP Management Consulting Oy, and Jyväskylä Science Park Ltd carried out surveys in specific fields. This report includes the most essential results. The specific surveys concerned small wood production techniques, development needs in pellet technique, development work in district heating sector, export potentials, and applications of ICT technologies. As results, the most important development needs for each sub-field are presented. The competitiveness and export potential of technology are also evaluated and the level of Finnish technology is compared with that of potential export countries. The increasing small-scale use of wood will contribute to the reduction of carbon dioxide emissions in Finland. The aim of the Action Plan for Renewable Energy Sources launched by Ministry of Trade and Industry is to increase the use by 45% from 12.8 TWh in 1995 by the year However, this increase involves a possible increase of other emissions to the environment. If the small-scale use of wood is increased in Finland by employing the present technology, carbon monoxide, hydrocarbon and particle emissions will increase. Emissions from wood combustion should be reduced from the present level especially in densely populated areas. Emissions can essentially be reduced by developing both batch-type fireplaces and boilers and continuous-burning stoker and pellet burners. The greatest challenge is related to the development of batch-type wood-combustion appliances. The control of the combustion process can be improved, i.a., with the aid of modern measuring and control technics. Use of catalysts may also be possible in future wood-burning equipment. Significant new innovations are needed to reach targets of wood small-scale use. Small changes in present equipment are insufficient for this target. After developing new-generation technology, nearly unlimited export markets will be opened in the neighbouring areas of Finland and in the whole area of Europe. Significant growth targets have been set for the use of wood nearly in all countries. It is anticipated that the share of self-driven wood supply will reduce, even if its share will further be significant. In addition to increasing fuel sales, the sales of heat from wood are also estimated to increase. The market of wood harvesting and combustion products is significant in Europe, and the exports are estimated to grow. The total volume of this business in 2010 is estimated to be 800 million, the largest part being equipment manufacture. The total fuel and heat business is expected to exceed the limit of 170 million. The share of self-driven wood supply will reduce and increased use of wood will be based on fuel sales and the sales of heat produced by wood. Small-scale use of wood has traditionally involved households and farms, where the users themselves acquire the major part (about 70%) of wood or do not pay any price for the fuel. This situation is changing, and there are wood fuels of different type on the consumer market. The selection of products expanded, when pellets and briquettes were launched on the market. If the market volume continues to increase up to 800 million by the year 2010, the employment may increase as much as to man-years. Fairly many operators engaged in small-scale wood production work part-time to get additional income, and hence this sector will employ a significantly higher number of workers. This will involve, i.a., creation of operation rules for fuel and energy business, standardisation of fuel quality, further development of equipment and systems, etc. The fuel should be economically competitive with other energy forms. As regards the development of combustion equipment, the greatest challenge is to reduce emissions and simultaneously keep a competitive price level of equipment. Training and information activities are also required alongside technology development.

7 Sisältö Esipuhe Tiivistelmä Abstract 1 Johdanto Puun kilpailukyky kiinteistöjen polttoaineena Kilpailukyky Suomessa Puun pienkäyttö ja kilpailukyky Euroopassa Markkinavolyymi tuoteryhmittäin Laitteiden kotimarkkinat Pienpuun korjuulaitteet, hakkurit ja pilkekoneet Lämmityslaitteet Laitteiden vienti Polttoaineiden vienti Arvio liiketoiminnan kokonaislaajuudesta ja kasvusta Arvio työllistävyydestä Tutkimus- ja tuotekehitystoimintaa ohjaavat trendit ja visiot Euroopassa Tutkimus- ja kehittämistarpeet Johdanto Puupolttoaineen pientuotanto Pilkkeiden tuotanto Hakkeen tuotanto Polttoaineen käyttö Tulisijat Pienkattilat Suurempien kiinteistöjen puukattilat Stokeripolttimet Säätötekniikka Numeerisen virtaussimuloinnin käyttö tulisijojen ja kattiloiden palamisen ja lämmönsiirron tarkasteluun Pellettiteknologia Pelletin tuotanto Pelletin jakelu Pelletin käyttö Pelletteihin liittyvät kehitystarpeet Pellettien tuotannon kehittäminen...19 Pelletin jakelun kehittäminen...19 Pelletin käytön kehittäminen...20 Pellettien käyttöön liittyvä tiedotus...20

8 5.5 Lämpöyrittäjyyteen liittyvät tutkimus- ja tuotehitystarpeet Aluelämpölaitoksiin liittyvät tutkimus- ja tuotekehitystarpeet Informaatio- ja viestintäteknologian soveltaminen Muut aihealueet Tiedotus Koulutus Kansainvälinen tiedonsiirto Lähdeluettelo Tekesin teknologiakatsauksia

9 1 Johdanto Puupolttoaineen pienkäytölle on asetettu merkittävä lisäämistavoite Suomen uusiutuvien energialähteiden edistämisohjelmassa (KTM 1999). Ohjelman mukaan polttopuun käyttö pitäisi lisääntyä 45 % vuoden 1995 käyttömäärästä (12,8 TWh) vuoteen 2010 mennessä. Nykyisin valtaosa pienpuusta tuotetaan omista metsistä tai saadaan muuten edulliseen hintaan. Käytön lisääntyminen merkitsee polttopuulle laajoja kaupallisia markkinoita lähivuosina. Se edellyttää kuitenkin teknologian kehittämistä mm. puunkorjuuseen, puun prosessointiin, kuivaukseen, varastointiin, kuljetukseen ja jakeluun, jotta polttoaineen laatu saadaan hyväksi ja hinta kilpailukykyiseksi. Edistämisohjelman tavoitteena oleva puun käytön voimakas lisääntyminen edellyttää myös puupellettiteknologian nykyistä huomattavasti laajempaa käyttöönottoa. Myös pellettiteknologiassa on vielä paljon kehitettävää, jotta se toimisi kaikilta osin luotettavasti ja kustannustehokkaasti. Nykyisin pellettiteknologia on valtaosaltaan tuonnin varassa. Pellettien tuotanto- ja käyttöteknologiaa pitää kehittää myös kotimaassa, jotta voidaan saada suomalaisille kattilatehtaille korvaavia tuotteita öljykattiloiden valmistamisen tilalle. Puun lisääntyvä pienkäyttö alentaa osaltaan Suomen hiilidioksidipäästöjä. Uhkana puun pienkäytön lisääntymiselle on kuitenkin muiden ympäristöpäästöjen mahdollinen lisääntyminen. Mikäli puun pienkäyttöä lisätään Suomessa käyttäen nykyistä teknologiaa, hiilimonoksidi-, hiilivetyja hiukkaspäästöt lisääntyvät. Varsinkin taajamissa puun polton päästöjä pitäisi pystyä rajoittamaan nykyisestä. Kehittämällä sekä panospolttoisia tulisijoja ja kattiloita että jatkuvaa polttoa käyttäviä stokeri- ja pellettipolttimia, päästöjä voidaan oleellisesti vähentää. Suurin haaste liittyy panospolttoisten puunpolttolaitteiden kehittämiseen. Palamisprosessin parempaan hallintaan antaa mahdollisuuksia mm. nykyaikainen mittaus-, säätö- ja ohjaustekniikka. Myös katalysaattorien käyttö voi olla mahdollista tulevaisuuden puunpolttolaitteissa. Tarvitaan merkittäviä uusia innovaatioita, jotta puun pienkäytön tavoitteisiin päästään. Nykyisten laitteiden pienet muutokset eivät siihen riitä. Kun uuden sukupolven teknologia on saatu kehitettyä, avautuu sille lähes rajattomat vientimahdollisuudet lähialueille ja koko Euroopan alueelle. Lähes kaikissa maissa puun käytölle on asetettu huomattavia lisäämistavoitteita. Laitteiden pitää kuitenkin olla nykyisiä kehittyneempiä. 1

10 2 Puun kilpailukyky kiinteistöjen polttoaineena 2.1 Kilpailukyky Suomessa Tekesin Climtech Teknologia ja ilmastomuutos -ohjelmassa on päivitetty laskelmia biopolttoaineiden kilpailukyvystä tehoalueella kw. Lämmöntuotantokustannukset 20 kw:n ja 200 kw:n tapauksessa on esitetty kuvissa 1 ja 2 ja lämmöntuotantokustannukset puupelletillä, hakkeella, pyrolyysiöljyllä ja kevyellä polttoöljyllä kuvassa 3 (Flyktman 2001). Omakotiluokan lämpökeskuksessa lämmön hinnat ovat hyvin lähellä toisiaan eri lämmitystavoilla. Öljyn hinta on alentunut vuoden 2000 syyskuun huippulukemasta 54,2 /MWh hintaan 36,3 /MWh ( ), mikä on johtanut siihen, että puupellettilämmitys on samanhintaista öljylämmityksen kanssa. Tämän johdosta mm. puupellettijärjestelmien kysyntä on romahtanut vuoden takaisesta tilanteesta. 200 kw:n tehoisessa lämpökeskuksessa kotimaisilla polttoaineilla tuotetun lämmön hinta on selvästi edullisempi kuin kevyellä polttoöljyllä tuotetun lämmön hinta. Kiinteillä polttoaineilla pääomakustannusten osuus ja lämmitykseen käytettävä työmäärä ovat suuremmat, mutta polttoaineen energiahinta alhaisempi. Tässä laskelmassa puupelletin hintana on käytetty 20,2 /MWh. Pelletit toimitetaan käyttöpaikalle isoissa erissä irtotavarana. 20 kw:n tehoisen kiinteistön lämmitysjärjestelmän kustannuslaskelmissa pellettien hinta oli 26,9 /MWh. Kuvan 3 mukaan kotimainen polttoaine on edullisempaa kuin kevyellä öljyllä tuotettu lämpö, kun teho on 100 kw tai sitä suurempi. Omakoti- ja maatilateholuokassa tilanne on huomattavasti enemmän tapauskohtainen. Muutenkin vuosittaiset erot lämmityskuluissa ovat pienet. Kuva 1. Lämmöntuotannon keskihinta 20 kw:n lämpökeskuksessa eri polttoaineilla. Kevyen polttoöljyn hinta ,3 /MWh. Öljyn hinnan lähde: Suomen kuluttajahintaseuranta (Flyktman 2001). 3

11 Kuva 2. Lämmöntuotannon keskihinta ja kustannusrakenne 200 kw:n lämpökeskuksessa eri polttoaineilla. Kevyen polttoöljyn hinta ,3 /MWh (Flyktman 2001). Kuva 3. Lämmöntuotantokustannukset eri kiinteistölämmityksen teholuokissa eri polttoaineilla (Flyktman 2001). 2.2 Puun pienkäyttö ja kilpailukyky Euroopassa Kuvassa 4 on esitetty polttopuun pienkäyttö 21 Euroopan maassa. (Vesterinen & Alakangas 2001, EUROSTAT-tilastot vuodelta 1995). Ylivoimaisesti suurin polttopuun käyttäjämaa on Ranska, jossa kotitalouksien puun käyttö on lähes kaksinkertaista toiseksi suurimpaan käyttäjään, Saksaan verrattuna. Jos polttopuun pienkäyttömäärät suhteutetaan kunkin maan asukaslukuun, nousee suurimmaksi käyttäjäksi Viro. Näin tarkasteltuna Suomi on toiseksi suurin polttopuun käyttäjä tässä vertailussa. Asukaslukuun suhteutettu polttopuun käyttö on esitetty kuvassa 5. Seuraavassa kuvassa on vertailtu kiinteistöjen lämmittämiseen käytettävien energioiden hintoja eri Euroopan maissa. Polttopuun hintaa on vaikea arvioida, koska markkinat ovat kehittymättömät, ja suuri osa polttopuusta korjataan omasta tai valtion metsästä. Kyselyllä kerättyjen tietojen perusteella näyttää kuitenkin siltä, että polttopuu on edullisinta Itä-Euroopan maissa sekä Portugalissa. Pellettien 4

12 Kuva 4. Polttopuun pienkäyttö 21 Euroopan maassa (Vesterinen & Alakangas 2001, EUROSTAT-tilastot vuodelta 1995). Kuva 5. Asukaslukuun suhteutettu polttopuun pienkäyttö 21 Euroopan maassa (Vesterinen & Alakangas 2001, EUROSTAT-tilastot vuodelta 1995). käyttö on useimmissa Euroopan maissa vielä hyvin vähäistä ja hintavaihtelut ovat suuret. (Vesterinen, P. & Alakangas, E. 2001, Wood pellets in Europe 2000 ja Energiatilastot 2000). Taulukossa 1 on esitetty lämmitykseen käytettävien energialähteiden hintoja syyskuussa (Wood pellets in Europe 2000). Verotusta käytetään eri maissa hyvin eri tavalla ohjaamaan energian käyttöä tiettyyn suuntaan. Esimerkiksi Ruotsissa puupellettien energiahinta on selvästi kilpailukykyisin kaikkiin muihin energiamuotoihin nähden. Kuvassa 7 on vertailtu kevyen polttoöljyn ja puupellettien hintoja eri maissa. Niissä maissa, joissa puupellettien käyttö on jo vakiintunutta, hinta on n. 0,02 kilowattituntia kohden. Kevyen polttoöljyn hinta vaihtelee eri maiden erilaisen verotuksen takia. Suurin marginaali puupelletteihin on Tanskassa, jossa öljyn energiahinta on yli kaksinkertainen pelleteihin verrattuna (Woodpellets in Europe 2000). Taulukossa 2 esitetään lukumääräisesti kiinteistöjen lämmitysenergiat muutamassa Euroopan maassa ja kuvassa 8 lämmitystapojen prosenttiosuudet. Voidaan havaita, että energiamuotojen yleisyys riippuu maantieteellisestä sijainnista, omien energiavarojen saatavuudesta sekä verotuksesta (Woodpellets in Europe 2000). 5

13 Kuva 6. Polttopuun, pellettien, kevyen polttoöljyn, maakaasun ja lämmityssähkön hinnat eri Euroopan maissa (Vesterinen, P. & Alakangas, E. 2001, Wood pellets in Europe 2000 ja Energiatilastot 2000). Kuva 7. Lämmitykseen käytettävän kevyen polttoöljyn ja puupellettien hintoja syyskuussa 1999, /kwh (Wood pellets in Europe 2000). 6

14 Taulukko 1. Lämmitykseen käytettävien polttoaineiden hintoja syyskuussa 1999, /kwh (Wood pellets in Europe Maa Kevyt polttoöljy Maakaasu Sähkö Puupelletit Alankomaat 0,037 0,027 0,128 0,020 Belgia 0,023 0,031 0,195 Espanja 0,030 0,040 0,149 0,041 Irlanti 0,028 0,033 0,115 0,021 Iso-Britannia 0,023 0,025 0,125 0,021 Italia 0,075 0,055 0,075 0,056 Itävalta 0,031 0,032 0,145 0,030 Kreikka 0,041 0,080 Luxemburg 0,024 0,022 0,151 Norja 0,041 0,042 0,020 Portugali 0,138 0,041 Ranska 0,034 0,039 0,152 0,030 Ruotsi 0,046 0,084 0,021 Saksa 0,023 0,033 0,180 0,028 Suomi 0,031 0,013 0,095 0,022 Tanska 0,060 0,050 0,175 0,023 Taulukko 2. Kiinteistöjen lämmitystavat (1000 kpl) muutamassa Euroopan maassa (Woodpellets in Europe 2000). Lukumäärä (1000 kpl) Belgia Alankomaat Iso- Britannia Italia Itävalta Norja Ranska Ruotsi Suomi Tanska Asuntoja Lämmitystapa hiili maakaasu öljy sähkö biomassa kaukolämpö Uusien asuntojen lkm/a ,

15 8 Kuva 8. Kiinteistöjen lämmitystapojen prosenttiosuudet muutamassa Euroopan maassa (Woodpellets in Europe 2000).

16 3 Markkinavolyymi tuoteryhmittäin 3.1 Laitteiden kotimarkkinat Puun pienkäytön markkinoilla toimivia yrityksiä on kartoitettu OPET-verkostoprojektissa. (OPET Finland, VTT Energia 2001) Pienpuun korjuulaitteet, hakkurit ja pilkekoneet Pienpuun korjuulaitteita, hakkureita ja pilkekoneita valmistetaan n. 90 yrityksessä, joilla osalla on myös vientitoimintaa. Myynniksi Suomessa arvioidaan noin 23 miljoonaa euroa ja vienti lienee 8 miljoonan euron luokkaa Lämmityslaitteet Rakennustutkimus RTS Oy:n mukaan Suomessa on tällä hetkellä n. 2,2 miljoonaa tulisijaa. (Rakennustutkimus RTS Oy 2001). Niistä 1,2 miljoonaa on omakotitaloissa, 0,8 miljoonaa loma-asunnoissa ja 0,2 miljoonaa rivi- ja kerrostaloissa. Tämän lisäksi puukiukaita ja patoja on yhteensä n. 1,5 miljoonaa kappaletta. Lähihistorian rakennushuippu oli vuonna 1989, jolloin rakennettiin omakotitaloa ja loma-asuntoa. Vuonna 2001 rakennettiin omakotitaloa ja vapaa-ajan asuntoa. Myös tulisijamarkkinoiden huippu osuu 1990-luvun vaihteeseen (yli kpl vuodessa). Nykyisin pääosa Suomessa myytävistä tulisijoista rakennetaan saneerauskohteisiin ja myyntimäärän ennustetaan olevan vuonna 2002 hieman alle kpl. Kotimaan markkinat ovat n. 122 miljoonaa euroa ja vienti n. 46 miljoonaa euroa. Vientiä harjoittavat lähinnä vuolukiviyritykset. Puulämmitteisiä saunankiukaita myydään vuodessa n kpl ja viedään ulkomaille n kpl. Liikevaihtona se tarkoittaa n. 12 miljoonaa euroa vuodessa. Liikevaihdossa on otettu huomioon myös oheislaitteiden, kuten valmissavupiippujen ja muuripatojen myynti. Tulisijoja valmistaa n. 10 isompaa yritystä ja n. 10 liikevaihdoltaan pienempää. Lisäksi tulisijojen myynnissä ja asennuksissa toimii runsaasti itsenäisiä yrittäjiä. Pienkiinteistöjen puukattiloiden myynti on n kpl vuodessa. Näistä varsinaisia pilkekattiloita on n kpl, hakekattiloita reilu 500 kpl, kaksoispesäkattiloita n kpl ja vaihtopolttokattiloita n. 500 kpl. Valtaosa näistä (80 %) asennetaan vanhojen kiinteistöjen saneerauksiin. Laitevalmistajia on hieman yli kymmenen kappaletta. Puukattiloiden vienti on pientä, alle 10 % valmistusmäärästä. Kokonaismyynti on luokkaa 7,6 9,2 miljoonaa euroa vuodessa. Parina viime vuonna on käynnistynyt myös pellettejä käyttävien lämmityslaitteiden myynti. Osa laitteista valmistetaan Suomessa, mutta pääosa on tuontituotteita lähinnä Ruotsista. Pellettilämmityksiä on Suomessa vajaa 1000 kpl ja suomalaisia laitevalmistajia puolenkymmentä. Pellettien käyttö on yleistynyt Suomessa hitaasti verrattuna esimerkiksi Itävaltaan. Hakelämmitysjärjestelmiä on asennettu mm. suuriin asuinja teollisuuskiinteistöihin, kouluihin, sairaaloille, maatiloille ja kasvihuoneisiin. Myynti on muutamia kymmeniä laitteistoja vuosittain. Laitetoimittajia on toista kymmentä. Osa niistä on kokonaistoimittajia, jotka valmistavat kaiken itse, mutta suurin osa on kokonaistoimittajia, jotka ostavat osan komponenteista alihankkijoilta ja valmistavat osan itse. 3.2 Laitteiden vienti Viidentoista EU-maan polttopuun pientuotannon ja -käytön vientipotentiaali on noin 2,5 miljardia euroa, josta 97 % koostuu poltto- ja lämmitysteknologiasta. Suurimmat vientimarkkinat ovat Saksassa (700 milj. euroa), Ranskassa (620 milj. euroa), Itävallassa (260 milj. euroa) ja Espanjassa (220 milj. euroa). Euroopan lisäksi polttopuun tuotannon ja käytön pienteknologialla on vientipotentiaalia mm. Itä-Euroopassa, Baltiassa, Venäjällä, Pohjois-Amerikassa sekä Aasiassa. Polttopuun pientuotannon kärkituotteita ovat maataloustraktoripohjainen teknologia, varaavat kiviuunit sekä pilkekoneet. Suurimman vientipotentiaalin omaavissa kamiinoissa ja puukeskuslämmitysjärjestelmissä suomalaisten osaaminen ei tällä hetkellä yllä keski-eurooppalaisen huipun tasolle. 9

17 Tärkeimpiä viennin menestystekijöitä ovat markkinointiverkko, oikein valitut yhteistyöpartnerit sekä oikeiden markkinoiden löytäminen ja markkinoiden avaus. Lähes kaikilla analysoiduilla kärkituotteilla on päämarkkina-alueillaan omaa nimeään kantava jakeluverkosto. (JP Management Consulting Oy 2001). 3.3 Polttoaineiden vienti Viidentoista EU-maan kotitalouksissa käytetään polttopuuta miljoonaa m 3 vuodessa ja tuotetaan runsas 33 miljoonaa m 3 vuodessa. Todellisuudessa tuotannon ja kulutuksen erotus on pienempi, sillä kaikkea tuotantoa ei ole tilastoitu. Suurimpia polttopuun käyttäjiä ovat Ranska, Itävalta, Espanja, Saksa ja Italia. Vuonna 1999 viidentoista EU-maan polttopuun tuonnin arvo oli 50 miljoonaa euroa ja vienti 23 miljoonaa euroa. Suurimpia polttopuun tuojia ovat Italia, Kreikka, Ruotsi, Itävalta, Suomi, Tanska ja Hollanti. Suurimpia viejiä ovat Ranska, Kreikka, Iso-Britannia, Saksa ja Espanja. Suomen kannalta potentiaalisimpia polttopuun vientimaita ovat lähellä sijaitsevat maat, joissa on hyvä hintataso (Ruotsi, Norja, Tanska ja Saksa) sekä paljon polttopuuta käyttävä ja hyvän hintatason omaava Ranska. Raaka-ainepulan vuoksi Suomi tuskin kykenee nykyistä huomattavasti laajamittaisempaan halkojen ja pilkkeiden vientiin Pohjoismaihin ja Keski-Eurooppaan. Sen sijaan Suomessa on arvioitu olevan kylliksi raaka-ainetta nostaa pellettituotanto nykyisestä tonnin tuotantotasosta (7 9 miljoonaa euroa) jopa tonniin (110 miljoonaa euroa). (JP Management Consulting Oy 2001). 3.4 Arvio liiketoiminnan kokonaislaajuudesta ja kasvusta Liiketoiminta puun pienkäytön alueella on arvioitu jaoteltuna polttoaineen tuotannon ja käytön laitevalmistukseen, polttoaineiden kauppaan ja lämmön myyntiin. Lämmön myynnissä on käynnistynyt 1990-luvulla uusi liiketoiminnan muoto, lämpöyrittäjyys, jonka avulla pienissäkin lämmityskohteissa asiakas voi ostaa puulla tuotettua lämpöä. Lisäksi on arvioitu likimääräisesti viennin osuus. Liiketoiminnan kokonaisvolyymiksi on arvioitu 180 miljoonaa euroa (kuva 9). Jos puun pienkäyttö lisääntyy kauppa- ja teollisuusministeriön (KTM) Uusiutuvien energialähteiden edistämisohjelmassa asetettujen tavoitteiden mukaisesti, käyttö on 18 TWh vuonna 2010, jossa on lisäystä 5 TWh vuoteen 2000 verrattuna. Lisäys on mahdollinen esimerkiksi öljyn käyttöä korvaamalla, koska kevyen polttoöljyn käyttö kiinteistöjen lämmitykseen vuonna 1999 oli luokkaa 15 TWh. On ennakoitavissa, että omatoimisen polttoaineiden hankinnan osuus pienenee, joskin sen määrä säilyy edelleen merkittävänä. Polttoainekaupan lisääntymisen lisäksi läm- Kuva 9. Arvio liiketoiminnan laajuudesta vuonna

18 Kuva 10. Arvio liiketoiminnan laajuudesta vuonna mön myynnin arvioidaan kasvavan. Alan tuotteiden markkinat ovat Euroopassa merkittävät, ja viennin arvioidaan lisääntyvän. Liiketoiminnan kokonaisvolyymiksi saadaan käytetyillä arvioilla 800 miljoonaa euroa, josta suurin osa on laitevalmistuksessa (kuva 10). Polttoainekaupan ja lämpöliiketoiminnankin arvioidaan yhdessä ylittävän 170 miljoonan euron rajan. Puun pienkäytön ja -tuotannon ja siihen liittyvän laitevalmistuksen markkinavolyymiksi arvioitiin aiemmin tässä luvussa 180 miljoonaa euroa, mikä tarkoittaa noin 2500 henkilövuoden työllistävyyttä. Markkinavolyymin kasvaessa 800 miljoonaa euroon vuoteen 2010 mennessä, työllistävyys kasvanee jopa 9000 henkilötyövuoteen. Monelle puun pientuotannon alueella toimivalle työ on osa-aikaista lisäansiota, joten alalla toimii merkittävästi suurempi määrä henkilöitä. 3.5 Arvio työllistävyydestä Puun pienkäyttö on perinteisesti ollut kotitalouksien ja maatilojen puun käyttöä, jossa suurin osa (n. 70 %) puun hankinnasta hoidetaan itse tai polttoaineesta ei makseta hintaa. Tilanne on muuttumassa, ja kuluttajille on tarjolla markkinoilla erityyppisiä polttoaineita. Valikoima on lisääntynyt jalosteilla, kun pelletit ja briketit ovat tulleet markkinoille. 11

19 4 Tutkimus- ja tuotekehitystoimintaa ohjaavat trendit ja visiot Euroopassa Kasvihuoneilmiön vähentämiseksi on useissa maissa asetettu kunnianhimoisia tavoitteita uusiutuvien energialähteiden lisäämiseksi. Kaikissa selvityksissä on kuitenkin päädytty siihen, että merkittävin potentiaali on bioenergian käytön lisäämisessä. Esimerkiksi EU:n ja Suomen asettamien tavoitteiden saavuttamiseksi on bioenergian käyttöä lisättävä vuoden 1995 tilanteeseen (38 Mtoe, 442 TWh) verrattuna lähes 100 %, jolloin lämmöntuotanto on 75 Mtoe (872 TWh). Suomessa tavoite on lisätä bioenergian osuus 23 %:iin vuonna 2010, kun se vuonna 1995 oli 17,5 %. Euroopan maat ovat elinkeinorakenteeltaan ja ilmasto-olosuhteiltaan hyvin paljon toisistaan poikkeavia, joten myös bioenergian käytön lisäämispotentiaali on erilainen. Järkevintä on pyrkiä löytämään suuria käyttökohteita, jolloin käytön lisääminen voi tapahtua nopeasti. Monissa Euroopan maissa suuria kohteita on kuitenkin vaikea löytää, joten bioenergian käytön lisäys voidaan löytää vain pienkäytön sektorilta. Suomessa on paljon suuria bioenergian käyttökohteita ja niitä rakennetaan koko ajan lisää. Kuitenkin ollaan tilanteessa, että myös bioenergian pienkäyttöä on merkittävästi lisättävä (45 % vuodesta 1995 vuoteen 2010), jotta uusiutuvan energian ohjelman tavoitteet voidaan toteuttaa (KTM 1999). Tavoitteiden mukaan puun pienkäyttöä on lisättävä merkittävästi. Toisaalta yhä kiristyvät ympäristönormit johtavat siihen, että nykyisiä polttolaitteita on kehitettävä radikaalisti ympäristöystävällisemmiksi. Valtaosa puun pienkäytöstä Euroopassa perustuu perinteisten tulisijojen ja yksinkertaisten pilkekattiloiden käyttöön. Palamisessa syntyy huomattava määrä hiukkaspäästöjä sekä epätäydellisestä palamisesta johtuvia häkä- ja hiilivetypäästöjä. Puun pienkäytön voimakas lisääminen aiheuttaa ihmisten terveydelle vakavia haittoja mikäli polttolaitteita ja polttoaineita ei kehitetä voimakkaasti. EU-tasolla on valmisteilla useita direktiivejä, jotka vaikuttavat jatkossa myös puun pienkäyttöön. Hyötysuhdedirektiivin tarkoituksena on varmentaa, että lämmityslaitteiden hyötysuhde on mahdollisimman hyvä. Tähän liittyen on valmisteilla ehdotus, että myös pienlaitteet tulisivat säännöllisen kontrollin piiriin. Jollakin järjestelmällä tarkistettaisiin säännöllisesti, että palaminen on tarpeeksi puhdasta ja että hyötysuhde on riittävä. Valmisteilla on myös direktiivi, jossa määritellään enimmäispitoisuudet hengitettävälle ulkoilmalle. Laitteiden suurimmista sallituista päästöistä ei ole vielä olemassa yhtenäisiä EU-tason määräyksiä. Sen sijaan EU-tasolla laaditaan yhtenäisiä tuotestandardeja myös pienpolttolaitteille. Niissä määritetään yhtenäiset menetelmät tuotteiden paloturvallisuuden, päästöjen, hyötysuhteen ja muiden vaatimusten suhteen. Vientiä suunnittelevien yritysten on kuitenkin huomioitava kunkin kohdemaan asettamat raja-arvot näille vaatimuksille. Tällä hetkellä tiukimmat päästörajat ovat Itävallassa ja Saksassa ja niissäkin on huomattavia alueellisia eroja. Joillakin suppeilla alueilla puun pienpoltto on jopa kielletty kokonaan. Mahdollisuuksia laiteviennille Eurooppaan ja lähialueille on olemassa periaatteessa rajattomasti Kysymys on vaan siitä pystytäänkö kehittämään laitteita, jotka ovat riittävän hyviä ja tarpeeksi edullisia. Tilannetta on vaikeuttanut se, että Suomessa ei ole ollut eikä ole vieläkään mitään yleisiä vaatimuksia pienpolttolaitteiden päästöille. Tämän vuoksi ei ole ollut mitään pakkoa kehittää polttotekniikaltaan erityisen vähäpäästöisiä ja hyötysuhteeltaan huippuhyviä laitteita. Enemmänkin kotimaan markkinoilla on kilpailtu hinnalla. Nyt kun lämmitysöljyn hinta on kohonnut ilmeisesti pysyvästi suhteellisen korkealle tasolle, antaa se mahdollisuuksia myös pienlaitteiden kehittämiselle. 13

20 5 Tutkimus- ja kehittämistarpeet 5.1 Johdanto Tutkimus- ja kehittämistarpeet kartoitettiin tekemällä erillisselvityksiä valituilta osa-alueilta sekä järjestämällä alueellisia t&k-toiminnan aktivointitilaisuuksia kymmenellä paikkakunnalla, joissa pyydettiin palautelomakkeella tietoja yrittäjiltä ja t&k -toimijoilta. Lisäksi on haastateltu tärkeimpien yritysten edustajia joko puhelimitse tai henkilökohtaisten käyntien yhteydessä. Selvityksessä FINBIO ry:n puheenjohtaja Keijo Mutanen haastatteli 27:n yrityksen edustajaa. 8 yritystä edusti puupolttoaineiden tuotantoa, 3 tulisijojen valmistusta, 10 polttolaite- ja kattilavalmistusta, 2 oli informaatioteknologia- ja automaatioyritystä sekä 4 organisaatiota, jotka edustavat koulutusta ja tuotekehitystä. (Mutanen 2001). Arviolta otos edustaa 20 %:a koko alan liikevaihdosta, joka on Suomessa kaikkiaan runsaat 150 miljoonaa euroa. 22 haastatelluista edusti organisaatiota, joilla on merkittävää liikevaihtoa. Suoraa tai välillistä vientiä harjoitti haastatelluista 15 yritystä. Viennin osuus oli keskimäärin 16 %:a liikevaihdosta. Kahta poikkeusta lukuun ottamatta yritykset suunnittelivat voimakasta liikevaihdon kasvattamista ja viennin aloittamista tai tehostamista. Vuoden 2005 vientitavoite oli keskimäärin 38 %:a liikevaihdosta. Tärkeimpinä ajavina voimina pidettiin öljyn nousevaa hintaa ja verotuksen kiristymistä ja näiden takia kannattavuuden paranemista. Yleinen ympäristömyönteisyys ja ekoajattelu, ilmastomuutos ja siihen liittyvät kansainväliset sopimukset katsottiin olevan asioita, jotka edesauttavat tätä liiketoimintaa. Muita esille tulleita asioita olivat suuri vientipotentiaali, lainsäädäntö ja valtion tukitoimet, metsänhoidon tarve, bioenergian edistämisohjelmat, työllistävyys ja aluepolitiikka, parantunut tiedotus, öljylämmitysjärjestelmien saneeraustarve, pk-sektorin kehittämistarve ja edistäminen, uskottavuuden paraneminen ja uusien yrittäjämallien mahdollisuudet. Tärkeimpinä kasvun esteinä pidettiin mm. Suomen rajallisia markkinoita öljyn hintariskiä päästönormien puuttumista Suomessa puolueettoman testauksen puuttumista suunnitteluohjeiden puutteellisuutta keskeneräistä teknologiaa ja joillakin alueilla suomalaisen teknologian puutetta ja yhteistyöperinteen puuttumista. Muita esille tulleita seikkoja olivat mm. puutteelliset polttoaineluokitukset neuvontaorganisaatioiden puutteellinen tiedontaso koulutuksen puute protektionismi vientimarkkinoilla puutteellinen tietämys vientimarkkinoista investointiavustusten puute sekä polttoaineiden kuljetuksen ja jakelun logistiikan puute. Tärkeimpiä esteitä oman yrityksen kannalta olivat rahoituksen niukkuus, osaavan työvoiman ja kokemuksen puute, alihankkijoiden osaamisen puute, toimitusten kausiluonteisuus, viennissä markkinatiedon puute, pienet volyymit, jolloin ei päästä kunnolla sarjatuotantoon ja kotimaisen yhteistyön vähyys. 5.2 Puupolttoaineen pientuotanto Työtehoseura ry:n tekemän analyysin perusteella puupolttoaineen pientuotannossa tärkeimpiä kehityshankkeita ovat eri korjuuoloihin soveltuvien kokopuiden hakkuu- ja kuljetusmenetelmien kehittäminen. Kehittämiskohteita ovat mm. polttorankojen korjuun ja joukkokäsittelyn kehittäminen keräävien hakkuulaitteiden kehittäminen pienpuustojen korjuuseen ensiharvennuspuun kokopuukorjuun kehittäminen yhdistelmäkorjuun teknologia ja mahdollisuudet aines- ja energiapuun integroitu korjuu nuorissa kasvatusmetsissä kokopuun kuljetustalouden parantaminen mm. kuorman tiivistyksellä mies- ja konetyön integrointi aines- ja energiapuun korjuussa ja hakkuutähteen kuljetustalouden parantaminen mm. niputus- ja paalaustekniikoilla. (Tuomi 2001). 15

21 5.2.1 Pilkkeiden tuotanto Koneellisesti tuotettujen pilkkeiden laatu on vaihteleva eikä nykyisiä koneita voi käyttää laajasti pilkkeiden myyntituotannossa. On tärkeää kehittää uuden sukupolven pilkekoneita, jotka tuottavat myyntiin soveltuvaa, tasa- ja hyvälaatuista polttopuuta. Kun puun pienkäytön lisäystavoite on 45 % aika lyhyellä aikavälillä, edellyttää se huomattavaa kaupallisen pilkkeen tarvetta. Tästä seuraa myös että on kehitettävä menetelmiä pilkkeiden keinokuivaamiseksi, koska kaupallinen laatu edellyttää tasalaatuista ja homeetonta puuta. Vientimarkkinoita ajatellen on otettava huomioon ulkomaisten puulajien ominaisuudet, jotka monesti eroavat huomattavasti Suomessa esiintyvien puulajien ominaisuuksista mm. koon, kovuuden ja suoruuden suhteen Hakkeen tuotanto Hakkeen tuotannon yleisinä kehitystarpeina on tuotantokustannusten alentaminen, laadunhallinta sekä toimitusvarmuuden parantaminen. On myös kehitettävä hakkeen keinokuivaamiseksi hyviä ja toimivia järjestelmiä, kuljetin ja syöttölaitteita sekä huomioita näissä paloturvallisuusasiat. Konkreettisemmin hankkeita ovat mm. hakkurivaunun kehittäminen, hakkeen kuljetuskaluston ja logistiikan kehittäminen, eri käyttökohteiden vaatimukset hyvälaatuiselle hakkeelle ja paloturvallisuuden huomioonottaminen, pienhakkureiden kehittäminen mm. hakkeen laadun näkökulmasta, hakkeen keinokuivauksen kehittäminen ja demonstrointi sekä hakkeen laatuluokituksen kehittäminen myös pientalokäyttöön soveltuvaksi. 5.3 Puupolttoaineen käyttö Tulisijat Valtaosa polttopuusta käytetään panostoimisissa tulisijoissa. Suomessakin ollaan valmistelemassa tulisijojen päästöille raja-arvoja. Tämä saattaa jopa vaikuttaa puun käytön romahtamiseen ellei palamisteknologian kehittämistä jatketa. Tekesin TULISIJA-ohjelmassa tuotettiin paljon uutta tietoa puun panosmaisesta palamisesta. Tutkimusta pitää kuitenkin vielä jatkaa. Edelleen on ratkaisematta peruskysymyksiä: mm. palamisilman oikeasta jaosta, palamisen edistymisen eri vaiheissa, ei tunneta kunnolla loppuun palamisen kannalta tärkeää kaasujen ja palamisilman sekoittumista eikä viipymäaikoja eri lämpötilakentissä. Jäännöshiilen palamista on mallinnettu ja teoreettisesti tunnetaan hiilenpalovaihe aika hyvin. Tämä tieto pitää soveltaa uusien ratkaisujen kehittämiseen. Tiedetään, että palamisen kannalta ensiarvoisen tärkeitä ovat tapahtumat tulipesän alueella. Mikäli palamista ei saada täydelliseksi sillä alueella, palaminen ei juurikaan jatku enää jälkipalotilassa tai poskikanavissa, koska lämpötilat siellä ovat liian alhaiset. Tutkimuksellisesti pitäisi vielä selvittää tarkemmin tapahtumien kulku tulipesässä. Tämä vaatii tutkimuksia muunneltavalla koetulipesällä, joka on hyvin instrumentoitu mittauksia varten. Koetulipesässä voidaan tutkia erilaisia arinakonstruktioita, kaasujen sekoittumista, lämpötilajakaumaa sekä palamisilmojen ohjausta, joilla on oleellinen merkitys puhtaan palamisen kannalta. Samalla voidaan tutkia modernin säätötekniikan mahdollisuuksia panospolttoprosessin ohjauksessa. Standarditulipesän kehittäminen voi hyvin olla tulisijavalmistajien ja tutkimuslaitosten yhteishanke. Suomessakin on tutkittu katalysaattorin käyttöä tulisijan päästöjen vähentämisessä hyvin tuloksin. Tätä kehittämistyötä kannattaa jatkaa niin, että katalysaattoritulisijat voidaan tuotteistaa. Katalysaattoritulisijoilla voi olla tulevaisuudessa suuret markkinat myös ulkomailla. Tässä on analogia autoteollisuuteen. Moottoreita kehitetään koko ajan, mutta kuitenkin aina joudutaan turvautumaan katalysaattoriin päästöjen lopullisessa poistamisessa. Energiaa säästävä rakentaminen (matalaenergiatalot) tuo uusia haasteita tulisijojen lämmönluovutuksen hallinnalle. Kehittämistyötä tarvitaan siten taloustulisijojen lämmönsiirron hallitsemiseksi ja tulisijan hyödyntämiseksi myös lämpimän käyttöveden valmistuksessa. Tästä aihepiiristä hankkeita on jo meneillään Pienkattilat Pilkelämmitteisten puukattiloiden kehitystarpeet liittyvät myös polttotekniikan kehittämiseen niin, että päästöt saadaan alhaisemmiksi. Tietenkin on tärkeää saada samalla pysymään investointikustannukset mahdollisimman alhaisina. Öljyn hinnan kohoaminen on antanut taloudellisia mahdollisuuksia myös hieman kalliimmille kattiloille. Sellaisissa maissa, joissa on suhteellisen tiukat päästörajat pienkattiloille, on kehitys johtanut siihen, että Suomessa yleisimpiä, ns. yläpaloisia kattiloita ei voi enää myydä. Kattilat ovat yleisesti ns. käänteispalokattiloita, joissa palaminen on paremmin hallittua. Usein palamisen säätöön käytetään savukaasujen hapen mittaukseen perustuvaa järjestelmää ja jopa sumeaa säätöä. Merkillepantavaa on teollisen muotoilun osuus keski-eurooppalaisissa kattiloissa Suurempien kiinteistöjen puukattilat Pientaloa suuremmissa kiinteistöissä ei käytetä nykyisin pilkettä, vaan polttoaine on joko hake tai puupelletti. Palamisen puhtauden kannalta pääpaino tässä kokoluokassa on 16

22 itse polttolaitteessa, joka on kiinteä arina, yksinkertainen mekaaninen arina, syöttimellä varustettu poltin tai puupellettipoltin. Kiinteistökattiloissa käytetään kiinteää arinaa kustannussyistä. Ongelmina ovat mm. saada polttoaine jakautumaan tasaisesti arinalle, palamisilman karkaaminen hallitsemattomasti, tehon säätö ja hiukkaspäästöt. Kustannussyistä käytetään usein luonnonvetoisia kattiloita, joka tuo osaltaan lisäongelmia. Arinapoltto soveltuu polttimia kosteammalle polttoaineelle. Arinapolttoa yleisempiä ovat järjestelmät, joissa käytetään ns. stokeripoltinta tai muuta polttolaitetta kytkettynä lämmityskattilaan. Suomessa käytettävät kattilat ovat yleisimmin ns. laatikkokattiloita. Muurauksien käyttö tulipesässä on vähäistä verrattuna keski-eurooppalaisiin kattiloihin. Ne ovat yleensä kattiloita, joissa on muurattu tulipesä ja tuliputkista muodostuva lämmönsiirto-osa. Usein käytetään pieniä liikkuvia arinoita, joka mahdollistaa myös vaikeiden polttoaineiden polton Stokeripolttimet Stokeripolttimet ovat jo nykyisin suhteellisen hyvin toimivia omakotitalo- ja maatilateholuokassa. Sen sijaan yli 100 kw:n tehoiset stokeripolttimien rakenne ei ole vielä vakiintunut. Käytännössä yhden stokeriyksikön suurin teho on luokkaa 500 kw. Stokeripoltin-tekniikalla voidaan toteuttaa megawattiluokkaa oleva lämpökeskus, mutta silloin tarvitaan useampia yksikköjä. Jatkuvatoimista stokeripolttoa kehitettäessä on selkeästi havaittu polton vaikeutuvan, kun polttoaineen kosteus on yli 40 %. Syynä on syttymisrintaman etenemisen hidastuminen, kun kosteuden haihduttaminen vaatii polttoaineelta pidemmän viipymäajan stokerin palopäässä. Jos stokeripoltolla halutaan polttaa merkittävästi kosteampaa polttoainetta, on kuivumis- ja syttymisvaiheessa tehostettava lämmönsiirtoa polttoainekerrokseen. Tämä voidaan toteuttaa joko kerrokseen tulevan ilman lämpötilaa nostamalla tai lisäämällä polttoainekerroksen kuivumisalueelle tulevan säteilyn määrää ohjaamalla palava kaasu sen näkökenttään. Stokeripoltinten kehittämistarpeita ovat mm. polttoaineen kosteusalueen laajentaminen tuhkan sulamisesta ja slagiintumisesta aiheutuvien häiriöiden poistaminen palamisen parempi hallinta, jotta päästöt saadaan minimoitua materiaalien kestävyys nykyaikaisen säätötekniikan soveltaminen polttimen ohjaukseen paloturvallisuuskysymykset. Mekaanisen puunjalostuksen ja huonekaluteollisuuden yritykset, jotka tuottavat tuotantotilojen ja tuotantoprosessien tarvitseman lämmön oman tuotannon sivutuotteilla ja puutähteillä, käyttävät yleisesti ns. alasyöttöisiä stokerikattiloita. Tuotantolaitokset sijaitsevat usein taajamissa. Yritysten omien polttoaineiden polton jatkumisen esteeksi on nousemassa päästöjen aiheuttamat haitat. Alan tyypillinen polttoaine on lastulevyjäte, joka sisältää runsaasti typpeä ja jonka poltossa on riski korkeisiin typen oksidien (NO x ) päästöihin. Pääpaino tutkimuksessa on minimoida savukaasun hiilimonoksidi- ja hiilivetypäästöjä, NO x -päästöjä sekä hiukkaspäästöjä. Hyvin toimivilla stokeripolttimilla päästään Suomen vaatimustason mukaan alhaisiin päästöihin ja voidaan myös alittaa esimerkiksi Itävallan vaatimukset. Kun verrataan niitä massiivisilla muurauksilla ja pitkillä kaasujen viipymäajoilla varustettuihin itävaltalaisiin tai saksalaisiin laitteisiin, päästöt ovat korkeammat. Tarvitaan siis poltinten ja poltin-tulipesä-kattilayhdistelmien edelleen kehittämistä, mikäli halutaan Euroopan markkinoille. Erityisen tärkeää on varustaa laitteet nykyaikaisilla säätö- ja ohjausjärjestelmillä. Teollinen muotoilu tuo myös tarvittavaa lisäarvoa ja on välttämätöntä Keski-Euroopan markkinoilla Säätötekniikka Tulisijojen ja panospolttoisten kattiloiden palamisen ja tehon säätö on yleensä täysin manuaalista suomalaisissa laitteissa. Palamistulos on hyvin pitkälle kiinni käyttäjästä. Samoin polttoaineen laadulla, lähinnä kosteudella on suuri vaikutus palamisen puhtauteen. Vaikka laite saataisiinkin laboratorio-olosuhteissa toimimaan hyvin, toiminnasta käytännön lämmitystilanteessa ei ole varmuutta. Perusongelma panospolton ohjauksessa on polttoaineen koostumuksen ja määrän jatkuva muutos polttoainetäytöksen palamisen aikana. Panoksen syttymis- ja alkupalamisjakson aikana vapautuu runsaasti palavaa kaasua ja vesihöyryä. Kaasut palavat runsaalla liekillä ja tuottavat paljon lämpöä. Palavien kaasujen lämpötila on tässä vaiheessa yli 1000 C. Virtausnopeudet pyrkivät kasvamaan ja samalla palamisilmaa ei tule riittävästi. Luonnonvetoisissa tulisijoissa ilmamäärä on hetkellisesti pienempi kuin teoreettinen minimi-ilmamäärä. Panoksen palamisen myötä hiilen määrä lisääntyy ja lopuksi jäljellä on vain pelkkää hiiltä. Tässä vaiheessa kaasun palotilan lämpötila laskee voimakkaasti ja ilmamäärä käy liian suureksi. Usein vielä palamistulos huononee eli savukaasun hiilimonoksidipitoisuus nousee. Panoksen palamisen alkuvaiheessa ilmantuontia polttoainekerroksen alle pitäisi rajoittaa ja samalla lisätä sitä kaasujen palotilaan. Vähitellen palamisen edetessä suhdetta pitäisi pystyä muuttamaan. Olisi kehitettävä panoksen palamisaikaan sidottu ilman ohjaus- ja jakomenetelmä ja niin, että ohjauslaite huomioi panoksen koon. Toiminnal- 17

23 taan tällainen laite vastaisi kodinkoneista tuttua ohjelmavalitsinta, joka viritetään aina samalla, kun lisätään uusi täytös polttolaitteeseen. Biopolttoaineen panospoltto on monimutkainen prosessi ja sitä on hankala mallintaa matemaattisesti niin, että siitä olisi hyötyä säätöjärjestelmää kehitettäessä. Eräs mahdollisuus on käyttää ns. sumeaa logiikkaa säädön perusteena. Sveitsissä on tätä menetelmää käytetty kaupallisesti pilkekattilan palamisen ohjaukseen ja saatu hyviä tuloksia. Suomessa sumeaa logiikkaa on käytössä muutamassa aluelämpökeskuksessa. Kehittyneellä säätö- ja automaatiolla voitaisiin taata se, että laite toimii kaikissa tilanteissa parhaalla mahdollisella tavalla. Luonnollisesti investointikustannukset asettavat rajoituksia säätö- ja automaation tasolle. Tämän takia esimerkiksi vielä aluelämpökokoluokan kattiloissa tyydytään varsin yksinkertaisiin säätöjärjestelmiin. Yleensä niissä mitataan savukaasujen jäännöshappipitoisuutta, jonka perusteella säädetään polttoaineen syöttöä ja palamisilman määrää. Kiinteistökokoluokassa säätöjärjestelmät ovat yleensä on-off -periaatteeseen perustuvia. Laite siis joko tuottaa lämpöä täydellä teholla tai on ns. ylläpitokäynnillä, jolloin lämpöä ei tuoteta vaan pidetään yllä pientä palamista. Tällainen järjestelmä aiheuttaa ongelmia savukaasupäästöihin ja mm. tuhkan slagiintumiseen. Parempi tapa olisi jatkuva säätö, joka ohjaa prosessia kulloisenkin lämmöntarpeen mukaan. Jatkuvalla säädöllä voitaisiin alentaa päästöjä, parantaa hyötysuhdetta ja vähentää käyttöhäiriöitä. Nykyaikaisen tietotekniikan soveltaminen mahdollistaisi uusien innovatiivisten säätömenetelmien kehittämisen myös pienempiin polttolaitteisiin. Aluksi prototyypit tulevat suhteellisen kalliiksi, mutta sarjatuotantona hinta voisi hyvinkin asettua kohtuulliselle tasolle. Jos polttolaitteiden säätö- ja ohjausjärjestelmiä ei nykyisistä kehitetä, laitteiden toimintaan ei voida odottaa merkittäviä parannuksia. Palamisprosessin mittauksen ja säädön keskeisiä tavoitteita ovat jatkuvatoiminen puhtaan palamisen ylläpito eli päästöjen vähentäminen ja lämmöntarpeen mukaisen lämmitystehon ylläpito korkealla hyötysuhteella. Panospolttoisissa tulisijoissa palamisen päästöjen vähentäminen on tärkein tavoite Numeerisen virtaussimuloinnin käyttö tulisijojen ja kattiloiden palamisen ja lämmönsiirron tarkasteluun Tulisijojen, pienkattiloiden sekä kiinteistö- ja aluelämpökattiloiden suunnittelu perustuu monesti käytännön kokemuksen kautta saatuun tuntumaan. Palamisen optimoinnin kannalta niissäkin olisi erityisen tärkeää tietää virtausolosuhteet tulipesässä, jotta palamisilman ja palamiskelpoisten kaasujen sekoittuminen sekä lämmönsiirto tulipesässä saataisiin optimoitua. Varsinkin panostoimisissa polttolaitteissa sekoittuminen on tärkein tekijä loppuun palamisen kannalta. Kiinteistökattiloissa tulipesän sovittaminen esimerkiksi erilaisille stokeripolttimille tai arinaratkaisuille johtaa monessa käytännön ratkaisussa epätyydyttävään ratkaisuun. Lentopölyhäviöt saattavat olla liian suuria, savukaasujen loppulämpötila on yleisesti liian korkea jne. Tämä tarkoittaa monessa tapauksessa, että hyötysuhde on 5 10 % -yksikköä alhaisempi kuin se parhaassa tapauksessa voisi olla. Numeerisen virtaussimuloinnin mahdollisuudet tulisijojen, pienkattiloitten sekä kiinteistö- ja aluelämpöluokan kattiloiden toiminnan tarkasteluun ovat hyvät. Laskentaa voidaan käyttää esimerkiksi selvittämään tulipesän muodon, palamisilman syötön sekä lämmönsiirtopintojen sijoittamisen vaikutusta kattilan toimintaan. Tavoitteeksi voidaan asettaa ensi vaiheessa virtausten, palamisen ja lämmönsiirron kvalitatiivinen tarkastelu eri tilanteissa. Tulipesiä voidaan simuloida eri approksimaatiotasoilla, jolloin osatapahtumien karkeallakin kuvauksella voidaan saada hyödyllistä tietoa prosessista. Tulisijojen ja pienkattiloiden tarkastelut olisi syytä tehdä ajasta riippuvana. Niissä voi esim. vedon voimakkuus ja pyrolysoituneen polttoaineen vapautuminen muuttua tulipesäolosuhteitten perusteella. Typpimonoksidin ja hiilimonoksidin osalta voidaan saada kvalitatiivisesti oikeita trendejä ja parhaimmillaan suuruusluokaltaan mittauksia vastaavia arvoja. Tekesin TULISIJA-ohjelma ( ) keskittyi puun panospolton laskentaan tulisijassa. Ohjelmassa rakennettiin toimiva järjestelmä laskentaan, mutta panospolton monimutkaisuudesta johtuen tulokset ovat vielä suhteellisen kaukana mitatuista. Tosin myös prosessin mittaaminen on erittäin hankalaa, koska se muuttuu jatkuvasti ajan suhteen. CFD-laskentaan on käynnistetty myös Tekesin CODE-teknologiaohjelma, jonka projektit liittyvät pääasiassa isojen kattiloiden laskentaan. Suunnitteilla on myös laskennan soveltaminen ns. pienpolttolaitteisiin, mutta projekteja ei ole vielä käynnissä. Pääpaino kannattaisi laittaa jatkuvatoimisten prosessien, esimerkiksi stokeripolttimen laskentaan, sillä panosprosessin laskeminen on kertaluokkaa vaikeampaa. Esimerkiksi uusien pienkattiloiden suunnittelussa laskentaa voisi käyttää suunnittelun apuna. Simuloinnilla voidaan selvittää virtausjakaumien lisäksi mm. paikallisia lämpötila- ja pitoisuusjakaumia tulipesissä, lämmönsiirtoa tulipesistä ja viipymäaikoja sekä voidaan tarkastella tulipesäolosuhteiden muutoksia muutettaessa esim. tulipesän muotoa, palamisilman tai polttoaineen syöttöä tai lämmönsiirtopintoja. Tulosten tarkkuutta rajoittavat lähinnä virtauksessa tapahtuvien osailmiöiden tuntemus ja mahdolliset epätarkkuudet virtauksen reunaehdoissa tulo- ja lähtöaukoissa sekä pintojen lämpötiloissa. Jatkuvatoimisten prosessien kvalitatiiviseen tarkasteluun voisi soveltaa myös perinteisiä virtauslaskentaohjelmia yksinkertaisempia ohjelmia, jolloin laskenta voitaisiin tehdä mikrotietokoneella. Sillä tavalla laskennasta olisi paljon enemmän apua laitevalmistajille käytännön suunnittelussa. 18