Peltobiokaasu liikenteen biopolttoainevaihtoehtona. ja ravinnetaseiden kannalta. Hanna Tuomisto

Transkriptio

1 Peltobiokaasu liikenteen biopolttoainevaihtoehtona energia-, kasvihuonekaasu- ja ravinnetaseiden kannalta Hanna Tuomisto Pro gradu -tutkielma Helsingin yliopisto Soveltavan biologian laitos Agroekologia Syyskuu 2006

2 2 HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Faculty Maatalous-metsätieteellinen tdk. Tekijä Författare Author Hanna Tuomisto Laitos Institution Department Soveltavan biologian laitos Työn nimi Arbetets titel Title Peltobiokaasu liikenteen biopolttoainevaihtoehtona energia-, kasvihuonekaasu- ja ravinnetaseiden kannalta Oppiaine Läroämne Subject Agroekologia Työn laji Arbetets art Level Pro gradu -tutkielma Aika Datum Month and year Sivumäärä Sidoantal Number of pages liitettä Tiivistelmä Referat Abstract Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kotimaisista raaka-aineista tuotettujen liikenteen biopolttoaineiden energia-, kasvihuonekaasu- ja ravinnetaseita. Kirjallisuusosiossa tarkasteltiin ohraetanolia, rypsimetyyliesteriä (RME) ja biokaasua. Tutkimusosiossa laskettiin peltobiokaasun energia- ja kasvihuonekaasutaseet koko elinkaaren ajalta, kun raaka-aineena oli timotei-apilanurmi- ja ruokohelpisäilörehu. Yhtenä vaihtoehtona tarkasteltiin luomukasvintuotantotilan viherlannoitusalan käyttöä biokaasun raaka-aineena. Lisäksi tutkittiin lannoitevalintojen vaikutuksia taseisiin. Biokaasun energiapanos ja kasvihuonekaasupäästöt olivat pienemmät kuin ohraetanolilla ja RME:llä. Energiapanoksen suuruus peltobiokaasulla oli raaka-aineesta riippuen noin % tuotoksesta, kun taas ohraetanolilla energiapanos oli noin 82 % ja RME:llä 50 % tuotoksesta. Kasvihuonekaasupäästöt ohraetanolilla ja RME:llä olivat jopa suuremmat kuin bensiinillä ja dieselillä. Peltobiokaasun elinkaaren aikaiset kasvihuonekaasupäästöt olivat noin % fossiilisten polttoaineiden päästöistä. Lannasta, elintarviketeollisuuden jätteistä ja orgaanisesta yhdyskuntajätteestä valmistetun biokaasun kasvihuonekaasupäästöt olivat noin % fossiilisten polttoaineiden kasvihuonekaasupäästöistä. Suurimmat energiapanokset vaadittiin biopolttoaineiden prosessoinnissa ja jalostuksessa, kun taas kasvihuonekaasupäästöistä suurin osa syntyi viljelyssä. Peltobiokaasun tuotannossa suurimmat kasvihuonekaasupäästölähteet olivat työkoneiden polttoaineiden päästöt, maan dityppioksidipäästöt sekä biomassan säilöntään käytetyn rehunsäilöntäaineen valmistuksen päästöt. Säilöntäaine tosin voidaan korvata reaktorin mikrobisiirroksella. Energia, kasvihuonekaasu- sekä ravinnetaseiden kannalta olisi kannattavinta käyttää bioenergian raaka-aineena ensisijaisesti maatalouden, elintarviketeollisuuden ja yhdyskuntien orgaanisia jätteitä ja sivutuotteita. Biokaasuteknologia tarjoaa tähän erinomaisen mahdollisuuden, sillä biokaasua voidaan valmistaa kaikesta orgaanisesta aineksesta. Lisäksi biokaasuteknologia mahdollistaa ravinteiden tehokkaan kierrätyksen, sillä biokaasutusjäännös on erinomaista lannoitetta. Avainsanat Nyckelord Keywords bioenergia, elinkaariarviointi, teollinen ekologia, luomu, ympäristövaikutukset Säilytyspaikka Förvaringsställe Where deposited Helsingin yliopisto, Soveltavan biologian laitos, kirjasto

3 3 HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Faculty Agriculture and Forestry Tekijä Författare Author Hanna Tuomisto Laitos Institution Department Applied Biology Työn nimi Arbetets titel Title Biogas and other forms of bioenergy from agricultural crops for transport fuel use: energy, greenhouse gas and nutrient balances Oppiaine Läroämne Subject Agroecology Työn laji Arbetets art Level Master thesis Aika Datum Month and year Sivumäärä Sidoantal Number of pages appendixes Tiivistelmä Referat Abstract The aim of the study was to assess energy, greenhouse gas and nutrient balances for fieldbased transport biofuels produced in Finnish conditions. In the literature survey barleybased ethanol, rape methyl ester (RME) and biogas were analysed. Energy, greenhouse gas and nutrient balances were calculated from a life cycle perspective for field-based biogas when timothy-clover grass and reed canary grass silage were used as a raw material. As an alternative, the use of green manure of an organic farm for raw material of biogas was evaluated. Also the impact of using various fertilisers was evaluated. Biogas had lower energy input and greenhouse gas emissions than barley-based ethanol and RME. The energy input for biogas was about % of the output depending on the raw material. The energy input for barley-based ethanol was about 82 % and for RME about 50 % of the output. Greenhouse gas emissions for barley-based ethanol and RME were even bigger than for fossil-based reference fuels. The green house gas emissions of field-based biogas were about % of emissions of fossil-based fuels. When manure, organic wastes of food industry or organic municipal wastes were used for raw material of biogas green house gas emissions were about % of emissions of fossil-based fuels. The largest energy input was used in the processing of the biofuels while the most of the green house gases were emitted during farming. The green house gas emissions of the fieldbased biogas were emitted mainly from fuels of farming machines, dinitrogen oxide emissions of the soil and the production of ensiling additives. Emissions can be reduced if biogas reactor -based microbe mass is used instead of ensiling additives. In terms of energy, greenhouse gas and nutrient balances it would be reasonable to use byproducts and wastes of agriculture, food industry and municipalities for raw material of bioenergy. Biogas technology is therefore excellent because all organic material can be used as raw material. Biogas technology makes possible also to recycle nutrients effectively because the digestate is a valuable fertiliser. Avainsanat Nyckelord Keywords bioenergy, life cycle assessment, industrial ecology, organic farming, environmental impacts Säilytyspaikka Förvaringsställe Where deposited University of Helsinki, Department of Applied Biology, library

4 4 Esipuhe Tämä tutkimus on tehty Maa- ja metsätalousministeriössä pro gradu -työnä. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää eri liikenteen biopolttoaineiden tuotannon järkevyyttä kotimaisista raaka-aineista energia-, kasvihuonekaasu- ja ravinnetaseiden kannalta. Tutkimuksen rahoittajana on ollut maa- ja metsätalousminiteriön lisäksi Tritonet Oy Tampereelta. Haluan kiittää työni ohjaajia agroekologian professori Juha Heleniusta ja Tritonet Oy:n toimitusjohtaja Pertti Keskitaloa sekä maa- ja metsätalousministeriöstä maatalousneuvos Taina Vesantoa, ylitarkastaja Elina Nikkolaa sekä ylitarkastaja Veli- Pekka Reskolaa, jotka mahdollistivat minulle työn teon ministeriössä. Haluan myös kiittää tutkija Tuula Mäkistä VTT:stä tutkija Annimari Lehtomäkeä Jyväskylän Teknologiakeskus Oy:stä heiltä saamistani arvokkaista tiedoista sekä Helsingin yliopistosta agroteknologian professori Jukka Ahokasta, Mmyo Jukka Kivelää ja Mmyo, DI Tuomas Mattilaa sekä MTT:sta tutkija Marko Sinkkosta työni kommentoinnista Hanna Tuomisto

5 5 Määritelmät ja lyhenteet Allokointi. Kohdentaminen Anaerobinen. Ilman happea, hapeton Biodiesel. Kasviöljypohjainen dieselpolttoaine, joka valmistetaan kasviöljyistä vaihtoesteröimällä (rasvahappojen metyyliesterit). Biokaasu. Orgaanisesta aineesta anaerobisen mikrobitoiminnan seurauksena muodostuva kaasu, joka koostuu lähinnä metaanista ja hiilidioksidista Biomassa. Orgaaninen eli eloperäinen aine Biopolttoaine. Kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen polttoaine, joka tuotetaan biomassasta, kuten pelto- tai metsäbiomassasta tai teollisuuden ja yhdyskuntien biojätteistä. CO 2 -ekvivalentti. Kasvihuonekaasuista käytetty yksikkö, joka kuvaa eri kaasujen kasvihuonekaasupäästön lämmityspotentiaalia verrattuna hiilidioksidiin. EtOH. Etanoli. F-T. Fischer Tropsch, synteesiprosessi, jolla valmistetaan erityyppisiä polttonesteitä synteesikaasusta. Kaasutus. Prosessi, jossa kaasuttava aine reagoi kiinteän tai nestemäisen polttoaineen kanssa korkeassa lämpötilassa muodostaen polttokaasuseoksen. Kaasuttava aine voi olla ilma, happi, vesihöyry tai joku muu hapen kantaja. Kuiva-aine. Massan kuiva-aineen määrä. Liikenteen biopolttoaine. Liikenteessä käytettävä nestemäinen tai kaasumainen polttoaine, joka tuotetaan biomassasta. Biomassa voi olla pelto- tai metsäbiomassaa tai teollisuuden ja yhdyskuntien jätteiden biohajoavaa osaa. Liikenteen biopolttoaineita ovat esimerkiksi bioetanoli, biodiesel, biokaasu ja synteettiset biopolttoaineet. Biopolttoai-

6 6 neet voidaan jakaa ensimmäisen ja toisen sukupolven biopolttoaineisiin käyttöominaisuuksien tai raaka-aineiden mukaan. Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineilla tarkoitetaan peltokasvipohjaista etanolia ja biodieseliä, joiden käytöllä nykyisissä ajoneuvoissa on rajoitteita niiden käyttöominaisuuksien vuoksi. Lämmönvaihdin. Ottaa talteen reaktorista tulevan lietteen lämmön ja lämmittää sillä reaktoriin menevän materiaalin. Mesofiilinen. Lämpötila-alueella C toimiva. Orgaaninen aine. Eloperäinen aina. Psykrofiilinen. Alle 20 C lämpötilassa toimiva. Pyrolyysiöljy. Korkeassa lämpötilassa hapettomissa olosuhteissa valmistettu bioöljy, jota voidaan käyttää raskaan tai kevyen polttoöljyn korvaajana. RME. Rypsimetyyliesteri. Rypsiöljystä valmistettu biodiesel. Synteesikaasu. Vetyä ja hiilimonoksidia sisältävä kaasuseos, joka voidaan valmistaa biomassasta kaasutuksen kautta. Synteettinen polttoaine. Synteesikaasun valmistuksen kautta valmistettu polttoaine. Terminen biokaasu. Termisellä kaasutuksella biomassasta valmistettu kaasumainen polttoaine. Termofiilinen. Lämpötila-alueella >50 C toimiva. Kasvihuonekaasut CO 2 hiilidioksidi CH 4 metaani N 2 O typpioksiduuli

7 7 Yksiköt Wh J wattitunti Joule k kilo, 10 3 = M mega, 10 6 = G giga, 10 9 = T tera, = P peta, = t tonni, 1000 kg 1 MWh = 3,6 GJ

8 8 Sisällys ESIPUHE... 4 MÄÄRITELMÄT JA LYHENTEET JOHDANTO TUTKIMUKSEN TAUSTA TUTKIMUKSEN TAVOITE METODOLOGIA Teollinen ekologia Elinkaariarviointi KIRJALLISUUSTARKASTELU LIIKENTEEN BIOPOLTTOAINEVAIHTOEHDOT Biodiesel Etanoli Synteettiset polttoaineet Biokaasu BIOPOLTTOAINEIDEN ENERGIA- JA KASVIHUONEKAASUTASEET RAVINNETALOUS Ravinnevirrat Biokaasureaktori mukana ravinteiden kierrätyksessä LUOMUTUOTANTO BIOKAASUREAKTORI LUOMUKASVINTUOTANTOTILALLA AINEISTO JA MENETELMÄT VERTAILUASETELMAT TOIMINNALLINEN YKSIKKÖ JA JÄRJESTELMÄN RAJAUKSET ALLOKOINNIT SATOTASON VALINTA ENERGIA- JA KASVIHUONEKAASUTASELASKENNAN PERIAATTEET Kasvihuonekaasupäästöt Polttoaineet Sähkö ENERGIAPANOKSET JA KASVIHUONEKAASUPÄÄSTÖT Lannoitteiden valmistus, kuljetus ja käyttö Kalkin valmistus, kuljetus ja käyttö Maaperän hiilidioksidipäästöt Säilöntäaineen valmistus Työkoneiden polttoaineen kulutus Nurmen energiasisältö Biokaasulaitteiston energiankulutus Biokaasun jalostus liikennepolttoaineeksi MENETELMÄT RAVINNETASELASKELMAT Luomutilan ravinnetase Nurmibiokaasun ravinnetase TULOKSET PRIMÄÄRIENERGIAPANOS KASVIHUONEKAASUPÄÄSTÖT RAVINNETASEET Luomutilan ravinnetase Nurmen ravinnetase HERKKYYSTARKASTELU TULOSTEN TARKASTELU... 59

9 9 5.1 ENERGIA-, KASVIHUONEKAASU- JA RAVINNETASEET TULOSTEN VERTAILU MUIHIN TUTKIMUKSIIN TULOSTEN LUOTETTAVUUS JA EPÄVARMUUSTEKIJÄT BIOKAASUN VERTAILU MUIHIN POLTTOAINEISIIN TULEVAISUUDEN TUTKIMUSTARPEITA JOHTOPÄÄTÖKSET KIRJALLISUUS LIITTEET... 78

10 10 1 Johdanto 1.1. Tutkimuksen tausta Viime aikoina on mediassa käyty kiivasta keskustelua liikenteen biopolttoaineiden energia- ja kasvihuonekaasutaseista sekä muista ympäristövaikutuksista. Euroopan Unioni on asettanut tavoitteeksi 1 biopolttoaineille vuonna ,75 prosentin osuuden tieliikennekäyttöön myydyistä polttoaineista. Tällä hetkellä biopolttoaineiden osuus Suomessa on lähes olematon, joten tavoitteiden täyttäminen vaatii ripeitä toimia. Suunnitellut toimintamallit tavoitteiden täyttämiseksi perustuvat pitkälle etanolin ja biodieselin varaan (KTM 2006, MMM 2006). Biopolttoaineita ei saa kuitenkaan tuottaa vain säädösten vuoksi, vaan on muistettava perimmäinen tavoite vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ja muita haitallisia ympäristövaikutuksia sekä korvata öljyä. Järkevässä bioenergian tuotannossa sovelletaan teollisen ekologian periaatteita, joiden mukaan tuotantojärjestelmien aine- ja energiavirrat pyritään sulauttamaan luonnon järjestelmien kiertokulkuihin. Luonnon järjestelmissä ei synny jätettä, vaan aineet kiertävät tehokkaasti. Kasvihuonekaasupäästöjen lisäksi siis myös ravinnetaseet ovat ympäristön kannalta merkityksellisiä biopolttoaineiden tuotannossa, sillä maatalous on vesistöjen suurin yksittäinen ravinnekuormittaja Suomessa (Suomen ympäristökeskus 2006). Erityisesti fosforin kierrätys on tärkeää, sillä sen varannot ovat rajalliset. Toisaalta ravinnetaseet liittyvät myös energia- ja kasvihuonekaasutaseisiin, sillä kemiallisen typpilannoitteen valmistus on hyvin energiaintensiivistä (Davis & Haglund 1999). Hyödyntämällä kasvien biologista typensidontaa ja käyttämällä orgaanisia lannoitteita, kuten lantaa, kasvibiomassaa sekä jätevesilietettä voidaan typpi kierrättää ja säästää energiaa (Pimentel ym. 2005). Voidaan myös pohtia, onko ylipäätään järkevää käyttää maatalousmaata energian tuotantoon, vai pitäisikö se jättää kokonaan ruoan tuotannolle. Maapallon kasvava väestö asettaa paineita maankäytölle ja maatalousmaan riittävyydelle. Energiakasvien viljely pellolla on vain yksi tapa tuottaa bioenergiaa. Bioenergiaa saadaan myös, metsistä, ve- 1 1 Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2003/30/EY liikenteen biopolttoaineiden ja muiden uusiutuvien polttoaineiden käytön edistämisestä. Bryssel

11 11 sikasveista, lannasta sekä elintarviketuotannon ja yhdyskuntien orgaanisista jätteistä (kuva 1). Bioenergia Metsä Pelto Vesistöt Elintarvikkeet Rehut Energiakasvit Lanta Ruoka Jäte KUVA 1. Energiakasvit ovat vain yksi bioenergian lähde. Biokaasun tuotanto voisi tarjota erinomaisen mahdollisuuden kestävän kehityksen mukaiseen bioenergian tuotantoon, sillä biokaasun raaka-aineena voidaan käyttää kasvintuotannon jätteitä ja lantaa sekä viherlannoitusmassaa, joten peltoa ei tarvitse varata pelkästään energian tuotantoa varten. Pelto voi siis tuottaa sekä energiaa että elintarvikkeita yhtä aikaa. Etuna on myös mahdollisuus käyttää biokaasutusjäännös lannoitteena, jolloin ravinteet voidaan kierrättää, ja voidaan luopua kemiallisten lannoitteiden käytöstä. Koska VTT:ltä ja MTT:ltä on juuri julkaistu Tekesin ClimBus-teknologiaohjelmassa tehty tutkimus (Mäkinen ym. 2006), jossa käsitellään mm. ohraetanolin ja RME:n (rypsimetyyliesteri) energia- ja kasvihuonekaasutaseita, keskitytään tässä tutkimuksessa biokaasun taseiden laskemiseen ja muita polttoaineita tarkastellaan kirjallisuusosiossa. Biokaasulaskelmissa pyritään käyttämään mahdollisimman pitkälle samoja rajauksia ja lähtöoletuksia kuin VTT:n ja MTT:n tutkimuksessa, jotta tämän tutkimuksen tuloksia biokaasusta voitaisiin verrata ohraetanolin ja RME:n taseisiin.

12 Tutkimuksen tavoite Tämän työn tavoitteena oli selvittää nykytekniikalla tuotettujen liikenteen biopolttoaineiden elinkaariset energia-, kasvihuonekaasu- ja ravinnetaseet, kun raaka-aineena käytetään kasvibiomassaa. Kirjallisuuden avulla selvitettiin liikenteen biopolttoaineiden energia- ja kasvihuonekaasutaseita sekä ravinnekiertojen sulkemisen mahdollisuuksia. Tutkimusosiossa laskettiin peltobiokaasun energia- ja kasvihuonekaasu- ja ravinnetaseet. Lisäksi tutkittiin typpiomavaraisen kasvintuotantotilan integrointia biokaasun tuotantoon käyttämällä viherlannoitusbiomassa biokaasun raaka-aineeksi. Tilamallin avulla oli tavoitteena myös selvittää ravinnekierron sulkemisen mahdollisuutta. Typpiomavaraisen biokaasutilan tutkiminen oli esiselvitystä BIOKAMUT: Biologinen kasvimateriaalin mädätys kaasutuotannon tehostaminen tutkimushanketta 1 varten. Peltobiokaasun energia- ja kasvihuonekaasutaselaskenta suoritettiin siten, että tuloksia voidaan verrata Mäkisen ym. (2006) tutkimuksen tuloksiin RME:n ja ohraetanolin taseista. Tutkimuksen tavoitteena oli etsiä vastauksia seuraaviin kysymyksiin: 1. Vähentääkö liikenteen biopolttoaineiden käyttö kasvihuonekaasupäästöjä verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin, kun polttoaineiden koko elinkaari huomioidaan? 2. Millainen vaikutus orgaanisten lannoitteiden käytöllä ja ravinnevirtojen sulkemisella on liikenteen biopolttoaineiden energia- ja kasvihuonekaasutaseisiin? 3. Mitkä ovat peltobiokaasun energia- ja kasvihuonekaasutaseet? 4. Miten ravinteet kiertävät typpiomavaraisella kasvintuotantotilalla, jossa viherlannoitus käytetään biokaasun raaka-aineeksi? 1 Vireillä oleva tutkimushanke: BIOKAMUT: Biologinen kasvimateriaalin mädätys kaasutuotannon tehostaminen. Päätutkijoina: Tuomas Mattila SYKE/HY ja Kalle Salonen TKK.

13 Metodologia Teollinen ekologia Teollinen ekologia on teollisten ja ekologisten järjestelmien vuorovaikutusten tutkimusta ja hallintaa. Siinä selvitetään aineen ja energian virtoja, muuntumista ja kulumista teollisissa ja ekologisissa ja systeemeissä ja niiden välillä. Näin pystytään löytämään tärkeimmät ympäristöä kuormittavat kohteet ja suunnittelemaan niihin parannuksia. Tavoitteena on kehittää teollisia järjestelmiä suljetummiksi siten, että jätettä ei syntyisi. Lifset & Graedelin (2002) mukaan teollinen ekologia voidaan jakaa seuraaviin osaalueisiin: - biologinen analogia - systeeminäkökulma - teknologian muutosten vaikutus - yritysten merkitys - dematerialisaatio ja ekotehokkuus - suuntautuminen tulevaisuuteen Biologisella analogialla tarkoitetaan sitä, että teollisten järjestelmien vertailukohtana käytetään ekosysteemejä, joissa yleensä ainekierrot ovat tehokkaita (Lifset & Graedel 2002): luonto ei tunne jätteen käsitettä. Ekologisissa systeemeissä on yleensä aina tuottajat, kuluttajat ja hajottajat (eli "kierrättäjät"), kun taas teollisista systeemeistä hajottajat usein puuttuvat. Teollisen ekologian analyysien avulla voidaankin yrittää kehittää myös teollisia systeemejä tehokkaampaan aineen kierrätykseen. Biologista analogiaa havainnollistetaan usein kuvan 2 tavoin jakamalla systeemit kolmeen eri tyyppiin resurssien käytön tehokkuuden suhteen (Mäki 2005, Lifset & Graedel 2002, Connelly & Koshland 2001). Systeemimallit toimivat sekä biologisissa että teollisissa järjestelmissä.

14 14 Tyypin I systeemissä materiaalivirta on lineaarinen. Tätä systeemiä voidaan verrata teolliseen systeemiin, jossa raaka-aineet otetaan luonnosta, palautetaan jätteinä takaisin luontoon, energiaa käytetään tehottomasti ja se perustuu uusiutumattomiin energian lähteisiin. Tämä systeemi ei ole kestävä, sillä raaka-aineet kuluvat loppuun ajan kuluessa. Useimmat teolliset systeemit toimivat tyypin I tavoin (Connelly & Koshland 2001). Vaikka tyypin I systeemi ei ole yksinään kestävä, voi useista vuorovaikutuksessa olevista tyypin I systeemeistä muodostua kestävä kokonaisuus (tyypin III systeemi). Rajoittamattomat resurssit; 1,0 Energia Hyödyntäminen; 1,0 Tyyppi I Rajoittamattomat j äännökset; 1,0 Tyyppi II Kierrätys; 0,5 Hukkaenergia Rajoitetut materiaaliresurssit; 0,5 Tyyppi III Käyttökelpoinen energia Hukkaenergia Hyödyntäminen 1,0 Rajoitetut jäännösmateriaalit; 0,5 Tuotanto; 1,0 Kulutus; 1,0 Hajotus; 1,0 Kuva 2. Kolme ekologista tai teollista systeemiä kuvaavaa mallia. Luvut 1,0 ja 0,5 havainnollistavat ainevirtojen suuruuksia eri systeemeissä (Mäki 2005 muokannut lähteistä Lifset & Graedel 2002 ja Connelly & Koshland 2001). Tyypin II systeemissä on mukana systeemin sisäistä kierrätystä, mutta kierrätys ei ole täydellistä. Tyypin III systeemi edustaa ekosysteemiä, jossa aine kiertää täydellisesti. Ainoa ulkoinen panos systeemiin on auringon energia ja ainoa poistuva lämpö. Teollinen järjestelmä voi kehittyä tyypin III systeemiksi ainoastaan hyödyntämällä uusiutuvia energianlähteitä ja kierrättämällä kaiken raaka-aineen. Tyypin III systeemi on kestävä.

15 15 Kuvasta 2 nähdään myös kierrätyksen merkitys. Mikäli aikayksikössä kulutetaan 1,0 materiaaliyksikköä, niin tyypin I systeemissä koko materiaalimäärä otetaan systeemin ulkopuolelta. Koska aine ei häviä, systeemistä myös poistuu 1,0 materiaaliyksikköä, sillä yleensä ainetta ei varastoidu systeemiin ainakaan pitkällä aikavälillä. Tyypin II systeemissä pystytään kierrättämään 0,5 materiaaliyksikköä, joten systeemin ulkopuolelta tarvitaan vain 0,5 materiaaliyksikköä ja saman verran syntyy myös poistettavaa jäännöstä. Tyypin III systeemissä kaikki aine kiertää, joten raaka-aineita ei tarvita systeemin ulkopuolelta eikä jätteitä synny. Koska kaikissa malleissa systeemistä poistettavien raaka-aineiden määrä on sama kuin systeemiin tulevan raaka-aineen määrä (Kneese ym. 1970), johtaa jätteiden määrän vähentäminen neitseellisen raaka-aineen käytön vähentämiseen (Schramm 1997). Toisaalta systeemin neitseellisen raaka-aineen käytöstä voidaan suoraan arvioida systeemistä poistuvien jäännöstuotteiden määrä. Teollinen ekologia korostaa systeeminäkökulmaa, jolla pyritään välttämään yllättäviin ongelmiin johtavia kapea-alaisia analyyseja ja ratkaisuja. Systeemitarkastelun työvälineitä ovat elinkaariajattelu, materiaali- ja energiavirta-analyysit sekä systeemien mallinnukset (Lifset & Graedel 2002). Elinkaariajattelussa on tavoitteena muodostaa kokonaiskuva tietyn tuotteen ympäristökuormituksesta koko sen elinkaaren ajalta. Myös energia- ja materiaalivirta-analyysien sekä taseiden avulla pyritään muodostamaan systeemeistä kokonaiskäsitys noudattaen aineen ja energian häviämättömyyden lakeja. Analyysien avulla voidaan tunnistaa systeemien ongelmakohtia ja löytää ennen tunnistamattomia energia- ja materiaalivirtoja. Teknologian muutoksella viitataan kehittyvän tekniikan mahdollisuuksiin rajoittaa ympäristökuormitusta (Lifset & Graedel 2002). Tästä esimerkkinä mikrotasolla on ympäristömyötäinen tuotesuunnittelu ja makrotasolla ympäristön laadun säilyttäminen elintason ja ihmisten lukumäärän ollessa reunaehtoina. Yrityksiä pidetään teollisessa ekologiassa aktiivisina toimijoina, jotka tietävät parhaiten itse, kuinka voivat tehokkaimmin vähentää ympäristökuormitustaan (Lifset & Graedel 2002). Rajoitukset ja määräykset eivät siis tule yritysten ulkopuolelta, vaan kehitys tapahtuu yhteistyön kautta.

16 16 Dematerialisaatiolla ja ekotehokkuudella viitataan systeemin kehittymiseen tyypin I systeemistä kohti tyypin III systeemiä. Materiaalikiertojen sulkemisen lisäksi materiaali-intensiteetti vähenee eli sama hyödyke tuotetaan vähemmällä materiaali- ja energiamäärällä. Dematerialisaatio viittaa tähän tavoitteeseen systeemitasolla ja ekotehokkuus yritystasolla. Teollisen ekologian tutkimus on tulevaisuuteen suuntautuvaa. Tutkimusten avulla pyritään ennakoimaan tulevaisuudessa aiheutuvia ongelmia ja riskejä, joita voidaan pienentää huolellisella suunnittelulla Elinkaariarviointi Elinkaariarvioinnin (Life Cycle Assessment, LCA) avulla pyritään tunnistamaan jonkin kokonaisuuden aiheuttamat ympäristöhaitat sen koko elinkaaren aikana. Elinkaariarvioinnilla arvioidaan tuotteen valmistusprosessin ympäristövaikutukset (käytetty energia ja materiaalit sekä syntyneet päästöt) sisältäen raaka-aineiden hankinnan, osien ja lopputuotteen valmistuksen, kuljetuksen ja jakelun, käytön, uudelleenkäytön, kierrätyksen ja loppukäsittelyn. Täydellisen elinkaariarvioinnin vaiheisiin kuuluvat 1) tavoitteen ja soveltamisalan määrittely, 2) inventaarioanalyysi 3) vaikutusarviointi ja 4) tulkinta (SFS-EN ISO ). Tavoitteen asettelussa määritetään kysymys, johon elinkaariarvioinnilla etsitään vastausta. Soveltamisalan määrittelyssä kuvataan tutkittavan järjestelmän toiminnot, toiminnallinen yksikkö, johon syötteitä ja tuotteita verrataan, tuotejärjestelmän rajat, allokointimenettelyt, olettamukset, rajoitukset ja tietojen laatuvaatimukset. Inventaarioanalyysissa määritetään tuotteen ympäristöä kuormittavien resurssien käyttö ja päästöt. Tässä tutkimuksessa siis selvitetään energiavirrat, kasvihuonekaasupäästöt ja ravinnetaseet. Vaikutusarvioinnissa määritetään yksiulotteinen suhdeluku ympäristövaikutuksista. Tämä vaihe voidaan jättää pois, kuten tässäkin työssä tehdään. Tulkintavaiheessa arvioidaan elinkaariarvioinnin tavoitteiden saavuttaminen sekä käytetyt menetelmät ja raportoidaan tulokset.

17 17 Toisistaan riippumattomien elinkaariarviointien vertailu ei ole suositeltavaa, sillä tuloksiin vaikuttaa merkittävästi tehdyt rajaukset ja oletukset sekä lähtöarvot sekä sivutuotteiden allokointiperusteet (Bernesson ym. 2006). Elinkaariarvioinneissa on paljon subjektiivisuutta ja valintoja ja yksinkertaistuksia joudutaan tekemään jatkuvasti. 2 Kirjallisuustarkastelu 2.1 Liikenteen biopolttoainevaihtoehdot Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineita ovat kasviöljypohjainen biodiesel, etanoli sekä biokaasut. Toiseen sukupolveen kuuluvat kehitteillä olevat biomassasta valmistetut synteettiset polttoaineet ja metanoli, lignoselluloosapohjaisesta biomassasta (olki, puu) valmistettu etanoli, mäntyöljypohjaiset tuotteet (mäntyöljyn esterit) sekä pyrolyysitekniikalla bioöljystä valmistetut tuotteet. Alkoholit (metanoli ja etanoli) voidaan vielä jatkojalostaa eettereiksi (esim. MTBE ja ETBE), joita käytetään yleisesti polttoaineiden lisäaineina, ns. oksygenaatteina Biodiesel Biodieselin raaka-aineena voidaan käyttää kasviöljyjä, eläinrasvoja, mäntyöljyä ja käytettyjä paistorasvoja. Euroopassa noin 95 % biodieselistä valmistetaan rypsistä tai rapsista (Körbitz ym. 2003), kun taas Yhdysvalloissa soijaöljy on yleinen raaka-aine. Valmistettaessa biodieseliä rypsistä, siemenet puristetaan ensin mekaanisesti, jolloin saadaan raakarypsiöljyä sekä valkuaisrehuksi kelpaavaa kiinteä jäännöstä eli rypsirouhetta, jolla voidaan korvata ulkomaisen soijarehun tuontia (kuva 3). Öljysaanto on hieman korkeampi kuumapuristuksessa kuin kylmäpuristuksessa, ja uuttamalla kiinteä jäännös liuottimella, kuten heksaanilla, saadaan vielä suurempi öljysaanto. Raakarypsiöljy esteröidään metanolilla, jolloin syntyy rypsimetyyliesteriä (RME), eli biodieseliä, sekä glyserolia. Esteröinti on välttämätöntä viskositeetin ja kylmäominaisuuksien säätämiseksi dieselkäyttöön soveltuvaksi. Esteröinnissä voidaan käyttää myös etanolia, jolloin saadaan rasvahappojen etyyliesteriä (FAEE). Rypsin ollessa raaka-aineena saadaan ryp-

18 18 sietyyliesteriä (REE). Rypsinsiementen keskimääräinen saanto Suomessa on noin 1,75 t/ha, joka vastaisi rypsimetyyliesterin saantona noin 0,61 t RME/ha (Mäkinen ym. 2005). Fortum on kehittänyt uudenlaisen tavan valmistaa biodieseliä NExBTLprosessilla, jossa tuotetaan hiilivedyistä koostuvaa dieselpolttoainetta perinteisen rasvahappoestereistä muodostuvan biodieselin sijasta (Mäkinen ym. 2005). Fortumin prosessi perustuu raaka-aineen vetykäsittelyyn. Rypsin viljely Puristaminen Soijan viljely Rypsiöljy Puristejäte Soijarehu Vaihtoesteröinti Glyserolin tuotanto Glyseroli Glyseroli Dieselin tuotanto RME Diesel KUVA 3. Biodieselin tuotantokaavio ja korvaavuudet. (Franke & Reinhardt 1998)

19 Etanoli Etanolia valmistetaan sokeripitoisista viljelykasveista, kuten sokeriruo'osta ja sokerijuurikkaasta, sekä tärkkelyspitoisista kasveista, kuten viljasta ja perunasta. Sokeri fermentoidaan mikrobien avulla alkoholiksi. Tärkkelyspitoisten raaka-aineiden tärkkelys on muunnettava ennen fermentointia sokereiksi hydrolyysin avulla. Suomessa viljeltävistä kasveista etanolin raaka-aineeksi soveltuu viljelyvarmuutensa vuoksi parhaiten ohra (Mäkinen ym. 2005). Ohra soveltuu viljeltäväksi lähes kaikkialla Suomessa, ja sen viljelyllä on pitkät perinteet. Ohrasato on normaalivuosina noin kg/ha, ja yhdestä tonnista ohraa saadaan etanolia 309 kg (398 litraa), kun 53 % ohran tärkkelyksestä muuttuu prosessissa etanoliksi ja loput 47 % hiilidioksidiksi. Ohran kuiva-aineesta on tärkkelystä 61 %. Ohraetanolin saanto on siis noin 0,91 t/ha (Mäkinen 2005). Lisäksi syntyy sivutuotteena rankkia noin kg, joka voidaan käyttää valkuaisrehuksi korvaamaan tuontisoijaa, tai se voidaan hyödyntää biokaasun raaka-aineena. Rankin kuivaainepitoisuus on noin 15 % ja valkuaispitoisuus keskimäärin % kuiva-aineesta. Rehuksi prosessoitava rankki voidaan erottaa vielä kahteen jakeeseen, jotka ovat kuitupitoinen kiintoainekakku (kuiva-ainepitoisuus 30 %) ja valkuaispitoinen laiharankki (kuiva-ainepitoisuus 8 %). Rankki voidaan myydä tehtaan läheisyyteen märkänä rehuna tai se voidaan kuivata ja jalostaa pellettirehuksi. Etanolia voidaan valmistaa myös puusta vapauttamalla ensin selluloosan ja hemiselluloosan sokerit kemiallisesti hydrolyysin avulla (Mäkinen ym. 2005, kuva 4). Etanolin saanto metsätähteestä tällä menetelmällä on arviolta 17,22 painoprosenttia kuivasta puusta (Mäkinen ym. 2005). Sivutuotteena saadaan mm. ligniinipolttoainetta, jonka massasaanto on lähes kaksinkertainen etanolin saantoon verrattuna. KUVA 4. Etanolin tuotantoprosessi viljoista tai puusta (Mäkinen ym. 2005).

20 Synteettiset polttoaineet Synteettisiä polttoaineita voidaan valmistaa biomassasta, kuten metsätähteistä, ns. synteesikaasureitin kautta (Mäkinen ym. 2005, kuva 5). Biomassasta valmistetaan ensin termisesti kaasuttamalla synteesikaasua, josta valmistetaan polttonesteitä, kuten metanolia, ns. Fischer-Tropsch -polttoaineita tai dimetyylieetteriä (DME). Kaasutuksen tuotekaasu täytyy puhdistaa epäpuhtauksista ja konvertoida synteesiprosessin vaatimusten mukaiseksi synteesikaasuksi. Prosessissa voidaan saavuttaa esimerkiksi metanolille noin 55 prosentin massasaanto kuivasta puusta (Mäkinen ym. 2005). Tulevaisuudessa saattaisi olla myös mahdollista valmistaa termisesti kaasuttamalla kaasumaista polttoainetta, joka sisältää vetyä ja hiilimonoksidia (Mäkinen ym. 2005). Tämä kaasu voitaisiin tarvittaessa prosessoida metaaniksi. Termisellä kaasutuksella olisi siis mahdollista valmistaa sekä nestemäisiä että kaasumaisia polttoaineita ajoneuvokäyttöön. KUVA 5. Liikenteen biopolttoaineiden valmistusprosessi synteesikaasun kautta (Mäkinen ym. 2005) Biokaasu Biokaasua valmistetaan käsittelemällä anaerobisesti eli mädättämällä orgaanista materiaalia, kuten kasvibiomassaa, lantaa, jätevesilietettä tai biojätettä. Kaatopaikoilla muodostuu myös vastaavaa kaasua, joka voidaan ottaa talteen. Biokaasu sisältää yleensä % metaania, % hiilidioksidia, alle 1 % rikkivetyä ja pieniä määriä muita kaasuja. Liikennepolttoainekäyttö edellyttää hiilidioksidin, korrodoivien aineiden ja syövyttävien aineiden poistoa sekä kaasun paineistusta. Kiinteä biokaasutusjäännös voidaan käyttää lannoitteena pellolla tai maisemoinnissa.

21 21 Biokaasulaitos voi olla maatilakohtainen tai keskitetty. Maatilakohtaisessa laitoksessa käsitellään vain yhden maatilan tuottama orgaaninen aines, kuten lanta, sekä mahdollisesti lähialueella tuotettua muuta orgaanista materiaalia, esim. kasvibiomassaa tai elintarviketeollisuuden ylitteitä. Muodostunut energia hyödynnetään tilalla lämpönä ja sähkönä tai jalostetaan liikennepolttoaineeksi, ja käsitelty biomassa käytetään lannoitteena tilan pelloilla. Sähköä voidaan myydä myös sähköverkkoon. Keskitetyssä biokaasulaitoksessa käsitellään usealta maatilalta kerättyä lantaa teollisuuden ja yhdyskuntien biojätteiden ja -lietteiden kanssa. Energia myydään verkkoon ja käsitelty materiaali jaetaan lannoitteeksi usealle maatilalle. Orgaanisen aineksen anaerobinen hajoaminen on biologinen prosessi, jossa tarvitaan useita bakteeriryhmiä (kuva 6). Haponmuodostajabakteerien erittämät entsyymit hydrolysoivat käsiteltävän massan eli substraatin polymeerit eli hiilihydraatit, proteiinit ja rasvat yksinkertaisiksi liukoisiksi yhdisteiksi, kuten yksinkertaisiksi sokereiksi, ammoniakiksi ja pitkäketjuisiksi rasvahapoiksi (Rintala ym. 2002). Hydrolyysituotteet hajoavat happokäymisessä (asidogeneesi) haihtuviksi rasvahapoiksi (volatile fatty acids, VFA). Vetyä tuottavat bakteerit hajottavat muodostuneet rasvahapot asetaatiksi, hiilidioksidiksi ja vedyksi (asetogeneesi). Asetogeneesi voi edetä joko dehydrogenaatioreittiä, jolloin muodostuu asetaattia ja vetyä, tai hydrogenaatioreittiä, jolloin muodostuu vain asetaattia. Viimeisessä vaiheessa metanogeenit eli metaaninmuodostajabakteerit tuottavat metaania asetaatista tai vedystä ja hiilidioksidista (Dolfing 1988). Mikäli anaerobisessa hajoamisessa on läsnä sulfaattia, muodostuu lisäksi rikkivetyä eli vetysulfidia (H 2 S) sulfaatinpelkistäjäbakteereiden toiminnan seurauksena (Widdel 1988).