Rakennusten lämmitykseen käytetty energia

Transkriptio

1 Pelletti, mitä se on? Ominaisuudet ja laatu sekä ympäristövaikutukset Saarijärvi , VTT 1 Rakennusten lämmitykseen käytetty energia 2 Kuva: Finndomo 1

2 Primäärienergian kokonaiskulutus 2005 Kivihiili 10 % Maakaasu 11 % Öljy 27 % Vesivoima 4 % Puupolttoaineet 20 % Ydinenergia 18 % Lämpöpumput, kierrätyspolttoaineet ja muut 2 % Turve 5 % Sähkön nettotuonti 5 % Tuulienergia 0,03 % Primäärienergiankokonaiskulutus yhteensä PJ (377 TWh) 3 Lähde:Energiaennakko 2005 Uusiutuvat energialähteet 2005 Vesivoima 14,5 %, TJ Bioperäiset kierrätyspolttoaineet 1,3 %, (4 543 TJ) Tuulienergia 0,2%, 607 TJ Aurinkoenergia 0,0%, 29 TJ Biokaasu 0,5 %, TJ Lämpöpumput 1,8%, TJ Muu bioenergia 0,2%, 659 TJ Puupolttoaineet 81,4% TJ (76,3 TWh) Puupolttoaineiden pienkäyttö 17,6 %, TJ Teollisuuden puutähteet ja sivutuotteet 34,5 %, TJ Mustalipeä 47,9 %, TJ Uusiutuvien energialähteiden käyttö TJ (93,8 TWh), joka on 25 % kokonaisenergian kulutuksesta 4 Lähde: Energiaennakko

3 Bioenergiankäytönkehittyminen TJ Puun pienkäyttö (pilke,hake,pelletti) Liikenteen biopolttoaineet Biokaasu Lähde: Energiatilastot 2004 ja Energiaennakko Muu bioenergia Kierrätyspolttoaine (bio-osuus) Puun pienkäyttö Teollisuuden energiantuotannon puupolttoaineet Puunjalostusteollisuu den jäteliemet Rakennusten lämmitys merkittävä energiankuluttaja Energian käytön jakautuminen eri rakennustyypeille Rakennusten lämmitys kuluttaa 22 % Suomen energian kokonaiskulutuksesta. Kaikkien rakennusten lämmitykseen käytetty energiamäärä oli 80,6 TWh vuonna 2005 Teollisuusrakennukset 14 % Palvelurakennukset 22 % Maatalousrakennukset 5 % Pientalot yht. 42 % T = tera = TWh = 1 miljoona MWh 1 MWh=1 000 kwh Asuinkerrostalot 17 % 6 3

4 Pientalojen lämmitystavat ja energian käyttö 2005 Sähkö 24 % Puun pienkäyttö 34 % Kaukolämpö 11 % Lämpöpumput 5 % Maakaasu 1 % Kevyt polttoöljy 25 % Turve 0 % Hiili 0 % Pientalot (omakotitalot, kytketyt pientalot ja vapaa-ajan asunnot) käyttivät lämmitysenergiaa yhteensä 33,5 TWh. 7 1 TWh = 1 miljoona MWh 1 MWh=1 000 kwh Puupolttoaineen käyttö pientaloissa 2005 Puupolttoaineita käytetään pientaloissa lähes pientalossa ja käyttö oli GWh (noin 7 miljoonaa pino-m 3 ) Suurin osa käytetään pilkkeenä tulisijoissa, joita on yli 2 miljoonaa. Metsähaketta käytetään maatiloilla ja pientaloissa 774 GWh. Pellettien käyttö on noin 257 GWh, ja sitä käytetään lähes omakotitalossa. Energia- ja ympäristöstrategin tavoitteena on lisätä puun pienkäyttö GWh:iin vuoteen 2010 mennessä GWh vastaa lähes 13 miljoonaa pino-m 3. Kuva: Smart-Splitter G = giga = GWh = 1 miljoona kwh GWh = 1 TWh 8 Lähde: Energiaennakko 2005 ja ÖAK 4

5 Mikä on pelletti? Pellettien ominaisuudet ja laatu 9 Biopolttoainepelletin määritelmä (CEN/TS 14588, termi 4.18) Puristettu/tiivistetty biopolttoaine, joka on valmistettu jauhetusta biomassasta sideaineiden avulla tai niitä ilman lieriönmuotoisiksi kappaleiksi, joiden satunnainen pituus on yleensä 5 30 mm ja joilla on murretut päät. Biopolttoainepellettien raaka-aineina voidaan käyttää puubiomassaa, kasvibiomassaa, hedelmäbiomassaa, biomassasekoituksia tai seoksia. Ne valmistetaan tavallisesti matriisilla. Biopolttoainepellettien kokonaiskosteus on yleensä alle 10 paino-%. Lähde: CEN/TS Kiinteät biopolttoaineet -Terminologia, määritelmät ja kuvaukset,

6 Pellettien raaka-aine Pelletit valmistetaan yleensä kuivasta purusta, hiontapölystä tai kutterinlastusta. Jos käytetään märkää sahanpurua on se kuivattava ennen pelletoimista Raaka-aineen kosteus on % Havupuut soveltuvat paremmin pellettien raaka-aineeksi niiden korkeamman ligniinipitoisuuden takia. Ligniinipitoisuus on havupuilla % ja lehtipuilla % Ligniini on puun kuitujen luonnollinen sideaine, joka toimii myös pellettien sideaineena Sideaineena voidaan käyttää myös esim. tärkkelystä. Yhden pellettitonnin valmistamiseen tarvitaan 7 10 irto-m 3 kuivaa jauhettua puuta 11 Puun koostumus Kuiva-aines Vesi Tuhka 0,4-0,6%* KIINTEÄ HIILI (C) HAIHTUVAT AINEET 11,4-15,6%* 84-88%* Hiili (C) %* Vety (H) 6,0-6,2% * Happi (O) % * Typpi (N) 0,1-0,4 % * Rikki (S) 0,01-0,1% * KUORI 60 % SAHANPURU 55 % TUORE PUU % METSÄTÄHDE % RANKAHAKE % PILKE % PUUPELLETTI 8-10 % * Osu us ku iva-ain een painosta, % Palava aines Hiili (C) noin 50 % ja haihtuvat aineet H, N, O, S, (C). Palamaton aines Tuhka Pääkomponentit: K, Ca, Mg, P, Mn Vesi Eija Alakang as Lähde: Alakangas, Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia, VTT Tiedotteita 2045 ( 12 6

7 Puupelletin tärkeimmät ominaisuudet Pelletti on tasalaatuinen biopolttoaine L Pelletin halkaisija (D) on Suomessa 8 mm ja Keski-Euroopassa yleensä 6 mm Pituus (L) vaihtelee, mutta yleensä se on 4- tai 5-kertainen halkaisijaan verrattuna. Pelletti on kuivaa polttoainetta, kosteus (M) alle 8 paino-% Puupellettien tuhkapitoisuus (A) on alhainen (0,2-0,4 % kuivaaineen painosta) Jos käytetään kuorta tuhkapitoisuus kasvaa Vähän rikkiä (S) < 0,3 % kuiva-aineen painosta Typpipitoisuus (N) 0,15 0,25 % kuiva-aineen painosta Mekaaninen kestävyys (DU) yleensä 97,5 % Hienoaineksen määrä (F) on 2 % Laatuluokitukseen on eurooppalainen standardi CEN/TS D 13 Puupelletit EAA Biofuels Tuottaja PL Jyväskylä Puh info@eaabiofuels.com Alkuperä: Kuoreton puu (sahanpuru) Kauppanimike: Pelletti Valmistusmaa ja paikkakunta Jyväskylä, Suomi Velvoittavat (CEN/TS 14961:2005) Mitat (mm) D08 (8 mm + 0,5mm, ja L < 4 x halkaisija) Halkaisija (D) ja pituus (L) Kosteus M10 ( < 10 p-%) (p-% saapumistilassa) Tuhkapitoisuus A0.7 ( < 0,7 p-%) (p-% kuiva-aineesta Mekaaninen kestävyys (p-% pelletteja testauksen jälkeen) Hienoaineksen määrä (p-%, < 3.15 mm) tehtaan portilla Lisäaineet (p-% raaka-aineesta) Opastavat (CEN/TS 14961:2005) DU97.5 F1.0 (tehtaan portilla korkeintaan 1 p-% hienoainesta) < 1 % massasta, tärkkelys 3 Irtotiheys (kg/irto-m ) DB600 > 600 kg/m 3 Energiatiheys, E E4.7 [kwh/kg] 14 7

8 Pelletit jalostettua energiaa 1 tonni pellettiä sisältää kwh energiaa 1 m 3 painaa noin 650 kg 1 m 3 pellettiä vastaa noin kwh energiaa eli Polttoaine Kevyt polttoöljy, litraa Pilke, koivu 1 irto-m 3 (1 pino-m 3 ) Pilke, leppä 1 irto-m 3 (1 pino-m 3 ) Pilke, havupuu 1 irto-m 3 (1 pino-m 3 ) Hake, irto-m 3 Energiaa kwh kwh (1 700 kwh) 740 kwh (1230 kwh) kwh ( kwh) 900 kwh Lähde: VTT Tiedotteita 2045 ja Vapo Oy 15 Ympäristövaikutukset 16 Kuva:Finndomo 8

9 Päästöjen muodostuminen Ideaalisessa palamisessa syntyy pelkästään hiilidioksidia (CO 2 ) ja vettä (H 2 O). Päästöjä syntyy, kun polttoaineen hapettuminen ei ole täydellistä = epätäydellinen palaminen Epätäydellisen palamisen tuotteita ovat C x H y, (hiilivedyt), CO (häkä), haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC:t), aromaattiset monirengashiilivedyt (PAH:t) ja hiukkaset NO x ja SO 2 -päästöt sekä osa tuhkahiukkasista vapautuu, vaikka palaminen olisi täydellistä. typen oksidi- ja rikkipäästöt ovat erittäin pieniä puun poltossa, koska puu sisältää vähän rikkiä ja typpeä Päästöjen muodostumiseen vaikuttavat Polttoaine Polttolaite/prosessi Käyttäjä Hiukkaserotuslaitteisto (ei yleensä pienpoltonlaitteissa) Lähde: Jorma Jokiniemi, VTT 17 Epätäydellinen palaminen Syynä epätäydelliseen palamiseen on palamisilman riittämättömyys ja epätäydellinen sekoittuminen palavien kaasujen kanssa, liian alhainen lämpötila, jotta palamisreaktiot ehtivät tapahtua sekä liian vähäinen viipymäaika tulipesän olosuhteissa. Epätäydellisen palamisen tuotteita ovat mm. hiilimonoksidi (CO) eli häkä, erilaiset hiilivedyt, hiilihiukkaset, noki ja pienhiukkaset. Palamisen täydellisyyttä arvioidaan yleensä savukaasujen häkäpitoisuuden (CO) ja hiilivetyjen perusteella. Mikäli CO-pitoisuus on riittävän alhainen, muita päästöjä ei savukaasuissa käytännössä juuri ole. Lähde: Heikki Oravainen, VTT 18 9

10 Orgaanisten päästöjen muodostuminen 80 % puusta kaasuuntuu, kun sitä lämmitetään ja kaasut poltetaan Orgaanisia päästöjä hiilivetyjen epätäydellisen palamisen seurauksena Jatkuvassa poltossa (stokerit, pellettipolttimet) päästöt alhaisia Epätäydellisessä palamisessa päästöt korkeita Syttymisvaihe tulisijoissa (alhainen lämpötila, huonot veto-olosuhteet) Rakoarinapoltto Kitupoltto (klapikattila) Orgaanisia päästöjä voidaan vähentää tehokkaasti kaasuuntumisen kontrolloinnilla ja ilman ohjauksella! Lähde: Jorma Jokiniemi, VTT 19 Mitkä asiat vaikuttavat pienhiukkasten syntyyn puun pienpoltossa? Polttoaine ja sen tuhkan koostumus Puun tuhka sisältää paljon kaliumia, joka höyrystyy tulipesässä ja muodostaa myöhemmin kondensoituneita pienhiukkasia. Tämä ilmiö tapahtuu aina ja voi olla voimakkaampi hyvässä poltossa, koska lämpötila voi olla korkeampi. Jos polttoaineessa on paljon tuhkaa hiukkaspäästöt lisääntyvät Epätäydellisestä palamisesta Nokihiukkasia Tervayhdisteitä, jotka kondensoituvat (tiivistyvät) tulipesän jälkeen muodostaen pienhiukkasia Lähde: Heikki Oravainen, VTT 20 10

11 9-10 µ m 6-9 µ m 5-6 µ m 3-5 µ m 2-3 µ m 1-2 µ m Mitä on pienhiukkaset? <1 µ m Partikkelikoko 1 µ on mm 1 µm = 1 mikrometri Erilaiset hiukkaset Kokonaishiukkaset (TPS) Karkeat hiukkaset, halkaisija> 2,5 µm Pienhiukkaset (halkaisija, D < 2,5 µm) kertymähiukkaset (0,1< D> 1 µm) ultrapienet (0,01< D< 0,1µm) Hiukkasten määrä ilmoitetaan Massaa kohti (mg/mj =3,6 mg/kwh) Tilavuutta kohti (mg/nm 3 ) Hiukkasten lukumääränä (kpl/nm 3 ) Pienhiukkasten haitat lyhentynyt elinikä astmaoireiden paheneminen hengitys- ja sydänsairauksien oireiden lisääntyminen viihtyvyyshaitat (likaisuus, haju) 21 Alle 50 kw puun pienpolttolaitteiden ja päästöt (Ohlström et. Al VTT Tiedotteita 2300) Polttoaine Polttolaite Kiukaat Teho kw < 15 Pilke CO, mg/mj Hiilivedyt, mg/mj 600 NO x, mg/mj 120 Kokon. hiukkaset mg/mj 200 PM1 mg/mj 190 Lukumäärä, kpl/mj ,5 Koko, nm 110 Takat, takkasyd.uunit < 30 pilke ,8 130 Pellettitakat 10 Pelletti ,2 155 Pellettikattilat < 30 Pelletti ,2 145 Stokerit Hake+ pelletti ,1 100 Hake Pelletti ,0 1, = mg/MJ=3,6 mg/kwh 1 nm= 10-9 = 0, mm 11

12 Pienhiukkasia (PM1) syntyy Puun poltto ei ole suinkaan ainut pienhiukkaslähde. Pienhiukkasia syntyy myös öljyn poltosta, liikenteestä, voimalaitoksista, teollisuudesta, kaukokulkeutuman jne. kautta. Isoissa voimalaitoksissa, joissa on savukaasujen puhdistus 0,03 11 mg/mj polttoaineesta ja polttotekniikasta riippuen. Puun pienpoltossa (< 50 kw:n laitteissa) Jatkuvassa poltossa 5 60 mg/mj Parhailla pellettilaitteilla alle 10 mg/mj Panospoltto Hyvässä, tehokkaassa poltossa alle 50 mg/mj Laitekohtaiset arvot alle 100 mg/mj Hiilivetyjen osuus massassa kasvaa voimakkaasti, kun päästö yli 100 mg/mj Panospoltossa hetkellisesti 600 mg/mj Huonosta palamisesta seuraa yleensä suuremmat massapäästöt Lähde: Jorma Jokiniemi ja Kuopion yliopiston raportti: ( Esimerkki: Hiukkaspäästöt 80 kw:n stokeripoltin Kokonaishiukkaset mg/mj TSP PM 10 PM 2.5 PM 1 PM1= 1 µm = mm wood Hakechips wood Pelletti pellets Lähde: Heikki Oravainen, VTT 24 12

13 Seuraavia päästöjä seurataan ulkoilmassa Aromaattiset monirengashiilivedyt (PAH:t) Karsinogeenisia ja mutageenisia EU:n raja-arvo bentso[a]pyreenin pitoisuuden vuosikeskiarvolle ulkoilmassa on 1 ng/m 3 Aromaattiset hiilivedyt Bentseeni karsinogeeninen EU:n raja-arvo bentseenin vuosikeskiarvolle ulkoilmassa 5000 ng/m 3 Haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC:t) Osa haitallisia Vaikuttavat otsonin ja pienhiukkasten muodostukseen Puun polton aiheuttamia päästöjä ulkoilmassa seurataan levoglukosaanin avulla, joka on puun polton merkkiaine ja jolle ei tunneta muita lähteitä 25 Lähde: Heidi Héllen, Ilmatieteenlaitos Rakennusten lämmitys merkittävä kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttaja Rakennusten lämmitys aiheuttaa noin 27 %:a fossiilisten polttoaineiden ja turpeen polton kasvihuonekaasupäästöistä. Vuonna 2005 fossiilisten polttoaineiden ja turpeen polton kasvihuonepäästöt olivat noin 54 miljoonaa CO 2 -tonnia. Pientalojen aiheuttama kasvihuonekaasupäästö on lähes 5,7 miljoonaa CO 2 -tonnia. Turve 1 % Sähkölämpö* 7 % Kaukolämpö* 51 % Hiili 0 % Raskas polttoöljy 7 % Lämpöpumput 3 % Kevyt polttoöljy 29 % Maakaasu 2 % *Kaukolämmön CO 2 -päästökerroin on laskettu käytettyjen polttoaineiden osuuksista ja sähkön (= lämpöpumput) keskimääräisestä kertoimesta (VTT Tiedotteita 2357) 26 13

14 Hiilidioksidipäästöjen vertailu Pelletti 1 irto-m 3 Kevyt öljy 300 litraa = 100 l 100 l 100 l Energiaa, kwh CO 2 päästö (netto), kg (266,8 kg/kwh) Päästökertoimet 27 Jos fossiilisia korvataan pelleteillä pientaloissa, hiilidioksidipäästöt vähenevät Noin CO 2 tonnia, jos sähkönkäyttäjät lisäävät pilkkeen käyttöä 50 kertaa ja polttavat 50 kwh puuta (noin 11 kg kerralla) vuodessa. Noin CO 2 tonnia, jos noin kevyen öljyn käyttäjää siirtyy pelletille (Suomen pellettienergiayhdistyksen tavoite v.2010). Pientalojen aiheuttama kasvihuonekaasupäästö vähenee tällöin reilut 10 % t/CO 2 Sähkö Kaukolämpö Lämpöpumput Maakaasu Kevyt öljy Hiili Turve

15 BIOENERGIA D06 DU97.5 D08 DU97.5 OTA SÄKKI OTA SÄKKI 20kg 20kg Lisätietoja: Erikoistutkija, VTT Puh Sähköposti: 29 15