CO 2 -eq-päästöt ja energiatehokkuus metsäbiomassojen toimitusketjuissa terminaalien vaikutus. Metsätehon tuloskalvosarja 4a/2017 Heikki Ovaskainen

Transkriptio

1 CO 2 -eq-päästöt ja energiatehokkuus metsäbiomassojen toimitusketjuissa terminaalien vaikutus Heikki Ovaskainen

2 Tiivistelmä Tutkimuksen tavoitteena oli vertailla työkoneiden ja kuljetusajoneuvojen CO 2 -eq-päästöjä ja energiatehokkuutta pienkokopuun, kantojen, hakkuutähteiden ja järeän lahopuun toimitusketjuissa. Suorien toimitusketjujen lisäksi biomassojen kuljettaminen biomassaterminaalien kautta oli toimitusketjuvertailuissa keskeisesti mukana. Päästöjen ja energiatehokkuuden näkökulmasta terminaalit tai käyttöpaikkahaketus/- murskaus eivät osoittautuneet yhtä energiatehokkaiksi menetelmiksi suoriin tienvarsihaketukseen perustuviin toimitusketjuihin verrattuna. Sillä, kuinka tiiviitä kuormia materiaalista saadaan aikaiseksi lähikuljetuksessa ja kaukokuljetuksessa, on merkittävä vaikutus ketjun päästöihin. Järeän lahopuun kuormat ovat lähellä ainespuukuormien tiiviyksiä, joten energiatehokkuudessa järeä lahopuu on materiaaleista paras. Kannonnostoa rasittaa nostotyövaiheen suuri energiatarve. 2

3 Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen tavoitteena oli vertailla työkoneiden ja kuljetusajoneuvojen CO 2 -eq-päästöjä ja energiatehokkuutta metsäbiomassojen toimitusketjuissa. Tutkimus liittyi BEST-tutkimushankkeeseen, jossa yhtenä keskeisenä kehittämiskohteena olivat biomassaterminaalit, joiden käyttäminen biomassojen toimitusketjuissa on tänä päivänä tyypillinen ja kasvava toimintamuoto. Näin ollen suorien toimitusketjujen lisäksi biomassojen kuljettaminen biomassaterminaalien kautta oli toimitusketjuvertailuissa keskeisesti mukana. Biomassoilla tarkoitetaan tässä tutkimuksessa pienkokopuuta, kantoja, hakkuutähteitä ja järeää lahopuuta. Viimevuotisten suurien hyönteistuhoesiintymien vuoksi järeän lahopuun (toukkapuu) toimitusketjutarkastelu otettiin mukaan perinteisten biomassojen lisäksi. 3

4 Metsäbiomassojen käytön suhteet Suomessa 2016 Hakkuutähteet 2,5 milj. m 3 (34 %) Pienpuu 3,9 milj. m 3 (52 %) Kannot 0,8 milj. m 3 (10 %) Järeä runkopuu 0,3 milj. m 3 (4 %) Lähde: Luonnonvarakeskus

5 Toimitusketjujen haketuspaikkojen osuudet eri metsäbiomassoilla Suomessa 2016 Lähde: Strandström 2017 Hakkuutähteet Pienkokopuu 8 % 10 % 40 % 13 % 47 % 82 % Tienvarsihaketus Terminaalihaketus Käyttöpaikkamurskaus Kannot Tienvarsihaketus Terminaalihaketus Käyttöpaikkamurskaus Järeä lahopuu 34 % 23 % 6 % 25 % 43 % 69 % Tienvarsihaketus Terminaalihaketus Käyttöpaikkamurskaus Tienvarsihaketus Terminaalihaketus Käyttöpaikkamurskaus 5

6 Laskentaperusteita Toimitusketjujen vertailtavuuden parantamiseksi tarkastelu kohdistui pelkästään autoperustaisille toimitusketjuille. Laskennassa esitettävät kuutiometrit ovat kiintokuutiometrejä ja työkoneiden ajanmenekkinä käytettiin käyttötuntituotosta ts. työajat sisältävät enintään 15 minuutin keskeytykset. Työvaiheiden CO 2 -eq -päästöt ja energiatehokkuudet on laskettu kulutetun polttoainemäärän perusteella ja näin ollen suureet ovat suoraan verrannollisia toisiinsa. Yhdestä diesellitrasta aiheutuu CO 2 -eq -päästöjä g. CO 2 -eq eroaa pelkästä CO 2 :sta siinä, että se sisältää kaikki kasvihuonekaasuiksi luokiteltujen yhdisteiden päästöt, mitä dieselpolttoaineen käyttö synnyttää. Eri biomassojen energiasisältöjä tarkasteltaessa on käytetty taulukon 1 mukaisia arvoja. Taulukko 1. Biomassojen ominaisuuksia tyypillisissä toimituskosteuksissa. Tehollinen lämpöarvo kuiva-aineessa, MJ/kg Toimituskosteus, % MWh/m 3 PIENKOKOPUU 19,2 39 2,23 KANNOT 19,1 35 2,29 HAKKUUTÄHTEET 19,8 45 2,19 JÄREÄ LAHOPUU 19,1 35 2,29 6

7 Laskentaperusteita: hakkuu ja kannonnosto Laskennassa pieniläpimittainen kokopuu hakattiin hakkuukoneella, jonka tuottavuutena käytettiin 5,4 m 3 /h. Kannot nostettiin kaivukoneella, jonka tuottavuutena käytettiin 6,2 m 3 /h. Hakkuutähteet kerättiin ainespuun korjuun yhteydessä kasoihin. Hakkuutähteiden korjuun tuottavuutena käytettiin 5,6 m 3 /h. Järeän lahopuun (ns. toukkapuu) hakkuu tapahtui hakkuukoneella, ja sen tuottavuutena käytettiin 16 m 3 /h. 7

8 Laskentaperusteita: lähikuljetus Kaikki biomassat kuljetettiin kuormatraktorilla leimikolta tienvarteen. Lähikuljetuksen tuottavuuksina tarkasteluissa käytettiin: Pienkokopuulla 6,8 m 3 /h Kannoilla 6,8 m 3 /h Hakkuutähteillä 9,1 m 3 /h Järeällä lahopuulla 12 m 3 /h 8

9 Laskentaperusteita: kaukokuljetus ja terminaalitoiminnot toimitusketjuissa Biomassojen kaukokuljetus tapahtui kolmella eri toimitusketjuvaihtoehdolla riippuen haketuspaikasta: + kuljetus hakeautolla hakkeena tienvarresta käyttöpaikalle (= hakeauto tyhjänä 60 km + hakeauto kuormattuna 60 km) Kuljetus hakettamattomana terminaaliin konttiautolla + haketus terminaalissa ja kuljetus hakkeena hakeautolla käyttöpaikalle (= konttiauto tyhjänä 60 km + konttiauto kuormattuna 50 km + hakeautolla hakkeena 10 km) Kuljetus irtonaisena tienvarresta käyttöpaikalle (= konttiauto tyhjänä 60 km + konttiauto kuormattuna 60 km) + käyttöpaikkamurskaus Hake- ja konttiauton kuormatilan kokona laskennassa käytettiin 150 m 3. Laskennassa käytetyt ajoneuvojen tyhjäpainot ja kuormattunapainot ovat esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. Ajoneuvojen tyhjänä- ja kuormattunapainot. Konttiauto/biomassa-auto Hakerekka Puutavara-auto Tyhjä auto, t Kuormattu auto, t Tyhjä auto, t Kuormattu auto, t Tyhjä auto, t Kuormattu auto, t PIENKOKOPUU KANNOT HAKKUUTÄHTEET JÄREÄ LAHOPUU

10 Laskentaperusteita: haketus ja murskaus Haketus ja murskaus tapahtuu joko tienvarressa, terminaalissa tai käyttöpaikalla. Kaikki muut biomassat pääasiassa haketettiin, paitsi kannot murskattiin. Käyttöpaikalla käytettiin biomassojen pienentämisessä aina murskainta. Tuottavuuksina eri materiaalien käsittelyssä käytettiin taulukon 3 mukaisia arvoja. Tienvarsihaketuksessa tai -murskauksessa ketjujen päästöihin lisättiin hakkurin tai murskan siirtämisestä aiheutuvat päästöt. Taulukko 3. Haketuksen ja murskauksen tuottavuudet m 3 /h. PIENKOKOPUU Tuottavuus HAKKUUTÄHTEET Tuottavuus 30,0 27,0 50,0 45,0 75,0 73,0 KANNOT JÄREÄ LAHOPUU Murskaus tienvarressa 30,0 30,0 Murskaus terminaalissa 32,0 50,0 40,0 60,0 10

11 Tulokset: hakkuu ja kannonnosto Hakkuussa ja kannonnostossa eri biomassojen päästöt vaihtelivat merkittävästi (Kuva 1). Hakkuutähteet saadaan kasattua lähes ilman lisätyötä ainespuun korjuun yhteydessä, kun sen sijaan kannonnostossa joudutaan käyttämään huomattavasti energiaa kantojen irrottamiseksi maasta. 10,00 kg CO 2 -eq/m 3 9,00 8,00 8,06 7,00 6,00 5,00 5,17 4,00 3,00 2,00 1,00 1,19 1,76 0,00 PIENKOKOPUU KANNOT HAKKUUTÄHTEET JÄREÄ LAHOPUU Kuva 1. Hakkuusta ja kannonnostosta aiheutuvat päästöt. 11

12 Tulokset: lähikuljetus Lähikuljetuksessa kuormatraktorin kuorman tiiveys ja siten kuorman koko vaikuttivat polttoaineen kulutukseen kuutiometriä kohden (Kuva 2). Järeällä lahopuulla päästöt olivat noin puolet kantojen vastaavasta päästöarvosta. 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 kg CO 2 -eq/m 3 5,00 4,00 3,91 4,50 3,36 3,00 2,00 2,22 1,00 0,00 PIENKOKOPUU KANNOT HAKKUUTÄHTEET JÄREÄ LAHOPUU Kuva 2. Lähikuljetuksesta aiheutuvat päästöt. 12

13 Tulokset: kaukokuljetus Kaukokuljetuksen päästöihin kiintokuutiometrille vaikutti huomattavasti se, kuljetettiinko biomassa irtonaisena vai haketettuna (Kuva 3). Terminaalihaketus- ja käyttöpaikkamurskausketjuissa biomassoja kuljetetaan merkittävästi irtonaisena. Materiaalin käsittely terminaalissa tuo päästöjä ketjuun kauhakuormaajan päästöjen kautta. Terminaalista käyttöpaikalle kuljetusketju oli tehokas, koska hakkeella saadaan suhteellisen korkea hyötykuorma hakeautoon. CO 2 -eq/m 3 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 PIENKOKOPUU 3,37 7,08 7,00 KANNOT Murkaus tienvarressa 3,37 Murkaus terminaalissa 7,13 7,07 HAKKUUTÄHTEET 3,37 7,08 7,00 JÄREÄ LAHOPUU 3,37 3,86 3,31 Kuva 3. Kaukokuljetuksesta aiheutuvat päästöt. 13

14 Tulokset: kokonaispäästöt toimitusketjuissa CO 2 -eq/m 3 Toimitusketjujen kokonaispäästöjä tarkasteltaessa alhaisimmat päästöt olivat järeällä lahopuulla (Kuva 4). Ko. biomassalla saadaan tiiviitä kuormia aikaiseksi niin kuormatraktoriin kuin puutavaraautoon. 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 PIENKOKOPUU 11,16 14,45 14,37 KANNOT Murkaus tienvarressa 11,68 Murkaus terminaalissa 15,09 15,03 HAKKUUTÄHTEET 11,07 14,28 14,20 JÄREÄ LAHOPUU 9,67 9,54 8,99 Kuva 4. Kokonaispäästöt toimitusketjuissa. 14

15 Päästöt suhteessa biomassasta saatavaan energiamäärään Biomassojen väliset erot tasoittuivat, kun päästöjä verrattiin biomassoista saataviin tyypillisiin energiamääriin (Kuva 5). Käyttöhetkellä kantobiomassa on yleensä laadultaan keskimäärin kuivempaa kuin muut materiaalit, mikä alentaa sen päästöjä muihin biomassoihin nähden. PIENKOKOPUU KANNOT Murkaus tienvarressa Murkaus terminaalissa HAKKUUTÄHTEET RANKA/JÄREÄ RUNKOPUU CO 2 -eq kg/mwh ,22 4,16 3,93 5,00 5,10 5,05 Kuva 5. Päästöt suhteessa biomassasta saatavaan energiamäärään. 6,48 6,44 6,59 6,56 6,52 6,48 15

16 Toimitusketjujen energiatehokkuus Tuotos MWh/panos MWh Energiatehokkuus kuvaa sitä, kuinka paljon yhdellä (fossiilisella) panosenergiayksiköllä saadaan tuotettua bioenergian tuotosenergiayksiköitä. Yhdellä panosmegawattitunnilla saadaan 26,2-56,4 tuotosmegawattituntia riippuen biomassasta ja toimitusketjusta. Prosentteina ilmaistuna panoksen suuruus vaihtelee 1,8-3,8 %:n välillä tuotoksesta. PIENKOKOPUU KANNOT Murkaus tienvarressa Murkaus terminaalissa HAKKUUTÄHTEET JÄREÄ LAHOPUU ,17 30,10 30,22 30,73 26,20 26,27 47,29 37,47 37,67 53,08 53,71 56,43 Kuva 6. Toimitusketjujen energiatehokkuus. 16

17 Tulosten tarkastelu Tämä tutkimus otti huomioon eri biomassojen toimitusketjuista korjuun, haketuksen/murskauksen ja kaukokuljetuksen sekä mahdolliset purkamiset ja kuormaamiset terminaalissa sekä hakkurin/murskaimen siirrot tienvarsihaketuksissa. Kaikille biomassoilla laskettiin suorien toimitusketjujen lisäksi vaihtoehdot biomassaterminaalia hyödyntäen tai käyttöpaikkamurskausta käyttäen. Tutkimuksessa vakioitiin keskeiset matkamuuttujat toimitusketjujen vertailtavuuden parantamiseksi. Laskennan perusteiden määrittelyssä hyödynnettiin osin Kariniemen ym. (2009) laskentapohjaa. Sen osalta tuottavuuslukuja päivitettiin vastamaan tämän hetken tyypillisiä tuottavuus- ja kulutusarvoja. Tarkastelussa ei huomioitu raaka-aineen koko hankintatoiminnasta aiheutuvia päästöjä, esimerkiksi operaatiohenkilöiden kulkemisista aiheutuvia päästöjä. Energiatehokkuutta laskettaessa ei huomioitu työkoneiden moottoreiden tai polttotekniikoiden hyötysuhteita. 17

18 Johtopäätökset Päästöjen ja energiatehokkuuden näkökulmasta terminaalit tai käyttöpaikkahaketus/-murskaus eivät osoittautuneet tehokkaiksi menetelmiksi suoriin toimitusketjuihin verrattuna. Terminaaliperustaisista toimitusketjuista on olemassa kuitenkin monia muita toimintaa tehostavia ja rationalisoivia hyötyjä saavutettavissa (Virkkunen ym. 2015). Päästövertailut ovat samansuuntaisia Kariniemen ym. (2009) tulosten kanssa. Tosin Kariniemen tarkastelussa ei ollut mukana järeää lahopuuta, joka on materiaalina lähellä pyöreää ainespuuta ja siten hyvin energiatehokas materiaali toimittaa verrattuna muihin metsäbiomassoihin. Yksittäisten toimitusketjujen päästöjen laskenta on haastavaa ja näin ollen kyseisenlainen tarkastelu tulisi tehdä hankinta-alueen toimitusmäärien ja jakaumien avulla tarkastellen. Hankinta-alueen puunhankinnan simulointi spatiaalisilla aineistoilla olisi myös toimiva tutkimusmenetelmä tarkastella asiaa kokonaisvaltaisemmin, jolloin terminaalitoimintojen muiden hyötyjen arvottaminen mahdollistuisi. 18

19 Kirjallisuus Alakangas, E., Hurskainen, M., Laatikainen-Luntama, J. & Korhonen, J Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. VTT Technology Kariniemi, A., Kärhä, K., Heikka, T. & Niininen, M Feedstock Supply Chain CO2-eq Emissions A Case Study on Forest Biomass to Liquid Traffic Fuel. Metsätehon tuloskalvosarja 7/ s. Luonnonvarakeskus Suomen virallinen tilasto (SVT): Puun energiakäyttö [verkkojulkaisu]. Helsinki. Strandström, M Metsähakkeen tuotantoketjut Suomessa vuonna Metsätehon tuloskalvosarja x/2017. (Julkaistaan myöhemmin ja päivitetään tähän sen mukaisesti.) Virkkunen, M., Kari, M., Hankalin, V. & Nummelin, J Solid biomass fuel terminal concepts and a cost analysis of a satellite terminal concept. VTT Technology 211. Espoo: VTT Technical research centre of Finland. 70 s. 19

20 BEST kiitokset Tämä työ tehtiin osana Sustainable Bioenergy Solutions for Tomorrow (BEST) tutkimushanketta, jota koordinoi CLIC Innovation ja rahoitti Tekes. 20