Mitä tutkimustietoa on puun ilmastovaikutuksista suhteessa muihin rakennusmateriaaleihin? Rakennusmateriaalien ympäristökilpailukyky pärjääkö puu? Metsäalan tulevaisuusseminaari, hotelli Arthurin juhlasali 17.2.2010 Kim Pingoud, Ilmastotiimi, VTT
2 Sisältö Taustaa: ilmastonmuutos ja sen hillinnän aikajänne Miten arvioida puun ilmastovaikutuksia? Puutuotteet suhteessa kilpaileviin rakennusmateriaaleihin Puutuotteiden hiilivaraston kasvu nykyisin Yhteenveto
3 Taustaa: ilmastonmuutos ja sen hillinnän aikajänne
4 Ilmastonmuutos: kasvihuonekaasujen pitoisuuksien kasvu CO2 grew from 280 ppm in 1750 to 379 ppm in 2005 Methane grew from 715 ppb in 1750 to 1774 ppb 2005 N20 grew from 270 ppb in 1750 to 319 ppb in 2005 IPCC 2007
5 Ilmastonmuutos: säteilypakote IPCC 2007
6 Ilmastonmuutos: säteilypakotteen kasvu ja sen rajoittaminen Vuonna 2007 pitkäikäisten kasvihuonekaasujen säteilypakote oli 2,7 W/m 2 mikä vastaa 460 ppmco 2 eq (NOAA 2008). CO 2 -pitoisuus oli 382 ppm vuonna 2007 ja kasvaa noin 2 ppm/vuosi. Säteilypakote 2,6 W/m 2 (450 ppmco 2 eq) vastaa 2 o C-asteen lämpötilarajoitetta (paras estimaatti ilmaston herkkyydelle (IPCC 2007)). Suomi ja muut EU-maat ovat sitoutuneet tähän tavoitteeseen. Lämpenemistä hidastavat ihmisen toiminnasta ilmakehään tulevat hiukkaset. Hiukkaspäästöjä on vähennettävä niiden vakavien terveysvaikutusten takia. Lämpenemisellä on suuri inertia valtamerien lämpökapasiteetin takia.
7 Ilmastonmuutos: vaihtoehtoisia päästönrajoitusskenaarioita If the concentration target is 1000 ppm (about 6 o C), the emission reductions can take place slowly in 300 years. If the concentration target is 450 ppm (about 2 o C), the emission reductions should take place in 50years.
8 Ilmastonmuutos: päästöjen vähentämisen aikajänne Jotta EU:n 2 o C-rajoitteen tuntumassa pysytään, maailman CO 2 - päästöjä tulee rajoittaa hyvin voimakkaasti: 50-85 % vuoden 2000 tasosta noin 50 vuodessa, mikä merkitsee vieläkin tiukempia tavoitteita teollisuusmaissa. Pelkästään ruuantuotannosta syntyy 20-30% globaaleista päästöistä. Myös näitä päästöjä on rajoitettava tavoitteen saavuttamiseksi. Ilman hiilinieluja ja mahdollista hiilen talteenottoa ja varastointia (CCS) bioenergiasta tavoitteen saavuttaminen näyttää olevan mahdotonta. 3 o C tavoite vastaisi pitoisuustasoa 550 ppm CO 2 ekv, jolloin aikaa olisi noin 50 vuotta enemmän. Aikajänteen pituus on kytköksissä siihen, mille tasolle lämpötilan sallitaan nousta. EU:n 2 o C -rajoitteen mukaista on käyttää lyhyttä aikajännettä, jopa lyhempää kuin 100 vuotta.
9 Ilmastonmuutos: toteutuneet fossiilisen energiantuotannon CO 2 -päästöt ja kehitysvaihtoehdot Emission reduction scenarios for limiting the emission by 50% and by 85% corresponding the overlimit emissions and underlimit emission for temperature rise level of 2 C.
10 Puun käyttö ilmastonmuutoksen hillinnässä
11 Puun käyttö ilmastonmuutoksen hillinnässä? Onko puun hyödyntäminen materiaaleina/energiana tehokasta ilmastopolitiikkaa? Mitä päästönvähennysten aikajänne vaikuttaa puun asemaan? Ilmastonmuutoksen hillinnässä olennaista puutuotteiden käytöllä saatava nettomääräinen ilmastohyöty ajan funktiona eli hyödyt suhteessa referenssijärjestelmään (esim. fossiilliset polttoaineet, betonirakenteet jne.) Standardimetodologia, jolla verrataan biomassan käyttöä kilpaileviin vaihtoehtoihin.
12 Puun käyttö ilmastonmuutoksen hillinnässä: standardimetodologia IEA Bioenergy Task 38: "Greenhouse gas balances of biomass and bioenergy systems" Metodologiaa suhteellisten päästönvähennysten arviointiin kehitetty kansainvälisessä yhteistyössä 1990-luvun puolivälistä lähtien Kasvihuonekaasutaseen riippuvuus aikajänteestä otetaan myös huomioon http://www.ieabioenergy-task38.org/
13 Geneerinen esimerkki: vanhan metsän uudistaminen ja puun käyttö materiaaleina/energiana Kumulatiivinen hiilitase Hiilen varastointi 0 Hiilen päästö Kokonaishiilitase sisältäen vältetyt foss. hiilipäästöt Managed forest Biomassan hiilitase 0 80 160 Hiilen takaisinmaksuaika Aika (v) Suuri hiilen alkuvarasto/ha, biomassan hidas uusiutuminen, pitkä kiertoaika Alussa isot päästöt, eivät täysin kompensoidu substituutiovaikutuksella (=vältetyillä päästöillä, kun puu korvaa esim. betonia tai foss.polttoainetta) ja puutuotteisiin sitoutuneella hiilellä Joskus kompensaatioaika voi olla pitempi kuin metsien taloudellinen kiertoaika
14 Puun käyttö ilmastonmuutoksen hillinnässä: biomassan käytön tehokkuuden indikaattoreita Prosentuaalinen päästönvähennys suhteessa referenssiin [%], esim. EU:n RES-direktiivi Parempia indikaattoreita, jotka kuvaavat biomassan käyttöketjun tehokkuutta khk-taseen kannalta: Fossil carbon displacement factor = Fossiilisten kasvihuonekaasupäästöjen vähennykset/ kulutettu biomassa [t C eq / t C biomass ] Pitkäkestoiseen puutuotteeseen sitoutuva biogeeninen hiilivarasto
15 Puun käyttö ilmastonmuutoksen hillinnässä: biomassan käytön tehokkuuden indikaattoreita Päästönvähennysten aikajännettä kuvaavia indikaattoreita Carbon payback time : kauanko kestää ennen kuin biomassan käyttö alkaa vähentää kumulatiivisia päästöjä suhteessa referenssisysteemiin (useissa tapauksissa bioenergia aluksi lisää päästöjä) Kumulatiivinen säteilypakote suhteessa referenssiin Indikaattori maan tuottavuudelle: Biomassan tuotto /ha vuodessa [ t C biomass /ha/yr ]
16 Miksi puuta kannattaa käyttää erityisesti rakennusmateriaalina? Periaatteessa suuremmat kasvihuonekaasuhyödyt kulutettua puumäärää kohti kuin pelkässä energiakäytössä: 1) Kun puuta käytetään korvaamaan energia- ja päästöintensiivisempiä materiaaleja (esim. teräs ja betoni), vältetään näiden tuotannossa syntyviä päästöjä 2) Puumateriaali toimii tilapäisenä biogeenisen hiilen varastona 3) Elinkaarensa lopuksi puu voidaan vielä kierrättää bioenergiaksi Tämän seurauksena useimmiten lyhyempi C payback time, vrt. kalvo 13 Lisäksi huomattava, että rakennusmateriaalien valmistuksen suhteellinen merkitys rakennuskannan elinkaaren aikaisissa kasvihuonekaasupäästöissä kasvaa, kun rakennusten energiatehokkuus kasvaa
17 Numeerisia arvioita puisten rakennusmateriaalien ilmastohyödyistä ( displacement factors ) Referenssi: Sathre, R. and J. O Connor. 2008. A Synthesis of Research on Wood Products and Greenhouse Gas Impacts. Vancouver, B.C. FPInnovations Forintek Division. 74 p. (Technical report TR-19). Kirjallisuuskatsaus 48 tutkimuksesta, joissa puuta verrattu muihin rakennusmateriaaleihin. Meta-analyysi 20 tutkimuksesta, joiden tulosten perusteella oli mahdollista laskea estimaatit ja vaihteluvälit korvauskertoimille (=displacement factors). Tulokset laskettu fossiilisille päästönvähennykselle suhteessa lopputuotteen sisältämään puuperäiseen hiileen. RESULTS: The factors ranged from -0.55 to 15, but the averages of the estimates were as follows: Low 0.7, Middle 2.0, High 4.4
18 Numeerisia arvioita puisten rakennusmateriaalien ilmastohyödyistä ( displacement factors ) Korvauskertoimia ( displacement factors ) laskettuna pyöreälle puulle (Pingoud et al. 2006) 1. Displacement factor Saw logs used for the Swedish wood-frame building*** 1.5**- 2.1* Saw logs used for the Finnish wood-frame building*** (with timber facing) 0.9**- 1.3* Energy wood for CHP 0.5-0.9 *Marginal fuel = Coal, **Marginal fuel = Natural gas ***The displacement factors describe the GHG emission reductions with respect to a functionally equivalent concrete building 1 Pingoud, K., Pohjola, J., Valsta, L., ja Karttunen, K. 2006: Tapaustarkastelu: Metsien ja puutuotteiden yhdistetty vaikutus. Luku 4 julkaisussa Valsta, L., Ahtikoski, A., Horne, P., Karttunen, K., Kokko, K., Melkas, E., Mononen, J., Pingoud, K., Pohjola, J., Uusivuori, J. 2006: Puu ilmastonmuutoksen hillitsijänä. Helsingin Yliopisto, Metsäekonomian laitos, Tutkimusraportteja 39. http://honeybee.helsinki.fi/%7evalsta/carbon/hiililoppuraportti-final.pdf
19 Reference: Häkkinen, Tarja & Wirtanen, Leif. Metlan Joensuun tutkimuskeskuksen ympäristö- ja elinkaarinäkökohtien arviointi [Environmental and life cycle assessment of the Finnish Forest Research Institute s (Metla) research centre in Joensuu]. Espoo 2006. VTT Tiedotteita Research Notes 2342. 29 p.
20
21 Estimate of displacement factor (Pingoud): 0.5 t fossil C/ t biogenic C in end product (if bioenergy use of demolished building were included, the factor could be of the order of 1.0-1.4)
22 Puutuotteiden hiilivarasto
23 Finland Arvio Suomessa käytössä olevien puutuotteiden hiilivaraston kasvusta Fitting the (modified) 2006 IPCC HWP model to the sequential inventory results of solid wood products (1995, 2000, 2005) + model estimate of paper products: Stock change approach: 1) C stock changes Finland Stock change approach: 2) C stocks TgC/yr 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0-0.1-0.2 1990 1995 2000 2005 2010 Tg C 25 20 HWP 15 in use HWP 10 in SWDS Total 5 stock change 0 1990 1995 2000 2005 2010 HWP in use HWP in SWDS Total stock According to this estimate, the average annual increase (1990-2006) of HWP carbon stock in Finland is 230 Gg C = 830 Gg CO 2, which is only about 1.2 % of the total GHG emissions in Finland (circa 70 000 Gg CO 2 eq. in 2005)
24 Arvioita puutuotteiden globaalista hiilivarastosta ja sen kasvusta Reference Stock change (Tg C/yr) Stock (Tg C) IPCC 1996 26 4 200 Sampson et al. 1993 10 000 Matthews et al. 1996 15-25 000 Winjum 139 Pingoud et al. 2003 40* 3 300* IPCC 2000 300** * Solid waste disposal sites excluded ** Estimated global sequestration potential Reference: Pingoud, K., Perälä, A.-L., Soimakallio, S., Pussinen, A., 2003: Greenhouse gas impacts of harvested wood products. Evaluation and development of methods. VTT Research Notes 2189, 138 p. http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2003/t2189.pdf
25 Arvioita puutuotteiden globaalista hiilivarastosta ja sen kasvusta Estimated global C sequestration in HWP (range: 100-500 Tg CO 2 /yr) Global GHG emissions about 50 000 Tg CO 2 eq /yr in 2004 (IPCC 2007) 1 C sequestration into HWP only 0.2-1 % of global GHG emissions 1 IPCC, 2007: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2007: Mitigation. Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [B. Metz, O.R. Davidson, P.R. Bosch, R. Dave, L.A. Meyer (eds)], Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
26 Yhteenveto
27 Puu rakennusmateriaalina, ilmasto- ja muut tekijät Tieteellisen kirjallisuuden perusteella puun käytöllä rakennusmateriaalina näyttäisi olevan kiistattomia ilmastohyötyjä suhteessa muihin rakennusmateriaaleihin ja suhteessa muihin puun käyttökohteisiin. Materiaalien suhteellinen merkitys kasvaa, mitä energiatehokkaampia rakennukset ovat. Tulosten hajonta on kuitenkin suuri ja kokonaispotentiaali ilmastonmuutoksen hillinnässä arvioimatta; puurakenteet eroavat myös suuresti toisistaan. Muistettava, että suhteelliset päästönvähennykset eivät riitä: tarvitaan absoluuttisia päästönvähennyksiä globaalisti. Puun kilpailukyvyn kannalta myös monet muut tekijät tärkeitä: rakenteiden kestävyys ja ylläpitokustannukset. Kirjallisuudessa keskitytty tarkastelemaan pääosin uudisrakentamista; puun mahdollisuudet korjausrakentamisessa päästöintensiivisempien materiaalien korvaajana tärkeä kysymys.
28 Lisäkalvot Puuainesvirtoja
29 What could be the mitigation potentials by wood? (cont.) Apparent sawn softwood consumption in Finland = 1 m 3 /cap/yr*. Average consumption in Europe = 0.2 m 3 /cap/yr* or 90 Mm 3 /yr*, which is approximately 20 Mt C/yr. Doubling the consumption to 0.4 m 3 /cap/yr and assuming a displacement factor = 2 would lead to emission reduction of 40 Mt C/yr or 150 Mt CO 2 /yr, which is about 0.3% of global emissions. However, this would require an increasing supply of saw logs of the order 180 Mm 3 /yr, which would decrease the forest C sink in Europe by??? * Reference: FAO, UNECE, Forest products statistics 2002-2006 (ECE/TIM/BULL/62 116 p.
30 What could be the mitigation potentials by wood? (cont.) Global consumption of semi-final solid wood products (= sawnwood + wood based panels) approximately 150 Mt C/yr Without this consumption global emissions could be roughly 300 Mt C/yr or 1100 Mt/CO 2 /yr higher which is 2% about global emissions (but then also the sink into global forests would be higher ) World Consumption of HWP 180 160 140 y = 1.3374x - 2528.4 Solid wood pr Paper pr Tg C /yr 120 100 80 60 y = 5E-28e 0.034x Expon. (Paper pr) Linear (Solid wood pr) 40 20 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2006 IPCC GL Fodwood model
31 What could be the mitigation potentials by wood? (cont.) For comparison: global (bioegenic) C fluxes of wood products Table 1*. Global production of HWP in 2000 according to FAOSTAT 2002. The associated C fluxes have been estimated by assuming approximately that the dry weight of coniferous wood would be 0.4 t/m 3 and non-coniferous 0.5 t/m 3 and that the carbon fraction in biomass is 0.5. =2600 Mt CO2 *Reference: Pingoud, K., Perälä, A.-L., Soimakallio, S., Pussinen, A., 2003: Greenhouse gas impacts of harvested wood products. Evaluation and development of methods. VTT Research Notes 2189, 138 p. http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2003/t2189.pdf