KARELIA-AMMATTIKORKEAKOULU Biotalouden keskus Hajautetut biojalostamot -hanke

KARELIA-AMMATTIKORKEAKOULU Biotalouden keskus Hajautetut biojalostamot -hanke Esa Etelätalo ERILAATUISTEN HAKKEIDEN KÄYTTÖKOHDEVAATIMUKSISTA JA TUOTANTOKUSTANNUKSISTA Raportti Kesäkuu 2013

Sisällysluettelo 1 Johdanto... 4 2 Hakeyrittäminen... 6 3 Haketus... 7 3.1 Laikkahakkuri... 7 3.2 Kartioruuvihakkuri... 8 3.3 Rumpuhakkuri... 9 3.4 Yhteenveto haketuksesta ja hakkurimalleista... 11 4 Hakkeen laatu ja siihen vaikuttavat tekijät... 13 4.1 Hakkeen laatuun vaikuttaminen tuotantoketjussa... 15 4.1.1 Lähikuljetus ja varastointi... 15 4.1.2 Kuorettoman hakkeen teko ja energiapuun kuoriutuminen hakkuussa... 18 4.1.3 Hakkeen kosteus... 20 4.2 Vesi hakkeessa ja hakkeen lämpöarvo... 21 4.2.1 Veden sitoutumistavat puuhun ja puun kuivaus... 23 4.3 Hakkeen kuivaus... 27 4.3.1 Hakkeen kylmäkuivaus... 27 4.3.2 Eräitä hakkeen kylmäkuivaukseen annettuja ohjeita ja energiankulutusohjelukuja eri lähteistä... 31 4.3.3 Hakkeen lämminilmakuivaus, kooste eri menetelmistä... 32 4.3.4 Laskelmia hakkeen kuivauksesta pelletin valmistukseen tai pien-chp laitoksen käyttöä varten... 33 5 Pien-CHP-laitosten teknologia ja kokoluokat... 36 5.1 CHP- laitosten kokoluokat... 37 5.2 Pien- ja mikro-chp teknologia ja ominaisuuksia... 39 5.4 Pien- ja mikro-chp- laitoksen puuraaka-aineen laatuvaatimukset... 43 5.5 Kysely hakkeen laatuvaatimuksista suomalaisille pien-chp-laitosten ja valmistajille... 44 5.5.1 Hakkeen palakoko polttomoottoritekniikan CHP-laitoksessa... 45 5.5.2 Hakkeen kosteus... 45 5.5.3 Muut laatuun vaikuttavat tekijät... 46 5.5.4 Muiden teknologioiden polttoaineen laatuvaatimukset... 46 5.6 Päätelmiä mikro-chp-laitoksen hakkeen laatuvaatimuksista... 47 6 Laikkahakkurin ja kartioruuvihakkurin tuottavuustutkimus... 48 6.1. Hakkureiden tuotokset... 49 6.2 Hakkeen laatu... 50 6.2.1 Laikkahakkurilla tuotettu hake... 50 6.2.2 Kartiruuvihakkurilla tuotettu hake... 51 6.3 Eri hakkurimallien kustannukset... 52 6.4 Johtopäätökset hakkuritutkimuksesta... 53 7 Kustannustekijöiden vaikutukset bioenergian tuotannon... 54 7.1 Tuloksia... 55 8 Kaatotuoreen ja varastokuivan hakkeen tuotantoketjut... 56 8.1 Kaatotuoreen ja varastokuivan hakkeen tuotantoketjujen käyttöpaikkahinnat eri hakkureilla tuotettuna.... 59 9 Energiapuun kuoriminen ja sen kustannukset... 61 10 Hakkeen kuivauksen kustannukset... 62 10.1 Eri kuivausmenetelmien kustannukset... 63

11. Hakkeen käyttöpaikkahinnat eri tuotantoketjuilla... 66 12. Päätelmiä... 72 Lähteet... 74

4 1 Johdanto Hajautetut biojalostamot hankekokonaisuuden tavoitteena on luoda merkittävää uutta osaamista metsäbiomassan mahdollisuuksista kehittyneissä polttoaineissa ja uusissa tuotteissa ja materiaaleissa. Hanke toteutetaan erilaisina osahankkeina Itä-Suomen Yliopistossa ja Karelia ammattikorkeakoulussa. Hajautetut biojalostamot -hankkeessa Itä-Suomen Yliopisto selvitetään pien- CHP:n mahdollisuuksia itäsuomalaisessa toimintaympäristössä sekä termisten jalostusprosessien (terminen kaasutus, torrefiointi ja biohiili) merkitystä tulevaisuuden energiahuollossa Itä-Suomen kannalta ja uusien tuotteiden etsimisessä. Karelia (Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu vuoden 2012 loppuun) ammattikorkeakoulun vetämässä osuudessa perehdytään raaka-aineen tuotanto- ja laatukysymyksiin hankkeen prosessien näkökulmasta sekä uusien jalostusprosessien liiketoimintamalleihin. Tässä selvityksessä paneudutaan hakkeen laatuvaatimuksiin ja erilaatuisten hakkeiden tuotantokustannuksiin ja käyttöpaikkahintaan. Erityisesti pyritään selvittämään mikro-chp- laitoksen raaka-aineen laatuvaatimuksia ja vastaavan laatuisen raaka-aineen käyttöpaikkahintaa. Samalla pyritään löytämään kustannustehokkaita tuotantovaihtoehtoja laatuhakkeen tuotantoon. Jatkossa selvitetään vaihtoehtoisia CHP-tuotantoliikemalleja ja niiden kannattavuutta. Metsähake määritellään hakkeeksi, joka on haketettu rangasta, kokopuusta tai hakkuutähteistä. Metsähakkeen erilaiset käyttökohteet vaativat erilaatuista haketta. Nykyisin vielä useimmiten metsähaketta tuotetaan erilaisiin lämmöntuotantolaitoksiin, missä hake poltetaan lämmöksi. Tulevaisuudessa hakkeen käyttö muuhun kuin puhtaaseen lämmöntuotantoon lisääntyy, joka asettaa hakelaadulle uusia vaatimuksia. Puun jalostamista bioöljyksi ja muiksi tuotteiksi tutkitaan ja ensimmäisiä tuotantolaitoksia jo rakennetaan. Tuotettaessa metsähaketta polttokäyttöön hakkeen laatuvaatimukset vaihtelevat. Polttokäyttöön tuotettavan metsähakkeen laatuvaatimuksia voidaan kuvata lähinnä hakkeen palakoolla, kosteudella, irtotiheydellä ja tehollisella lämpöarvol-

5 la. (Kokkonen & Lappalainen 2005) Isoon teollisen kokoluokan polttolaitokseen menevän hakkeen laatuvaatimukset eroavat huomattavasti esimerkiksi pien- CHP-laitoksessa käytettävän hakkeen laatuvaatimuksista. Hakeyrittäjälle on tärkeää tietää hakkeen käyttökohteen laatuvaatimukset, jotta hän voi toimittaa käyttökohteeseen parhaiten sopivaa raaka-ainetta. Yleensä korkeampilaatuisen hakkeen tuottaminen lisää hakkeen tuotantokustannuksia. Mikäli hakeyrittäjä ei saa näistä korkeammista tuotantokustannuksista korvausta korkeampana käyttöpaikkahintana, on hakeyrittäjän toiminta tappiollista. Laadukkaampi ja enemmän työpanosta vaativampi hake pitäisi pystyä toimittamaan laadukkaamman hakkeen tarvitsijalle, joka myös voisi maksaa siitä parempaa käyttöpaikkahintaa. Hakkeen laatuvaatimusten kiristyessä, se myös vaikuttaa hakkeen tuotantoketjun eri vaiheisiin. Laatuvaatimukset voivat vaikuttaa jo mm. perusraaka-aineen valintaan. Hakkuutähdehake ei sovellu pienimpien lämpölaitosten raakaaineeksi. Pienemmät lämpölaitokset vaativat raaka-aineeksi kokopuu- tai jopa rankahaketta, jotta laitos toimisi ilman turhia keskeytyksiä ja mahdollisimman vähillä vikailmoituksilla. Joissain hakkeen käyttökohteissa hakkeen täytyy olla jopa kuoritusta puutavarasta (esim. tehtäessä hakkeesta pellettiä) ja joissain kohteissa palakokojakauman täytyy olla tietynlainen. Jo hankintaketjun alkupäässä pitäisi tietää, minkälaiseen kohteeseen ko. raaka-ainesta tehty hake soveltuu ja mihin käyttöön haketta tehdään. Lisäksi pitää tietää, mitä tekijöitä hakkeen hankintaketjussa tulee huomioida, jotta raaka-aineesta voidaan tuottaa riittävän laadukasta haketta ja mitkä ovat eri laatuisten hakkeiden tuotantokustannukset ja käyttöpaikkahinta. Tässä hakelaatuselvityksessä on koostettu osittain kirjallisuudesta, pienimuotoisen hakelaatukyselyn ja hakkuritutkimuksen avulla saatuja tuotoslukuja apuna käyttäen eri hakelaatujen tuotantoketjujen kustannuksia tietyillä rajaehdoilla. Selvitettävänä oli mäntyhakkeen käyttöpaikkahinta, kun raaka-aineena oli kuorellinen tai kuoreton ranka, hakkeen luonnonkuivauksen ja keinollisen kuivauksen kustannuserot ja vaikutus käyttöpaikkahintaan, pien-chp-laitoksen raakaainevaatimukset ja käyttöpaikkahinnat sekä eri hakkurityyppien käytön vaikutus hakkeen laatuun ja käyttöpaikkahintaan. Selvityksen tarkoituksena on antaa

6 hakeyrittäjälle tietoa erilaatuisten hakelaatujen tuotantokustannuksista ja sitä kautta helpottaa liiketoimintamallin kehittämistä. 2 Hakeyrittäminen Hakeyrittäjät yleensä toimivat joko yhden kunnan tai korkeintaan maakunnan alueella ja pääasiakkaana on joku isohko polttolaitos. Tämän lisäksi saattaa olla jotain pienempiä yksittäisiä asiakkaita. Toimintamalli ja asiakaskunta ovat vakiintunutta ja käyttöpaikkojen hakkeelle asettamat laatuvaatimukset ovat selvillä eikä toimintamallin kannattavuuden laskelmiin ole tarvetta. Kun hakkeen energiakäytön ja muu käyttö lisääntyvät ja käyttökohteet sitä myötä, tulee toimintaalueelle uusia hakkeen käyttökohteita, joiden hakelaatuvaatimukset poikkeavat aiemmista vaatimuksista. Silloin hakeyrittäjä joutuu miettimään omaa toimintamalliaan ja sen kannattavuutta uudessa tilanteessa. Uusien asiakkaiden vaatimien uusien toimintamallien ja -tapojen kannattavuuden arvioinnissa tarvitaan selkeät tiedot mm. uuden käyttökohteen vaatiman hakkeen laatuvaatimuksista. Tässä auttaa hakkeelle luotu eurooppalainen standardi, jolla hakkeen tuottaja voi ilmoittaa tuottamansa hakkeen laadun. Tämä helpottaa hakkeen kauppaa esimerkiksi, jos hakeyrittäjä myy haketerminaalista useamman laatuista haketta. Kun hakkeen ostaja tietää käyttökohteensa hakkeen laatuvaatimuksen ja standardinmukaisen laatuluokan, hän voi tilata hakeyrittäjältä suoraan laatuluokan haketta, jolla hänen tuotantolaitoksensa toimii. Eri laatuisilla hakkeilla on eri hinnat ja erilaatuisten hakkeiden hinnoittelussa hakeyrittäjä joutuu laskemaan kullekin hakelaadulle omat tuotantokustannukset. (Alakangas, 2010)

7 3 Haketus Tavallisimmat tällä hetkellä käytössä olevat hakkurityypit ovat laikkahakkuri, rumpuhakkuri ja kartioruuvihakkuri. Suurtehotuotannossa yleisin hakkurityyppi on rumpuhakkuri, joka on myös lähes kaikkiruokainen haketettavan raakaaineen suhteen. Pienemmän tuotannon hakkureista laikkahakkuri on yleisempi kuin kartioruuvihakkuri. Näistä pienemmistä hakkurimalleista löytyy sekä traktorikäyttöisiä maatilakokoluokan hakkureita että isompia malleja. Eri hakkurityypit eroavat toisistaan teholtaan, tekniikaltaan ja hakkurilla saatavan hakkeen laadun suhteen. 3.1 Laikkahakkuri Pienen kokoluokan hakkureista laikkahakkuri on yleisin. Laikkahakkuri tekee tasalaatuista haketta, mutta se tarvitsee myös tasalaatuisen raaka-aineen. Sopivia raaka-aineita ovat karsittu ranka, kokopuu tai sahapinnat. Laikkahakkureissa on raskas vauhtipyörä, jossa on säteen suuntaisesti kahdesta kuuteen terää. Pienissä hakkureissa terät vetävät puuerää hakkurin sisään, jolloin ei tarvita erillistä syöttölaitetta. Isommissa laikkahakkureissa käytetään hydraulisia syöttö- ja painorullia. Hakkeen palakokoa voi muuttaa säätämällä terien etäisyyttä vastateristä. Laikkahakkurin terärakenne vaurioituu herkemmin kuin rumpuhakkurin terä. Tästä syystä se ei sovellu latvusmassan haketukseen ja on erityisen herkkä varaston epäpuhtauksille. (Metsäkeskukset 2010, 27)

8 Kuva 1,2 ja 3. Laikkahakkuri, hakkurin toimintaperiaate ja haketta. (Kuvat: Tanja Lepistö. Piirroksen lähde Knuutila 2003) 3.2 Kartioruuvihakkuri Kartioruuvihakkuri on perustekniikaltaan yksinkertainen, sillä haketuksen hoitaa vauhtipyörään kiinnitetty ruuvi, joka pyöriessään hakettaa puun ja samalla vetää puuta sisäänpäin. Ruuvihakkurin suuri ja raskas vauhtipyörä tasaa moottoriin kohdistuvaa rasitusta. Yksinkertaisen toimintaperiaatteen ansiosta hakkurin on toimintavarma ja ainoa huoltoa vaativa osa on teroitusta vaativa kartioterä. Tuottavuutta voidaan parantaa erilaisilla syöttövälineillä kuten syöttörullilla. Kartioruuvihakkuri soveltuu kuitenkin hyvin vain karsitun rangan ja sahauspintojen hakettamiseen, eikä sovellu näin ollen yleishakkuriksi. (Knuutila 2003) Kartioruuvihakkurin hakkeen laatu on palakooltaan tasalaatuista. Kartioruuvihakkurin terän (ruuvi) teroituksen on sanottu olevan muita hakkurimalleja hankalampi.

9 Kuva 4 & 5. Kartioruuvihakkuri ja hakkurin toimintaperiaate. (Kuvat: Hakkuri kuva: Laitilan Metalli Laine Oy, Piirroksen lähde Knuuttila, 2003) 3.3 Rumpuhakkuri Rumpuhakkuri on laikkahakkuria kaikkiruokaisempi. Laikkahakkurin raakaainevalikoiman lisäksi rumpuhakkurit soveltuvat latvusmassan, suurtehorumpuhakkurit jopa risutukkien haketukseen. Rumpuhakkurin terärakenne kestää epäpuhtauksia hieman paremmin kuin muut hakkurityypit. Rumpuhakkurissa on lieriömäinen rumpu, jonka ulkokehällä on mallista riippuen 2-20 terää. Rumpuhakkureissa puun syöttö tapahtuu joko ketjukuljettimella tai telamatolla. Kunnollinen syöttöpöytä mahdollistaa puuaineen tasaisen syötön terille. Rumpuhakkureissa voidaan käyttää erikokoisia seuloja, joiden avulla saadaan halutun ko-

10 koista haketta. Seulat ohjaavat liian isoksi jääneen hakkeen takaisin rummulle. Rumpuhakkurin heikkoutena ovat pitkät tikkumaiset hakepalat, joista voi aiheutua ongelmia lämpölaitoksella hakkeen kuljettimilla. Tiheän seulan käyttö parantaa hakkeen laadun tasaisuutta. (Metsäkeskukset 2010, 29) Laitilan ja Väätäisen 2011 (2/2011 s. 118) rumpuhakkuritutkimuksessa haketettaessa sekä kokopuuta että rankapuuta kokopuusta saadun hakkeen hienoaineksen osuus (alle 8 mm) oli noin 13 % ja vastaavasti rankapuuta haketettaessa hienoainesosuus noin 5 % hakkeen tilavuudesta. Rankahakkeessa isojen palojen osuus oli suurempi kuin kokopuuhakkeessa; 63 mm rankahake 5 % / kokopuuhake 1,5 % ja 100 mm 2 % / 0 %. Muuten kokopuuhakkeen ja rankahakkeen palakokojakaumilla ei ollut merkittävää eroa. Rumpuhakkurilla haketettaessa käytetty seulakoko ei selvinnyt tutkimuksesta. Rumpuhakkurin toimintaperiaate selviää kuvasta 4. Kuva 6. Rumpuhakkurin toimintaperiaate (Knuuttila, 2003).

11 3.4 Yhteenveto haketuksesta ja hakkurimalleista Taulukossa 1 on koostettuna eri hakkurityypeille parhaiten soveltuva raakaaine, tuntituotokset ja eri hakkurityyppien ominaispiirre. Raaka-aineen osalta hakkuutähde soveltuu haketettavaksi lähinnä rumpuhakkurilla eikä sovellu laikkahakkurille tai kartioruuvihakkurille. Haketettava raaka-aine Tuntituotos m 3 (i-m 3 ) Taulukko 1. Kooste hakkureista ja murskaimista (suluissa määrät irtokuutiometreinä) (Kuitto, 2005) Kartioruuvihakkuri Laikkahakkuri Rumpuhakkuri Murskain Sahauspinnat, 1) ja lisäksi kokopuu karsittu ranka 1) 2) 30-50 (75-125) Pienet: 2-8 (5-20) suurtehohakkurit: 40-80 (100-200) Ominaista Toimintavarmuus Tasalaatuinen tulos 2) ja lisäksi latvusmassa, isoissa hakkureissa risutukit >60 m 3 (>150 m 3 ) Laaja puuraakaainevalikoima, hake käy seuloja vaihtamalla erikokoisiin laitoksiin Kaikki käytettävissä oleva puuaines Mobiilimurskaimet: 100 (250) Kiinteät murskaimet: 200 (500) Laaja raaka-aine valikoima. Laatu ja tuottavuus hyvät suurten laitosten tarpeisiin Hakkurien tuotokset vaihtelevat suuresti eri hakkurityyppien välillä ja samantyyppistenkin kesken. Itse haketuksessa tuottavuuteen voivat vaikuttaa moni asia. Esimerkiksi tavaran syöttö kuljettimelle (kuormain tai miestyö), syöttölaite, puun leikkautuminen (tylsät terät, tehon puute), haketaskujen täyttyminen ja valmiin tuotteen kuljetin vaikuttavat tuotokseen (Rinne 2010, 34). Erityisesti terien tylsyminen, vaikuttaa niin hakkeen laatuun kuin tuntituotokseen. Kuiton (2005) tutkimusten mukaan myös vuodenaika ja puulaji vaikuttavat haketuksen tuottavuuteen (Taulukko 2). Tuoreena ja talvella puulajeista mänty on helpoin hakettaa. Talvella ylivuotisen puun haketus vie männyllä ja kuusella enemmän aikaa kuin tuoreen puun haketus. Koivulla asia oli taas päinvastoin. Sulan puun haketuksessa (syksy) männyllä ylivuotisen haketus vei vähiten aikaa, mutta koivulla tuoreella ja ylivuotisella puulla ei ollut merkittävää eroa.

12 Taulukko 2. Pienpuun haketuksen suhteellisia ajanmenekkejä (Kuitto 1986, 9). Talvi Syksy Mänty, tuore 100 104 Mänty, ylivuotinen 125 95 Kuusi, tuore 116 100 Kuusi, ylivuotinen 154 Koivu, tuore 149 103 Koivu, ylivuotinen 128 102 Haketuksen tuottavuus riippuu kaluston teknisen suorituskyvyn lisäksi puulajista ja -laadusta, kuljettajan taidosta, motivaatiosta ja vireystilasta, varastokasojen koosta ja laadusta, kivisyydestä, lumen määrästä, kasan jäisyydestä ja maaston pehmeydestä (Kuitto & Rajala 1982). Ikäheimon ja Asikaisen (1998) mukaan autoalustaisella Future-hakkurilla puun lumisuus ja jäisyys haittasivat haketusta 34 prosentilla työmaista. Haketuspaikan ahtaus puolestaan oli haittana 18 prosentilla työmaista ja upottavuus 11 prosentilla. Kärhän ja Fredrikssonin (2008) haastattelemat hakeyrittäjät toivat esille merkittävimpänä ongelmana haketettavan puun mukana tulevat epäpuhtaudet, kuten kivet ja maa-aineksen. Toisaalta tämä koskee pääasiassa päätehakkuualojen oksa- ja latvusmassaa, pienpuussa ongelma on vähäisempi. Myös pienpuuta koskeviksi haketuksen ongelmiksi kyselyssä mainittiin ahtaat haketus- ja kääntöpaikat, huono tiestön kantavuus ja pienet varastokoot. (Rinne 2010, 41) Eri hakkurityyppien kohdalla on myös kokemusperäisesti havaittu, että niiden haketustuloksissa on eroa hakkeen kosteuden osalta. Esim. laikkahakkurissa syöttökuljettimen lyhyys aiheuttaa puissa olevan pakkaslumen karisemisen pääosin maahan ennen hakkuriin joutumista. Toisaalta puumassan pieni viipymä laikkahakkurin sisällä ei sulata mahdollisesti hakkuriin menevää lunta siinä määrin kuin tehokkaissa rumpuhakkureissa, vaan lumipöly erottuu hakkeesta suhteellisen tehokkaasti lietsopuhalluksen jälkeisessä ilmalennossa. Tästä syystä laikkahakkurilla hakatun polttohakkeen kosteus ei lisäänny haketuksen aikana. Em. mekanismi ei kuitenkaan toimi jäisten ja märän lumen kostuttamien puiden haketuksessa. Rumpuhakkurissa syöttöjärjestelmä siirtää useissa tapauksissa hakattavan puumassan mukana tulevaa lunta/ jäätä ja tällöin kostuttaa

13 koko hakemassan. Ns. sulan maan aikaisessa haketuksessa tätä ongelmaa ei luonnollisesti ole. (Niemitalo 2011, 2) 4 Hakkeen laatu ja siihen vaikuttavat tekijät Hakkeen laatu polttoaineena määräytyy sen lämpöarvon mukaan. Hakkeen tärkeimmät lämpöarvoon vaikuttavat tekijät ovat kosteus, kemiallinen koostumus, puuaineen tiheys, tuhkapitoisuus ja neulasosuus (Hillebrand 2009, 4). Lämpöarvon lisäksi hakkeen rakenteella on merkitystä käytettävyyden kannalta. Kosteuden vaikutus on suurin lämpöarvoon vaikuttava tekijä (kuvio 1), joten hakkeen polttokäytössä laatu muodostuu lähinnä kahdesta tekijästä: hakkeen palakoosta ja kosteudesta. Kuvio 1. Hakkuutähdehakkeen tehollisen lämpöarvon riippuvuus kosteudesta (MWh/m 3 tai MJ/kg). (Alakangas 2000, 53) Hakkeen kosteus vaikuttaa suoraan hakkeen lämpöarvoon. Kostea hake aiheuttaa ongelmia niin palotapahtumassa kuin varastoinnissa. Poltettaessa kosteaa haketta veden haihduttaminen kuluttaa lämpöenergiaa 0,7 kwh/kg vettä. Esimerkiksi, jos havupuun kosteus saadaan pudotettua 55 %:sta 40 %:iin, alkuperäi-

14 sestä vesimäärästä häviää puolet pois, ja tehollinen lämpöarvo nousee 8 %. (Hakkila 2004, 68) Hakkeen liika kosteus aiheuttaa myös normaalia enemmän hiukkaspäästöjä, polttoaineen kulutus on suurempi ja lämpölaitoksen hyötysuhde heikkenee. Tämä johtaa taas siihen, että lämpölaitos joudutaan ylimitoittamaan, jotta sillä pystyttään tuottamaan riittävä lämpö kostealla hakkeella ja se lisää investointikustannuksia ja vaikuttaa sitä kautta kannattavuuteen. (Forsström 2011, 15) Hakkeen palakoko ei vaikuta suuresti itse hakkeen polttoon. Hakkeen seassa olevat erikokoiset puunosat (lähinnä hienoaines ja ylisuuret tikut) aiheuttavat varastossa ja kuljettimilla erilaisia häiriöitä. Häiriöt aiheuttavat ylimääräistä työtä ja häiritsevät lämmöntuotantoa. Polttoainekuljettimet voivat mennä tukkoon, jolloin niitä joudutaan puhdistamaan. Polttoainevarastossa saattaa myös esiintyä erilaisia häiriötä polttoaineen liikkumisessa varastolta palopäälle (Autio 2009, 26). Jos haketta taas käytetään esimerkiksi pien-chp-laitoksessa, on hakkeen palakoolla, sen tasalaatuisuudella sekä hienoainesosuudella suuri merkitys prosessin toimivuuteen. Mikro-CHP-laitoksessa hakkeen kosteus on kriittinen tekijä laitoksen toimivuuden kannalta. Nykyisissä laitoksissa hakkeen pitää olla kosteudeltaan vähintään 18 %, mieluummin 15 % tai sen alle ja tuohon hakkeen kosteuteen päästään ainoastaan keinokuivaamalla. Eurooppalaisilla hakestandardeilla (EN 14961-1 JA EN 14961-4) hakkeen laatua määriteltäessä ensin ilmoitetaan hakkeen raaka-aineen alkuperä, jonka lisäksi ns. velvoitettavina ilmoitettavina ominaisuuksina ovat hake-erästä hakkeen palakoko, P (mm), kosteus, M (p-%) ja tuhkapitoisuus (p-% kuivaaineesta). Tämän lisäksi ovat käytössä ns. opastavat ominaisuudet, joita ovat tehollinen lämpöarvo saapumistilassa, Q (MJ/kg) (minimiarvo), tiheys, BD kg/m 3 ja kemiallinen käsittely. (Alakangas 2010)

15 4.1 Hakkeen laatuun vaikuttaminen tuotantoketjussa Hakkeen laatuun voidaan vaikuttaa hyvin paljon tuotantoketjun eri vaiheissa. Metsässä puunkorjuun yhteydessä on erityisen tärkeää pitää puuraaka-aine puhtaana epäpuhtauksista. Tämä edellyttää, että palstalla kourakasat ovat irti maasta. Siten ne myös kesäaikaan suositeltavan 2-4 viikon palstakuivatuksen aikana kuivavat tehokkaammin ja toisaalta lähikuljetuksen yhteydessä ei kourataakkaan tule mukaan humusta, kivennäismaata tai muita epäpuhtauksia. Kesäaikainen palstakuivatus kannattaa tehdä kohteilla, joissa maapohjan kantavuus on riittävän hyvä. Myös karsituilla puilla palstakuivatus toimii hyvin, kun rangan kuori on rikki. (Metsäkeskukset 2010, 17) 4.1.1 Lähikuljetus ja varastointi Energiapuun lähikuljetus on ratkaisevassa roolissa ja siinä voidaan vaikuttaa huomattavasti hakkeen laatuun. Kun kourakuormat pidetään puhtaana, vaikuttaa se haketuksen tuottavuuteen ja hakkeen laatuun. Jos haketettavissa puissa on epäpuhtauksia, jotka tylsyttävät terät nopeasti, vaikuttaa se hakkeen palakokoon ja sitä kautta hakkeen laatuun. Samalla se laskee haketustyön tuottavuutta. Lähikuljetus on avainasemassa myös tehtäessä energiapuulle varastopaikkaa. (Metsäkeskukset 2010, 18) Energiapuun oikealla varastoinnilla voidaan vaikuttaa huomattavasti energiapuusta saatavan hakkeen laatuun. Varastopaikka pitää suunnitella siten, että siellä on tilaa sekä hakkurille että hakeautolle. Samoin varaston paikka täytyy valita siten, että energiapuut kuivuvat varastossa mahdollisimman hyvin. Se edellyttää, että energiapuukasassa on riittävän kantavat aluspuut, jotta ilma kiertää kasan alla. Ennen kasan tekoa pinon pohja raivataan. Tämä sen takia, ettei puuta kasasta hakkuriin syötettäessä revitä kasan pohjalla olevia kasvavia puita juurineen. Usein siinä samalla menee myös kivennäismaata hakkuriin. Varastokasan tulisi olla riittävän korkea ja siihen tehdään 0,5-1 metriä muuta kasaa ulompana ja vähintään puoli metriä paksu lippa (kuva 7). Se suojaa puiden päitä sateelta eikä vesi pääse valumaan runkoja pitkin kasan sisään. Ka-

16 sassa voidaan käyttää myös välipuita, joiden oikea paikka on kasan puolivälin takana. (Metsäkeskukset 2010, 19-21) Kuva 7. Oikean mallinen energiapuukasa, jossa riittävät aluspuu, lippa ja välipuut (Metsäkeskukset 2012, 22). Hillebradtin (2009) mukaan kasan kuivumista edistää vielä se, että varastokasa sijoitetaan siten, että puiden päät ovat etelään päin. Tämän lisäksi kasa tulisi peittää koko leveydeltään. Erityisesti hakkuutähteiden peittämisellä on päästy 10-15 % kuivempaan hakkeeseen kuin peittämättömällä. Kokopuukasassa peittämisellä saatava etu on suurin, jos sillä pystytään estämään lumen sulamisvesien pääsy kasan sisään. Energiapuun varastointiajat vaihtelevat. Usein optimivarastointiajasta joudutaan poikkeamaan varastojen logististen järjestelyjen vuoksi. Varastointiajat vaihtelevat muutamasta kuukaudesta jopa kahteen vuoteen. Kesän kuivattava vaikutus on huomattava ja niinpä energiapuun pitäisi antaa kuivua vähintään yhden kesän yli. Kaatotuoreen puun kosteus on 50-60 %. Kesäaikaisella varastoinnilla ilmavassa ja tuulisessa varastossa pienpuulla on päästy alle 40 % kosteuteen. Jo kuivunut, varastoitu pienpuu ei kastu talven aikana hakkuutähteen tavoin. Optimiolosuhteissa voidaan päästä jopa 25 20 % kosteuteen. (Metsäkeskukset 2010, 26) Liian pitkät varastointiajat aiheuttavat kuiva-ainetappiota, joka osaltaan alentaa varaston energiasisältöä. Toisaalta varastossa on myös kiinni rahaa, jonka korkokustannukset juoksevat koko ajan. Tämän takia varastointiaika tulisi pitää

17 mahdollisimman lyhyenä, mutta toisaalta riittävän pitkänä, että luonnonkuivumisen hyöty käytetään hyväksi. Kesäaikainen nopea kuivattaminen varastossa on tehokkainta, mutta haketettaessa metsävarastosta suoraan käyttöön, ei lämmöntarve ala vielä heti syksyllä eikä kaikkia energiahakkuita voida ajoittaa kevääseen. Kostean hakkeen varastoiminen on ongelmallista, koska siinä syntyy erilaisia homeita ja kasa alkaa hitaasti lämmetä. Yhtenä ratkaisuna voisi olla energiapuun hakettaminen kaatotuoreena, jolloin haketettaessa hakkeen laatu on parempi, koska hienoainesta on vähemmän ja hake on vähemmän tikkuista. Tuore hake sitten keinokuivattaisiin riittävän kuivaksi ja varastoitaisiin. Talven aikana varastokasassa oleva pienkokopuu ei kastu toisin kuten hakkuutähteet. Pitkän palstakuivauksen kuivumistuloksen on todettu olevan saman kuin vastaava aika hyvällä välivarastolla. Tämän vuoksi korjuun kannalta järkevintä on ajaa kaadetut puut välittömästi välivarastoon. (Hilldebrand 2009, 5) Varastokasan peittämistutkimuksissa, kun pienpuukasat oli peitetty kahdella peittopaperilla eli koko mitaltaan, saatiin peitetystä varastokasasta 6 prosenttiyksikköä kuivempaa haketta. Varaston alkukosteus oli 52 %. Peittämätön kasa oli kosteudeltaan haketettaessa 42 % ja peitetty kasa 36 %. Hakkutähdekasoja peitettäessä päästiin 10 15 prosenttiyksikköä alempiin kosteusprosentteihin. Pienpuun kohdalla katteesta saatava etu on suurin, mikäli sillä pystytään estämään lumen sulamisesta aiheutuva kosteuden lisäys. Tämän tapahtuu erityisesti silloin, kun talven aikana on välillä suojajaksoja ja välillä sataa lunta ja sitten pakastaa. Peittämisen kustannukset lämpöarvon paranemisen ansioista tulevat katetuksi, kun hakkeen kosteusprosentti alenee 6 8 prosenttiyksikköä. (Hilldebrand 2009, 6) Peitetyn kasan hakettaminen on helpompaa varsinkin, jos talvi on hankala. Peittämisen tuoma hyöty voi olla koko tuotantoketjun kustannukset huomioon ottaen suurempikin kuin pelkästään parantunut lämpöarvo. Joskus nuo 6-8 prosenttiyksikköä voivat tuoda huomattavaa parannusta hakkeen polton hyötysuhteeseen, mikä riippuu polttokattilan ominaisuuksista. Eri varastopaikkoja verratessa varjossa sijainneiden varastokasojen kosteus oli ollut 7 17 prosenttiyksikköä suurempi kuin avoimella paikalla sijainneiden kasojen (Hillebrand 2009, 5). Myös eri hakkurityyppien tuottaman hakkeen koste-

18 uksilla on eroa. Haketettaessa lumista energiapuuta valmiin hakkeen kosteus on rumpuhakkurihaketuksessa korkeampi kuin laikkahakkurilla (Niemitalo, 2011, 2). Keski-Euroopassa energiaksi menevän puun varastokasassa tapahtuvaa kuivatusta ei käytännössä tunneta, vaan haketus tapahtuu tuoreella materiaalilla, minkä jälkeen pienkäyttäjien hake kuivataan ja märkä hake menee suurten lämpölaitosten polttoaineeksi sellaisenaan. Tuoreena haketuksella vältetään myös puun lämpöarvon varastointiaikainen lasku ja homeongelmat maastovarastoinnin aikana. (Niemitalo 2011, 5) 4.1.2 Kuorettoman hakkeen teko ja energiapuun kuoriutuminen hakkuussa Hakkeen yleisin käyttötarkoitus energiapuusta on hakkeen poltto lämpölaitoksissa. Polttoon menevässä hakkeessa puun kuori on mukana eikä se aiheuta ongelmia. Jos haketta jatkojalostetaan esim. pelletiksi, olisi pelletin raakaaineena käytettävän hakkeen oltava kuoretonta, jotta pelletin teko onnistuu ja jotta vältytään puun kuoren mukana tulevan maa-aineksen aiheuttamalta tuhkan laavautumiselta (Granö 2007, infokortti 112). Mikro-CHP-laitoksessa käytettävässä hakkeessa hienoainesosuuden pitäisi olla pieni, jotta polttoprosessi olisi hallittavissa ja jotta laiteesta saataisiin täysi hyöty. Mikäli käytettävissä olisi kuoritusta hakepuista tehty hake, pienentäisi se hienoainesosuutta hakkeessa ja parantaisi prosessia. Kuorettoman hakkeen teko edellyttäisi rankapuun kuorintaa ennen haketusta. Puun kuorimiseen on olemassa useita eri tapoja. Yleisimmin ainespuut kuoritaan sellutehtailla kuorimarummussa ja sahoilla roottorikuorimakoneilla. Sellutehtailla kuorimarummussa puusta irtoava kuori, oksanpätkät ja säleet käytetään polttamalla ne energiaksi ja kuoritut kuitupuut menevät haketuksen kautta sellukeittoon. Sahoilla taas kuorimakoneesta tullut kuori poltetaan energiaksi, jota käytetään mm. sahatavaran kuivaukseen. Sahauksessa yli jääneet sahauspinnat haketetaan. Siitä saatava hake on hyvää kuoretonta (kuorta alle 1 %) haketta ja raaka-ainetta selluteollisuudelle ja siitä maksetaan parempaa hintaa kuin kuorellisesta hakkeesta. (Ammatillisen 2013)

19 Energiapuusta tehtävä kuoreton hake edellyttää rankojen yksin puin kuorintaa. Vielä 1960-luvulla ainespuun kuorinta tehtiin metsäpäässä tievarsivarastolla ja silloin yleisesti käytössä olivat traktorikäyttöiset roottorikuorimakoneet (mm. Valon Kone), joilla kuorinta tapahtui yksin puin kuorimakoneeseen syöttäen. Noita koneita on edelleen maakunnissa ja niitä voitaisiin käyttää myös energiapuun kuorinnassa. Työvaihe on paljon miestyötä vaativa. Kuorimatyön tuottavuudesta ei löytynyt tutkimuksia, mutta sahoilla käytettävistä roottorikoneista on olemassa selvityksiä, joiden avulla voidaan johtaa kustannuksia yksin puin kuorinnalle. Pelletinvalmistuksessa raaka-aine kuoritaan ennen haketusta. Kuorimoteknologia vaikuttaa kuorimisen energiankulutukseen. Käytössä on kuorimarumpuja, mutta pienemmillä laitoksilla kuorinta tapahtuu rotaatiokuorimolinjalla. Tällaisen kuorimon keskimääräinen energiankulutus on noin 11,25 kwh/t. (Ihalainen & Sikanen 2010, 13) Energiapuun korjuussa käytettävän puun joukkokäsittelyn merkitystä puun kuoriutumiseen on tutkittu hankkeessa Bioenergiaa metsästä. (Lehtimäki 2006, infokortti 87) Sen mukaan normaalissa yksinpuinkorjuussa kuoriutuminen oli 3,3 % ja joukkokäsittelyssä 5,7 % (taulukko 3). Taulukko 3. Kuoriutumisen määrä eri menetelmillä (Lehtimäki 2006, infokortti 87) Normaali harvesterikoura Modifioitu harvesterikoura Menetelmä Kuoriutuminen % Yksinpuinkorjuu 3,3 Joukkokäsittely 5,7 Yksinpuinkorjuu 8,9 Joukkokäsittely 6,9 Hiukan modifioidulla kouralla (kuva 8) päästiin joukkokäsittelyssä n. 7 % kuoriutumiseen. Tällä energiapuun kuoriutumisella ei päästä vielä kuorettoman hakkeen tuottamiseen. Kuoriutuminen joukkokäsittelyhakkuussa kyllä edistää puun varastossa kuivumista, mutta modifioidulla karsintaterällä saadun kuoriutumisen lisääntymisen ei todettu parantavan puun kuivumista joukkokäsittelyyn verrattuna (Nurmi & Takalo 2006, infokortti 97 ja Nurmi 2007, infokortti 141).

20 Kuva 8. Karsintateriin lisätyt pultit (Lehtimäki & Nurmi 2006, infokortti 87). Joukkokäsittelyllä saatu puun kuoriutuminen ja puun kuoren rikkoutuminen parantaa energiapuun kuivumista varastossa esim. verrattuna metsurihakkuuseen. Varastossa kuivuminen taas parantaa energiahakkeen lämpöarvoa. Samalla se pienentää hakkeen mahdolliseen jatkokuivaukseen tarvittavaa energian määrää, mikä tulee kyseeseen esim. tehtäessä hakkeesta pellettejä tai kuivattaessa haketta mikro-chp-laitoksen polttoaineeksi. 4.1.3 Hakkeen kosteus Hakkeen laatutekijöistä kosteutta pidetään merkittävimpänä (Hakkila 2004). Tietysti hakkeen käyttötarkoitus vaikuttaa siihen, kuinka suuri merkitys hakkeen kosteudella on sen laatuun. Esimerkiksi pienillä hakelämpölaitoksilla hakkeen kosteus ei mieluummin saisi ylittää n. 40 %, jotta hakkeen poltto olisi ongelmatonta. Suuremmille laitoksille taas kosteampikin hake käy eikä kosteus vaikuta ratkaisevasti polttotapahtumaan. Hakkeen kosteudella on monia vaikutuksia hakkeen käytön kannattavuuteen ja laatuun. Haketta poltettaessa kosteus vaikuttaa hakkeesta saatavaan energiamäärään sekä tehollisen lämpöarvon että polton hyötysuhteen kautta. Tehollinen lämpöarvo laskee, koska kosteuden haihduttaminen kuluttaa poltettaessa energiaa. Polton hyötysuhteen aleneminen taas johtuu kosteuden aiheuttamasta epätäydellisestä palamisesta ja toisaalta matalammasta palamislämpötilasta. Korkea kosteusprosentti lisää polttolaitoksen hiilimonoksidi-, hiilivety- ja hiuk-

21 kaspäästöjä. Kostea hake aiheuttaa talvella jäädyttyään tukoksia lämpölaitosten kuljettimille ja syöttölinjoille (Hakonen & Laurila 2011, 7). Kosteus heikentää myös hakkeen varastoitavuutta. Kosteassa hakkeessa puumateriaalissa tapahtuu kuiva-ainetappioita märän hakkeen lämmetessä ja alkaessa maatua. Lisäksi kosteassa hakkeessa syntyy terveydelle haitallisia mikrobikasvustoja, jotka altistavat käsittelijänsä homeitiöille. Nämä prosessit hidastuvat vasta hakkeen ollessa alle 25 % kosteudessa. Tämän takia haketta pitempään varastoitaessa se pitäisi keinokuivata, jotta päästäisiin tuohon kosteusprosenttiin. 4.2 Vesi hakkeessa ja hakkeen lämpöarvo Laskettaessa hakkeen sisältämää lämpöenergiaa tarvitsee tietää hakkeen lämpöarvo. Lämpöarvoja on kolme erilaista, joilla on eri teoriaperustansa; kuivaaineen kalorimetrinen lämpöarvo (ylempi lämpöarvo, veden höyrystymiseen tarvittavaa energiaa ei huomioida), kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo (alempi lämpöarvo, huomioi höyrystymiseen kuluvan energian eli on pienempi kuin edellinen) ja saapumistilassa olevan polttoaineen tehollinen lämpöarvo (huomioi sekä polttoaineessa olevan veden että vedyn palamisessa syntyneen veden). Viimeksi mainittua käytetään laskettaessa lämpölaitoksille toimitettavien hakekuormien lämpöenergiamääriä. (Hakonen & Laurila 2011, 10) Kaava 1. Kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo muutettuna saapumistilassa olevan polttoaineen teholliseksi lämpöarvoksi. (CEN/TS 14918:2005) Q net.ar =Q net.d x((100-m ar )/100)-0,02443xM ar josta; Q net.ar = tehollinen lämpöarvo saapumistilassa (MJ/kg) Q net.d = tehollinen lämpöarvo kuiva-aineessa (MJ/kg) M ar = kosteus saapumistilassa (p-%) 0,02443(MJ/kg) on veden höyrystymiseen kuluva lämpömäärä (+25C) (Hakonen & Laurila 2011, 11).

22 Eri puupolttoainelajien teholliset lämpöarvot kuiva- aineessa suhteellisen vähän ollen vaihtelevat 19-20 MJ/kg välillä. Korkein kuiva-aineen lämpöarvo on koivun kuorella 22,7 MJ/kg. (taulukko 4) Taulukko 4. Puupolttoainelajien tehollisia lämpöarvoja kuiva-aineessa. (Pellikka & Saviharju 1993, Hakkila et al. 1978, Laine & Sahrman 1985, Tahvanainen 1995, Taipale 1996, Wilen 1996). Eri hakkeiden tehollisista lämpöarvoista kuiva-aineessa kwh/kg (Alakangas 2000, 42) Puupolttoainelaji Puulaji Tehollinen lämpöarvo kuiva-aineessa, MJ/kg Mänty 19,3 Kuorellinen pinopuu Kuusi 19,1 Koivu 19,5 Mänty 20,5 Taimistojen kokopuuhake Kuusi 19,6 Koivu 19,6 Mänty 19,6 Harvennusten kokopuuhake Kuusi 19,2 Koivu 19,0 Mänty 20,4 Hakkuutähdehake neulasitta Kuusi 19,7 Koivu 19,7 Hakkuutähdehake neulasineen Mänty 20,5 Kuusi 19,8 Metsätähdehake 19,3 Kanto- ja juuripuu Mänty 19,5 Kuusi 19,1 Sahanpuru 18,9 Mänty, kuoreton 19,0 Kutterinlastu 18,9 Mänty 20,0 Kuori Kuusi 18,6 Koivu 22,7 Hake Paju 16,2 Laskettaessa kuorelliselle mäntypinopuulle teholliset lämpöarvot eri kosteuksissa havaitaan kosteusprosentin suuri vaikutus polttoaineesta saatavaan tehoon. Esimerkiksi kaatotuoreesta (55 %) pinomäntypuukilosta saadaan noin 2

23 kwh/kg, kun taas kasassa keskimäärin kuivaneesta (35 %) vastaavasti 3,25 kwh/kg ja hyvissä olosuhteissa kuivaneesta (25 %) 3,85 kwh/kg (taulukko 5). Taulukko 5. Saapumistilaisen polttoaineen teholliset lämpöarvot eri kosteuksissa, mäntyrankahake (kuorellinen pinopuu, mänty 19,30 MJ/kg). Polttoaine-erän kokonaiskosteus saapumistilassa % Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa MJ/kg Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa kwh/kg 60 6,25 1,74 55 7,34 2,04 50 8,43 2,34 45 9,52 2,64 40 10,60 2,95 35 11,69 3,25 30 12,78 3,55 25 13,86 3,85 20 14,95 4,15 15 16,04 4,46 10 17,13 4,76 5 18,21 5,06 0 19,30 5,36 4.2.1 Veden sitoutumistavat puuhun ja puun kuivaus Vesi on kiinni puussa joko niin sanottuna sidottuna vetenä ja mahdollisesti tämän lisäksi myös niin sanottuna vapaana vetenä. Sidottu vesi on adsorboitunut hyvin tiukasti itse puuaineksen soluonteloiden välisiin seinämiin, kun taas vapaa vesi sijaitsee itse soluonteloissa. Sidotulla ja vapaalla vedellä on käytännössä se tärkeä ero, että sidottu vesi on puussa erittäin tiukassa ja sen poistaminen on sitä vaikeampaa, mitä kuivemmaksi puu tulee. Tämä tarkoittaa sitä, että puussa olevan veden poistamiseen tarvittava lämpöenergia vesikiloa kohti kasvaa kosteuden pienentyessä. Soluonteloissa olevan vapaan veden poistaminen sen sijaan vastaa normaalia veden höyrystämistä. (Härkönen 2012, 11) Puu on hygroskooppista ainetta eli se pystyy imemään itseensä hyvin suuria määriä vettä, jopa selvästi enemmän kuin mitä itse puun kuivamassa on. Puun kosteus voidaan määritellä kahdella eri tavalla: joko vertaamalla puussa olevaa vesimäärää puun kuiva-ainemassaan kosteussuhde U = m vesi /m ka. tai ver-

24 taamalla vesimäärää puun kokonaismassaan kosteus X = m vesi /m kok. Useimmiten kosteutta X käytetään ilmaisemaan puussa olevaa vesimäärää, mutta esimerkiksi kuivauslaskelmissa täytyy ymmärtää myös kosteussuhteen U käsite. Kaavasta 2 selviää kosteussuhteen U ja kosteuden X välinen keskinäinen riippuvuus. Kosteus X on aina pienempi kuin 1 (tai pienempi kuin 100 %), sen sijaan kosteussuhde U voi olla myös suurempi kuin 1. (Härkönen 2012, 9-10) Suomalaisten puiden osalta käytetään usein kosteussuhteen arvoa U PSK 0,30 ( Puun Syiden Kyllästymispiste, PSK) kuvaamaan sitä rajakosteussuhdetta, jolloin puun soluonteloiden seinämät ovat täysin veden kyllästämät, mutta vapaata vettä ei soluonteloissa vielä ole. Kosteussuhteen arvo U PSK = 0,30 vastaa kaavan (2) mukaisesti kosteutta X PSK = 23 % (Hukka 1996). Kaava 2. Puun kosteussuhteen ja puun kosteuden välinen riippuvuus. Kun kosteaa puuta poltetaan, niin puussa oleva vesi joudutaan aina ensin poistamaan puusta ja sen jälkeen höyrystämään. Tähän tarvittava lämpöenergia otetaan puun kuiva-aineen palaessa vapautuvasta lämmöstä. Usein vertailulämpötilana käytetään laskelmissa normaalin kiehumislämpötilan 100 C asemasta 25 C lämpötilaa. Puun syiden soluonteloissa olevan vapaan veden poistaminen ja höyryksi muuttaminen vastaa normaalia veden höyrystämistä. Niin kauan kun kosteus pysyy suurempana kuin PSK-rajakosteus 23 %, yhden vesikilon poistaminen puusta vaatii lämpöenergiaa vakiomäärän 2,443 MJ/kg eli 0,68 kwh/kg vettä (25 C vertailulämpötilassa). (Härkönen 2012, 12) Sen sijaan sidottuna oleva vesi on puun syiden soluseinämiin hyvin tiukasti adsorboitunutta vettä ja sen poistamiseen esimerkiksi haketta kuivattaessa tarvitaan paljon enemmän lämpöä kuin jo valmiiksi nesteenä olevan vapaan veden tapauksessa. Tarvittava lämpöenergia riippuu puun kosteussuhteesta U. Kun kosteussuhde U lähestyy nollaa, niin tarvittava lämpöenergia on hyvin suuri ol-

25 len moninkertainen vapaan veden poistamiseen verrattuna (Hukka 1996). Laskelmissa laskelmien helpottamiseksi usein oletetaan, että desorptiolämmön riippuvuus kosteussuhteesta on lineaarinen ja että desorptiolämpö arvolla U = 0 on tasan kolminkertainen höyrystymislämpöön verrattuna (25 C). (kaava 3 ja kuvio 2) Kaava 3. Veden poistamiseen ja sen edelleen höyrystämiseen tarvittava lämpöenergia vesikiloa kohti kosteussuhteen U:n funktiona, U:n arvo on 30-0. q des = 2,036 4,524*U (Härkönen 2012, 12-13). Esimerkki 1. Kuivataan 100 kg puuta alkukosteudesta 40 % loppukosteuteen 23 %. Paljonko tähän tarvitaan lämpöenergiaa? Annetut kosteudet vastaavat arvoja U 1 = 0,67 ja U 2 = 0,30 eli poistettava vesi on kokonaisuudessaan vapaata vettä. Alussa puussa on vettä 40 kg ja kuivaa puuta loput 60 kg. Lopputilassa kosteussuhde on 0,30 eli puussa on vettä jäljellä 0,30*60 = 18 kg, joten vettä poistetaan 22 kg. Tarvittava lämpöenergia on siten 22 kg * 0,68 kwh/kg = 14,96 kwh (vertailulämpötila 25 C). Esimerkki 2: Kuivataan 100 kg puuta alkukosteudesta 23 % loppukosteuteen 6 % eli kosteus muuttuu samat 17 %- yksikköä kuin esimerkissä 1. Paljonko lämpöä nyt tarvitaan? Vastaavat kosteussuhteet ovat U 1 = 0,30 ja U 2 = 0,064. Nyt ollaan siis kokonaan sidotun veden alueella. Kosteussuhde on keskimäärin kuivauksen aikana (0,30+0,064)/2 = 0,182. Joten tarvittava lämpöenergia on keskimäärin 2,036-4,524*0,182 = 1,213 kwh/kg. Vettä poistetaan esimerkin 1 mukaisesti laskettuna 18,1 kg, joten tarvittava lämpöenergia on 18,1*1,213 = 21,95 kwh eli 47 % enemmän kuin esimerkissä 1! (Härkönen 2012, 12-13).

26 Kuvio 2. Veden poistamiseen (desorptio) tarvittava lämpöenergia kosteussuhteen U funktiona. Oletettu lineaarinen riippuvuus (kun U < 0,30) ja qdes = 3*qhöyr, kun U lähestyy arvoa nolla. Kosteus X = U/(1 + U) (Härkönen 2012, 13). Taulukossa 6 on laskettuna kaavalla 2 puun kosteussuhdetta vastaavat puun kosteusarvot puun syiden kyllästymispisteen alapuolella, 23-0 % Taulukko 6. Puun kosteussuhdetta vastaavat puun kosteusarvot. Kosteussuhde U Kosteus, X % 0,00 0,0 0,05 4,8 0,10 9,1 0,15 13,0 0,18 15,2 0,20 16,7 0,25 20,0 0,30 23,1

27 4.3 Hakkeen kuivaus Luonnonkuivauksella varastossa kuivatusta puusta haketettu hake voi parhaimmillaan olla 20-25 % kosteata, mutta normaaliolosuhteissa saavutetaan noin 35 % kosteus. Varastossa puuta kuivattaessa ollaan luonnon armoilla ja loppukosteus ei ole aina ennustettavissa. Hakkeen keinokuivaus haketuksen jälkeen on välttämätöntä, kun hakkeelta vaaditaan edellä mainittuja lukuja alhaisempia kosteuksia tai halutaan nopeuttaa energiapuun kiertoa ja välttää varastoon sitoutuneeen pääoman korkomenoja. 4.3.1 Hakkeen kylmäkuivaus Kylmäkuivauksella tarkoitetaan ympäristön omassa lämpötilassa tapahtuvaa hakkeen kuivausta, missä voidaan hyödyntää passiivista aurinkoenergiaa. Niissä kuivauksen teho ja taloudellisuus vaihtelevat ulkolämpötilan mukaan. Useimmissa kylmäkuivuriratkaisuissa hakevaraston lattia on korotettu esim. syrjällään olevien 5 lankkujen avulla hakkeen ja varaston pohjan välisten ilmakanavien muodostamiseksi. Itse lattiaritilä voi olla tehty esim. noin 1 cm:n raoilla olevista lankuista tai erikseen tätä tarkoitusta varten valmistetuista ritilälevyistä. Oleellista niissä on riittävän ilmanvaihdon saavuttaminen kuivattavan hakkeen läpi. (Niemitalo 2011, 3) Mikäli kuivausilma puhalletaan lattian alta hakepatjan läpi, tulee kuivaus jaksottaa hakkeen kuivumisen mukaan. Puhallustarpeen voi nähdä hakepatjan pintaosien ja puhalluksen aloituksen jälkeisenä poistoilman silminnähtävänä kosteuden nousuna. Ongelmana puhalluskuivauksessa on varaston yläosiin kohoavan kostean ilmamassan puhaltaminen ulos ilman, että kosteus kondensoituu mahdollisesti kylmiin kattorakenteisiin ja palaa takaisin hakemassaan. Imuperiaatteella toimivassa kuivauksessa kosteus kulkeutuu raskaampana painovoimaisesti hakepatjan läpi poistoilmaan, joskin hakkeen säännönmukainen lämpiäminen kasassa ja sitä kautta ilmavirran taipumus nousta ylöspäin voi paksun hakepatjan ja hakkeen pienen raekoon kyseessä ollen vaikeuttaa kuivatusta. (Niemitalo 2011, 4)

28 Samoin molemmissa kuivaustavoissa hakkeen lämpiämisestä aiheutuu (hakepatjan sisällä olevan) hakevaraston ilman vedensitomiskyvyn huomattava kohoaminen eli vesi siirtyy hakkeesta ilmaan. Tästä on sekä hyötyä että haittaa: Mikäli sääolot sallivat tehokkaan puhalluksen/imukuivauksen, kuivauksen jaksottamisella voidaan hyödyntää lämpiämisen aikaansaamaa varastoilman vedensidontakyvyn huomattavaa tehostumista. Mikäli tuuletus jää heikoksi esim. hakepatjan paksuuden tai pienen raekoon takia, seurauksena on johonkin hakekerrokseen tapahtuvaa veden selvästi erottuvaa tiivistymistä märäksi linssiksi. Tällöin puhalluksen/ imuvirtauksen vastapaine kohoaa huomattavasti, mistä voi olla seurauksena joko ilmavirtauksen loppuminen tai erittäin epätasainen jakautuminen hakepatjassa. Toisin sanoen puhallusvoima ei hakkeesta ja säätilasta johtuen riitä koko hakepatjan läpikuivaamiseen. Teollisissa hakekuivureissa kuivumisen tasaisuus on pyritty varmistamaan hakkeen liikuttelulla kuivauksen ajan (esim. rumpukuivuri, kaskadikuivuri) tai pitämällä kuivattava hakepatja riittävän ohuena (hihnakuivurit). ( Niemitalo 2011, 4) Osassa hakevarastokuivaajia on hyödynnetty kuivausilman lämmityksessä aurinkoenergiaa joko erillisillä aurinkokerääjällä tai passiivisesti seinä- ja kattorakenteita hyväksi käyttäen, joskin esim. peltikatteen ja -seinän lämmönvaihdinominaisuudet ovat suhteellisen heikot suhteessa tarvittavaan puhallusilmamäärään. (Niemitalo 2011, 5) Käytännössä kylmäilmakuivauksessa kyseessä on aina kompromissi hakepatjan paksuuden ja ilman vedensitomiskyvyn välillä: kosteuden siirtymisaika on oltava puun ja ilman välillä riittävä ja toisaalta vastapaineen vaikutus edellyttää puhallustehon kasvattamista. Tehokkaimmillaan kuivaus edellyttää ohutta hakekerrosta ja tarvittaessa useassa erässä tapahtuvaa haketusta ja kuivausta. (Niemitalo 2011, 5) Veden koneellinen haihduttaminen hakemassasta vaatii nyrkkisääntönä yhden kilowattitunnin energiamäärän kutakin vesikiloa kohden. Tämän lisäksi tulee erilaisten kuljettimien ja puhaltimien viemä sähköenergia. Varsinaisen veden höyrystämisen lisäksi kuivausprosessi vaatii usein hakemassan lämmittämisen ja jään sulatuksen ennen varsinaista kuivausta. Ominaislämpökapasiteetin mukaan laskettuna jään lämmittäminen tilanteessa, missä kuivausprosessi ajoite-

29 taan kylmimmän talvikauden ulkopuolelle, ei ole kokonaisuuteen verrattuna merkittävä kustannuserä. Kuvion 3 mukaan lämmittämisen ja sulatuksen osuus koko energiankulutuksesta on ollut n. 15 %, kun hake on kuivattu 18 %. (Niemitalo 2011, 5) Kuvio 3. Laskennallinen jäätyneen (lämpötila -5 C) ja 2 000 kg painoisen, lähtökosteudeltaan 30 50 %, hakemassan kuivauksen energiankulutus jaoteltuna eri komponentteihin (tulokset eivät sisällä toiminnan vaatimaa sähkön kulutusta). Kuivatun hakkeen loppukosteus on laskelmissa 18 % (Niemitalo 2011, 6). Koska kuivausilman vedensitomiskyky on suoraan riippuvainen lämpötilasta (Moullierin käyrästönmukaisesti), voidaan samaan kuivaustulokseen päästä sekä lämpötilaa nostamalla että ilman tilavuusvirtausta nostamalla (kuva 3). Yleensä ratkaisu tehdään vaadittavien sähköpuhaltimien investointi- ja käyttökustannusten sekä käytettävissä olevan lämpöenergian välisenä kompromissina. Puuenergialla tuotetun ja lämmönvaihtimen kautta ilmaan siirretyn lämmön hyödyntämisessä puhallusilmamäärä nousee kuvan 3 mukaisella (alle 100 C) lämpötiloilla 50-100 m 3 välille kutakin haihdutettavaa vesikiloa kohden. (Niemitalo 2011, 7)

30 Kuvio 4. Yhden vesikilon haihduttamiseen tarvittavan kuivausilmamäärän ja kuivausilman lämpötilan välinen riippuvuus. (Kärsämäen kehityskeskus Oy:n Pohjois-Pohjanmaan pellettihankkeen 2003-2005 loppuraportti) (Niemitalo 2011, 7) Pelletin valmistuksessa haketta kuivataan mm. rumpukuivurilla. Rumpukuivurin keskimääräinen lämpöenergiankulutus on noin 870 950 kwh/t vettä ja tuntikapasiteetti noin 3 t/h. (Wimmerstedt 1999, Pastre 2002) Taulukossa 7 on laskettuna lämpöenergian tarve sahanpurulle (lähtökosteus 55 %), välivarastokuivatulle metsähakkeelle (40 %) ja tuoreelle hakkeelle (50 %), kun ne kuivattiin loppukosteuteen 11 %. Taulukko 7. Lämpöenergian tarve kuivauksessa (Ihalainen & Sikanen 2010, 13). Raaka-aine, kosteuspitoisuus Lämpöenergian kulu- Lämpöenergian tarve (%) tus (kwh/t) kuivauksessa (kwh/t) Kuiva sahanpuru, 11 % (Ei kuivata) (Ei kuivata) Kostea sahanpuru, 55 % 370 ~1112 Välivarastokuivattu metsähake, 40 % 275,5 ~826 Tuore hake, 50 % 418 ~1254

31 4.3.2 Eräitä hakkeen kylmäkuivaukseen annettuja ohjeita ja energiankulutusohjelukuja eri lähteistä Kylmäilmakuivauksessa käytetyt kuivurityypit ovat tavallisesti varastokuivureita, jolloin kuivuri toimii samalla polttoainevarastona. Vaakakuivureissa hakekerros on yleensä ohut, joten tarvittava pinta-ala on suuri. Hakekerroksen alla on ilmatila, jonka kautta kuivausilma puhalletaan. Hakekerroksen maksimipaksuudet hakkeen palakoon mukaan ovat, kun palakoko on 2-3 cm -> hakepatja 1,5-2 m ja kun hakkeen palakokoko 3-5 cm -> hakepatja on 2-2,5 m. Aksiaalipuhaltimilla kuivatusenergian kulutus on ollut keskimäärin 10 kwh/i-m 3 ja keskipakopuhaltimilla 15 25 kwh/i-m 3. (Rinne 2002, 66 69) Niemelän 2011 laskelman mukaan aksiaalipuhaltimilla kuivatuskustannus on 1,25 /MWh ja keskipakopuhaltimilla 1,88-3,13 /MWh eli 7-17 % energian hinnasta 18 /MWh. Lähteestä ei selvinnyt, mikä oli hakkeen loppukosteus (toim. huomautus). Toisen lähteen antaman peukalosäännön mukaan hakkeen kylmäilmakuivauksessa tarvitaan 300-500 m 3 ilmaa/h hakekuutiometriä (im 3 ) kohti. Ilmavirtaus kanavissa edellä olevassa kanavakuivausratkaisussa ei saa ylittää 5 m/s. (Granö 2006, infokortti 73) Edullisin hakkeen puhallinkuivausajankohta ajoittuu toukokuusta elokuuhun, jolloin ilman vedensitomiskyky on suurimmillaan. Lämmittämättömällä ulkoilmalla kuivattaessa sopiva ilmamäärä kuivatettavaa hakekuutiota kohti on 400 500 m³/h. Riittäväksi ilman nopeudeksi hakekasassa on arvioitu n. 0,1 m/s. Kuivurin ilmanottoaukko on edullisinta sijoittaa varastorakennuksen etelänpuoleiselle seinustalle, jossa kuivatusilma on päivisin lämpimintä. Lisäksi on huolehdittava, ettei kostea poistoilma pääse kiertämään takaisin imuaukkoon. Sateisella ja sumuisella ilmalla puhallinta ei kannata käyttää. Jos ilman suuri kosteus estää kuivauksen, on haketta tuuletettava pari kertaa vuorokaudessa niin, että hakkeesta poistuvan ilman lämpötila laskee lähelle ulkoilman lämpötilaa. Yhden hake-erän kuivausaika vaihtelee 1 2 viikkoon säästä riippuen. Kylmäilmakuivauksessa hakkeen kosteus alenee yleensä n. 15 prosentin tasolle. (Linna & Järvinen 1984, 25 26)

32 Aksiaalipuhaltimilla kuivatuskustannus on ollut keskimäärin 10 kwh/i-m 3 ja keskipakopuhaltimilla 15 25 kwh/i-m 3 (Niemelän laskelman mukaan aksiaalipuhaltimilla kustannus on 1,25 /MWh ja keskipakopuhaltimilla 1,88-3,13 /MWh eli 7-17 % energian hinnasta 18 /MWh) (Rinne, S. 2002). Lähteestä ei selvinnyt, mikä oli hakkeen loppukosteus (toim. huomautus). 4.3.3 Hakkeen lämminilmakuivaus, kooste eri menetelmistä Lämminilmakuivauksella tarkoitetaan kuivausta, jossa hakkeen kuivattamiseen käytettävän ilman lämmittämiseen käytetään ulkopuolista energiaa. Se, miten tuo energia tuotetaan, vaihtelee käytettävän menetelmän mukaan. Rumpukuivauksessa hake pyörii kuuman kaasun (200 600 C ) kanssa rummussa. Menetelmä sopii heterogeeniselle materiaalille ja sillä on pienet ylläpitokustannukset. Heikkoutena ovat pöly ja savuongelma, palovaara, suuri koko ja lämpöä kuluu 3,5-4,2 MJ/kg vettä (1,2 kwh), sähköä 10-50 kwh/ tonni kuivattua materiaalia (mm. GEA, Torkapparater, DryCo). Patjakuivauksessa matalalämpöinen ilma (30 150 C ) johdetaan viiralla kulkevan hakepatjan läpi. Menetelmä sopii heterogeeniselle materiaalille. Etuna on, että se sopii matalalämpökuivaukseen ja että siinä voidaan toteuttaa hyvä laadunhallinta. Laite on suurikokoinen ja menetelmässä on palovaara (mm. Swiss Combi, Bruks Klöckner, Mabarex, Andriz Fiber Drying). Kaskadikuivurissa kostea hake syötetään eräänlaiseen putkeen yläosasta, jossa se lämmitetyn ilman (160 280 C ) syötön vaikutuksesta liikkuu edestakaisin, kunnes kuivuttuaan poistuu putkesta poistoputken kautta. Prosessi kestää muutamia minuutteja. Menetelmä sopii heterogeeniselle materiaalille. Laitoksen koko on pieni suhteessa muihin kuivureihin, mutta ongelmia syntyy korroosiosta ja palovaarasta. Menetelmä ei sovellu pitkille kuorenkappaleille. Energiankulutus on lämpöä 5,8 MJ/kg vettä (1,6 kwh), sähköä 10 15 kwh/ tonni kuivattua materiaalia. (Niemitalo 2011)