www.biohousing.eu.com Pelletti, mitä se on? Ominaisuudet ja laatu sekä ympäristövaikutukset Saarijärvi 17.11.2006, VTT 1 Rakennusten lämmitykseen käytetty energia 2 Kuva: Finndomo 1
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 1 358 PJ (377 TWh) 3 Lähde:Energiaennakko 2005 Uusiutuvat energialähteet 2005 Vesivoima 14,5 %, 48 943 TJ Bioperäiset kierrätyspolttoaineet 1,3 %, (4 543 TJ) Tuulienergia 0,2%, 607 TJ Aurinkoenergia 0,0%, 29 TJ Biokaasu 0,5 %, 1 747 TJ Lämpöpumput 1,8%, 6 340 TJ Muu bioenergia 0,2%, 659 TJ Puupolttoaineet 81,4% 274 692 TJ (76,3 TWh) Puupolttoaineiden pienkäyttö 17,6 %, 48 280 TJ Teollisuuden puutähteet ja sivutuotteet 34,5 %, 94 746 TJ Mustalipeä 47,9 %, 131 666 TJ Uusiutuvien energialähteiden käyttö 337 560 TJ (93,8 TWh), joka on 25 % kokonaisenergian kulutuksesta 4 Lähde: Energiaennakko 2005 2
Bioenergiankäytönkehittyminen 1990-2005 TJ 350 000 300 000 Puun pienkäyttö (pilke,hake,pelletti) Liikenteen biopolttoaineet Biokaasu 5 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0 Lähde: Energiatilastot 2004 ja Energiaennakko 2005 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 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 = 1 000 000 000 000 1 TWh = 1 miljoona MWh 1 MWh=1 000 kwh Asuinkerrostalot 17 % 6 3
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 270 000 pientalossa ja käyttö oli 11 272 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 10 000 omakotitalossa. Energia- ja ympäristöstrategin tavoitteena on lisätä puun pienkäyttö 20 000 GWh:iin vuoteen 2010 mennessä 20 000 GWh vastaa lähes 13 miljoonaa pino-m 3. Kuva: Smart-Splitter G = giga = 1 000 000 000 1 GWh = 1 miljoona kwh 1 000 GWh = 1 TWh 8 Lähde: Energiaennakko 2005 ja ÖAK 4
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 14588 - Kiinteät biopolttoaineet -Terminologia, määritelmät ja kuvaukset, 2003 10 5
Pellettien raaka-aine Pelletit valmistetaan yleensä kuivasta purusta, hiontapölystä tai kutterinlastusta. Jos käytetään märkää sahanpurua on se kuivattava ennen pelletoimista Raaka-aineen kosteus on 10 15 % Havupuut soveltuvat paremmin pellettien raaka-aineeksi niiden korkeamman ligniinipitoisuuden takia. Ligniinipitoisuus on havupuilla 25 28 % ja lehtipuilla 15 25 % 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) 49-51 %* Vety (H) 6,0-6,2% * Happi (O) 38-42 % * Typpi (N) 0,1-0,4 % * Rikki (S) 0,01-0,1% * KUORI 60 % SAHANPURU 55 % TUORE PUU 50-60 % METSÄTÄHDE 35-50 % RANKAHAKE 25-40 % PILKE 20-25 % 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 (www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2000/t2045.pdf) 12 6
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 14961 D 13 Puupelletit EAA Biofuels Tuottaja PL 1603 40101 Jyväskylä Puh. 020 722 2550 E-mail: info@eaabiofuels.com Alkuperä: 1.2.1.1 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
Pelletit jalostettua energiaa 1 tonni pellettiä sisältää 4 800 kwh energiaa 1 m 3 painaa noin 650 kg 1 m 3 pellettiä vastaa noin 3 000 kwh energiaa eli Polttoaine Kevyt polttoöljy, 1 000 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 10 000 kwh 1 010 kwh (1 700 kwh) 740 kwh (1230 kwh) 790 810 kwh (1300 1350 kwh) 900 kwh Lähde: VTT Tiedotteita 2045 ja Vapo Oy 15 Ympäristövaikutukset 16 Kuva:Finndomo 8
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
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
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 0.001 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 3 100 Hiilivedyt, mg/mj 600 NO x, mg/mj 120 Kokon. hiukkaset mg/mj 200 PM1 mg/mj 190 Lukumäärä, kpl/mj 10 13 6,5 Koko, nm 110 Takat, takkasyd.uunit < 30 pilke 1 200 120 60 100 90 3,8 130 Pellettitakat 10 Pelletti 170 10 40 70 3,2 155 Pellettikattilat < 30 Pelletti 200 1 35 25 1,2 145 Stokerit 30-50 Hake+ pelletti 400 80 20 15 1,1 100 Hake Pelletti 500 250 110 60 20 15 10 10 1,0 1,2 100 100 22 10 13 = 10 000 000 000 000 1mg/MJ=3,6 mg/kwh 1 nm= 10-9 = 0,000 001 mm 11
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: (www.uku.fi/laitokset/ifk/pipoloppuraportti2005.pdf) 23 8 Esimerkki: Hiukkaspäästöt 80 kw:n stokeripoltin 70 60 50 Kokonaishiukkaset mg/mj 40 30 20 24 20 19 16 15 13 12 11 10 0 TSP PM 10 PM 2.5 PM 1 PM1= 1 µm = 0.001 mm wood Hakechips wood Pelletti pellets Lähde: Heikki Oravainen, VTT 24 12
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
Hiilidioksidipäästöjen vertailu Pelletti 1 irto-m 3 Kevyt öljy 300 litraa = 100 l 100 l 100 l Energiaa, kwh 3 000 3 000 CO 2 päästö (netto), kg 0 831 (266,8 kg/kwh) Päästökertoimet http://tilastokeskus.fi/tup/khkinv/khkaasut_polttoaineluokitus.html 27 Jos fossiilisia korvataan pelleteillä pientaloissa, hiilidioksidipäästöt vähenevät Noin 265 000 CO 2 tonnia, jos sähkönkäyttäjät lisäävät pilkkeen käyttöä 50 kertaa ja polttavat 50 kwh puuta (noin 11 kg kerralla) vuodessa. Noin 300 000 CO 2 tonnia, jos noin 50 000 kevyen öljyn käyttäjää siirtyy pelletille (Suomen pellettienergiayhdistyksen tavoite v.2010). Pientalojen aiheuttama kasvihuonekaasupäästö vähenee tällöin reilut 10 %. 1 000t/CO 2 Sähkö Kaukolämpö Lämpöpumput Maakaasu Kevyt öljy Hiili Turve 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 28 8 14
BIOENERGIA D06 DU97.5 D08 DU97.5 OTA SÄKKI OTA SÄKKI 20kg 20kg Lisätietoja: Erikoistutkija, VTT Puh. 0400 542 454 Sähköposti: eija.alakangas@vtt.fi 29 15