GWP-kertoimet metsien hiilivelan kuvaajina Metsätieteen päivä 2012: Ilmastopolitiikka ja metsien käyttö Kim Pingoud VTT Ilmastotiimi 2 Metsien hiilivelka Hidaskiertoisen metsäbiomassan käytön lisääminen aiheuttaa aina hiilivelan suhteessa perusuraan ja lisäpitoisuuden ilmakehässä. Tämä tulee ottaa huomioon, kun tarkastellaan ilmastonmuutoksen hillintäkeinoja Tarkastellaan ilmastovaikutuksia nykyhetkestä eteenpäin (menneisyydelle emme voi mitään!) Metsien hiilivarasto Perusura (P) Metsien hiilivarasto Perusura (P) Takaisinkasvuaika Biomassan hetkellinen lisäkäyttö (K) Biomassan jatkuva lisäkäyttö (K) Päätöksenteon aikajänne Aika Aika Lämmitysvaikutuksen aiheuttaja suhteessa perusuraan: hiilivaje = P(t) K(t)
3 GWP-kertoimet Normaalisti käytetään ei-co 2 -kasvihuonekaasuille. GWP-kertoimet t lasketaan vertaamalla ei-co 2 -kasvihuonekaasupulssin (esim. CH 4 ja N 2 O) ajan yli integroitua lämmitysvaikutusta CO 2 -pulssin ajan yli integroituun lämmitysvaikutukseen. Niitä käyttämällä saadaan muiden kasvihuonekaasujen päästöt ilmaistua CO 2 -ekvivalentteina päästöinä GWP-kertoimen arvo riippuu integrointiaikajänteestä. Kansallisissa päästöinventaarioissa on päädytty käyttämään 100 vuoden aikajännettä (GWP 100 -kertoimet). 4 GWP bio -kertoimet: Yleistys metsän dynaamisen hiilivelan tapaukseen (1) Fossiilisen hiilen pulssi ilmakehään (irreversiibeli, ei virtaa takaisin tektonisiin varastoihin); kum.lämmitysvaikutus: missä RF on hetkellinen säteilypakote ja S on pulssin aiheuttama pitoisuuden lisäys ilmakehässä; pitoisuuden dynamiikka voidaan laskea esim. IPCC:n ilmpulssivastemallilla. Samansuuruisen biogeenisen hiilen pulssi ilmakehään, esim. hakkuut (reversiibeli, palautuu takaisin samalle pinta-alalle, mikäli metsänhoito kestävää); kum.lämmitysvaikutus: Huom: myös muut geofysikaaliset tekijät kuin kh-kaasut (esim.albedo) voitaisiin integroida AGWP:hen.
5 GWP bio -kertoimet: Yleistys metsän dynaamisen hiilivelan tapaukseen (2) Biogeenisen C pulssin (sisältäen hiilivelan takaisinmaksun) kum.lämmitysvaikutus suhteessa samansuuruiseen fossiiliseen C pulssiin (ei paluuvirtaa tektonisiin varastoihin) (Cherubini et al. 2011): GWP bio laaduton indeksi, integrointiaikajänteen T funktio. Sen avulla voidaan biogeenisen pulssin hetkellä 0 aiheuttama tilapäinen hiilivelka muuttaa ekvivalentiksi fossiiliseksi C pulssiksi hetkellä 0, jonka ilmastovaikutus aikavälillä T on sama. Cherubini F, Peters GP, Berntsen T, Strømman AH, Hertwich E (2011) CO2 emissions from biomass combustion for bioenergy: atmospheric decay and contribution to global warming. GCB Bioenergy. DOI: 10.1111/j.1757-1707.2011.01102.x. 6 GWP bio -kertoimet: t Yleistys kuvaamaan puunkäyttöketjun vaikutuksia (1) Samanlainen integraali kuin edellä on esitettävissä puun käyttöketjun lämmitys-/viilentäville vaikutuksille suhteessa fossiilisiin funktionaalisesti samanlaisiin vaihtoehtoihin (substituutio) (Pingoud et al. 2012): missä S displ ja S seq ovat syrjäytettyjen fossiilisten C-päästöjen ja puutuotteisiin ii sitoutuneen biogeenisen i C:n aiheuttamat muutokset ilmakehän pitoisuudessa. Pingoud, K.; Ekholm, T.; Savolainen, I. 2012. Global warming potential factors and warming payback time as climate indicators of forest biomass use. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change 17: 369 386. Springer. doi-link: 10.1007/s11027-011-9331-9
7 GWP bio -kertoimet: Yleistys kuvaamaan puunkäyttöketjun vaikutuksia (2) GWP indeksi voidaan periaatteessa yleistää kuvaamaan koko puun käyttöketjua tj (seurausvaikutuksellisessa k LCA:ssa): missä GWP netbio on metsäbiomassan korjuun ja käytön nettoilmastovaikutuksen GWP ja GWP biouse puun käyttöketjun suhteessa fossiilisiin vaihtoehtoihin. 8 GWP bio -kertoimet: Yleistys kuvaamaan puunkäyttöketjun vaikutuksia (3) Jos biomassaa käytetään vain bioenergiana (ei tilapäistä puutuotteiden varastoa), pätee: missä DF (displacement factor) on fossiilisten hiilipäästöjen substituutiokerroin (Schlamadinger ja Marland, 1996 and 1997). Marland G, Schlamadinger B (1997) Forests for carbon sequestration or fossil fuel substitution? A sensitivity analysis. Biomass and Bioenergy 13(6): 389-397. Schlamadinger, B and, Marland, G (1996) The role of forest and bioenergy strategies in the global carbon cycle. Biomass and Bioenergy 10(5/6):275-300.
9 Esimerkki: Bioenergiaa hakkuutähteistä 10 Laskelmien perusteet Laskuissa käytetty suoraan artikkelissa Repo et al.(2010)* esitettyjä lukuja. Dynaaminen hiilivelka: Hakkutähteiden käyttö bioenergiaksi aiheuttaa välittömän hiilipäästön ja hiilivelan suhteessa siihen, että tähteet jätetään lahoamaan. Lahoamisnopeus riippuu merkitsevästä halkaisijasta: tarkastellaan oksia (1 cm, 2 cm, 5 cm) and kantoja (10 cm, 20 cm, 26 cm and 35 cm). *Repo A, Tuomi M, Liski J (2010) Indirect carbon dioxide emissions from producing bioenergy from forest harvest residues. GCB Bioenergy. DOI: 10.1111/j.1757-1111/j 1757 1707.2010.01065.x
11 Esimerkki 1: Päästötase 5 cm oksien (1 MgC) korjuusta alkuhetkellä 2010 ( pulssi-käyttö ) sekä 1 MgC fossiilinen pulssi alkuhetkellä GWP-tekijät ajan funktiona sekä biomassan kumulatiivinen C tase ja substituoidut päästöt Substituutiokerroin DF = 0.6 Warming pb time C payback time 12 Example 2: Emission from step use (1 MgC/yr) of branches and stumps vs fossil C step sepat 2010 0 stepgwp factors (generalisation of the GWP concept) and cumulative C balance of biomass debt and displaced emissions of bioenergy from 5 cm brances Displacement factor DF = 0.6 Warming pb time Warming pb time C payback time payback time
13 Lämmitysvaikutuksen takaisinmaksuaika substituutiokertoimen DF funktiona oksa- ja kantobiomassan hetkelliselle käytölle Lämmitysvaiku- tuksen takaisin- i maksuaika substituutiokertoimen DF funktiona oksa- ja kantobiomassan jatkuvalle käytölle 14 Hiilivelan GWP bio (100 yrs) -kerroin hakkuutähteille bio( y ) niiden tehollisen halkaisijan funktiona.
15 Esimerkki 2: Materiaalisubstituutio puutuotteilla 16 Tukkipuu pitkäikäisiin puutuotteisiin, puujätteet bioenergiaksi; oletuksia: Puisen toimistotalon rakentamisen khk-päästöjä verrattiin vastaavanlaisen betonitalon päästöihin; LCA-data: Häkkinen and Wirtanen (2006)*. Raaka-aine: aine: mäntytukki; 40% rungon biomassasta sitoutuu puutuotteisiin; sivutuotteet käytetään osin puutuoteteollisuuden energiantuotantoon, ylimäärä fossiilisten polttoaineiden korvaamiseen muualla Runkopuun kasvukäyrä MOTTI simulaattorilla (Hynynen et al. in Metla) (Pirkanmaalainen i männikkö). *Häkkinen T, Wirtanen L (2006), Metlan Joensuun tutkimuskeskuksen ympäristö- ja elinkaarinäkökohtien i arviointi i [Environmental and life cycle assessment of the Finnish i Forest Research Institute s (Metla) research centre in Joensuu]. Espoo 2006. VTT Tiedotteita - Research Notes 2342. 29 p.
17 Estimated average development of stemwood biomass (Scots pine, Southern Finland) as a function of stand age. Statistics not representative beyond 140 years (few samples, uncertainties concerning natural disturbances). 18 Example: Emission from pulse use of MgC of stemwood *763 (=demand for wood building) vs. fossil C pulse at 2010 Final felling at stand age 80 years 763* GWP factors and cumulative C balance of biomass debt and displaced emissions Displacement factor DF = 0.6 Service life of building = 50 years (=underestimate); t demolition wood to bioenergy Warming pb time C payback time *763
19 GWP bio -tekijät runkopuulle (Scots pine) päätehakkuuiän funktiona (katkoviivat kuvaavat suurta epävarmuutta). 20 Mutta? Epävarmuuksia: GWP 100 -kerroin epävarma, ei riittävää tilastollista aineistoa yli 140 vuotiaista metsiköistä Metsätuhojen todennäköisyys vanhoissa metsiköissä Mikä on oikea aikajänne, jolla ilmastonmuutoksen hillintää tulisi tarkastella Myös kokonaan toinen lähestymistapa mahdollinen: Tarkasteltaisiin erilaisia metsäskenaarioita ja poikkeamista nykyisestä ki massa- ja paperiteollisuuteen nojaavasta metsänhoidosta
21 Johtopäätöksiä GWP bio -kertoimista 22 GWP bio -kertoimet lasketaan olettamalla tietty biogeenisten hiilivarastojen kehitys tulevaisuudessa suhteessa oletettuun perusuraan, jonka määrittely voi olla hankalaa. Epävarmuustekijöiden kuten mahdollisten metsätuhojen arviointi vaikeaa. Etuna on, että erilaiset ilmastovaikutuksia aiheuttavat tekijät voidaan diskontata ekvivalentiksi fossiilisen hiilen päästöksi alkuajanhetkellä. llä GWP bio -kertoimet voivat soveltua tulevaisuuteen suuntautuneihin elinkaaritarkasteluihin. Ne eivät sovellu kansallisiin päästöinventaarioihin, jotka perustuvat toteutuneiden päästöjen/nielujen kirjaamiseen jälkikäteen. Jos niitä ruvettaisiin käyttämään esim. EU:n päästökauppajärjestelmässä, johtaisi se inkonsistenssiin Ilmastosopimuksen mukaisen laskennan kanssa.
23 Lisätietoja: IPCC:n pulssivastemalli 24 Supplementary material: Basis of the radiative forcing calculations (1) The decay of the CO 2 pulse in the atmosphere with time t is given* by where a 0 = 0.217, a 1 = 0.259, a 2 = 0.338, a 3 = 0.186, 1 = 172.9 years, 2 = 18.51 years, and 3 = 1.186 years. *The CO 2 response function is estimated based on the revised version of the Bern Carbon cycle model (Bern2.5CC;Joos et al. 2001) using a background CO 2 concentration value of 378 ppm. This approximation is used in IPCC Fourth Assessment Report (AR4), Climate Change 2007: The Physical Science Basis, p. 213.
25 Supplementary material: Basis of the radiative forcing calculations (2) In the calculations a compartment model having the above pulse response was used : C emission 0.217 0.259 0.338 0.186 S0 S1 S2 S3 26 Supplementary material: Basis of the radiative forcing calculations (3) The background GHG concentration CO 2 (t) in was assumed to develop so that the 2 o C stabilisation target 450 ppm eq will be met by 2100. In the study the additive RF due to the emissions was considered.