Liikenteen biopolttoaineiden ympäristövaikutusten arvioinnin haasteet ja epävarmuudet Bioenergian kestävä tuotanto ja käyttö maailmanlaajuisesti Gloener, Sekki ja Biovaiku -hankkeiden loppuseminaari 6.3.2009, Sokos Hotel Vantaa Sampo Soimakallio (VTT), Riina Antikainen (SYKE), Rabbe Thun (MTT)
Tausta Liikenteen biopolttoaineiden käyttö voimakkaassa kasvussa n. 24 Mtoe (2006), n. 10 Mtoe (2000), n. 6 Mtoe (1990) IEA 92-147 Mtoe vuonna 2020 Perinteiset biopolttoaineet hallitsevat markkinoita Toisen sukupolven biopolttoaineet tulossa Voimakkaita tavoitteita biopolttoaineiden käytön edistämiselle (USA, EU, Kiina ja Brasilia) Ilmastonmuutoksen hillintä, öljyriippuvuuden vähentäminen, energiaomavaraisuuden parantaminen, alueellinen työllisyys jne. Kestävyysnäkökulmat nousseet yhä voimakkaammin esiin Kriteeristöt, muutokset tavoitteissa ja maailmanmarkkinoissa? 2
Frames and rules (international and national conventions and organisations) e.g. UN conventions on climate change, biodiversity e.g. UN Agreements on Human Rights e.g. WTO, World Bank, OECD, UN The Sustainability Concept ENVIRONMENT SOCIAL ASPECTS ECONOMIC ASPECTS Categories Climate change Air, water, soil quality Ecotoxicity Human toxicity Biodiversity Human rights Labour rights Property rights Well-being Equity Feasibility Availability Employment Meeting the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs. Brundtland Commission 3
Miten ympäristöllistä kestävyyttä tulisi mitata? Tavoitteena arvioida biopolttoaineiden ympäristövaikutukset kehdosta hautaan Elinkaariarviointi (LCA) työkaluna Lähestymistapa: retrospektiivinen vai prospektiivinen? Tilallinen ja ajallinen systeemirajaus ja vertailukohta? Allokointimenetelmät ja niiden soveltuvuus? Maankäyttövaikutukset ja biodiversiteetti? Tiedon saatavuus, luotettavuus, hallittavuus? Indikaattorit Dimensiot, suhteutus, yhteismitallistaminen? 4
Biopolttoaineketjun määrittely Päästöt ja vaikutukset??? maa-ala raaka-aine Allokointi? Päästöt ja vaikutukset Päästöt ja vaikutukset??? referenssikäyttö, vaikutus? apuenergia kemikaalit yms. sivutuotteet biopolttoaine korvausvaikutus? koneisto laitokset 5
F-T-diesel- ja 2G-etanoliketujen periaatepiirros ja kytkökset Several products (papers, timber products, food, bioethanol, heat...) Impacts on fuel use and emissions (e.g. electricity generation) Wheat Barley Others Demolition wood Metals etc. Chemical pulp Mechanical pulp Plywood Sawn timber Ethanol or Biodiesel Harvesting, drying and storing Straw Cropping residues Reed canary Nutrients Stem wood Residues Meat Thinnings Logging residues Stem wood Stem wood Thinnings Peat Logging residues Peat Logging residues Thinnings Pulp and sawmill residues Stem wood Cropping residues Straw Demolition wood Steam and heat Electricity Reed canary Storing and distribution Natural decay and C-storage Integrated and stand-alone mills Cultivation and fertilisation Impurity removal Forest / natural forest 2nd gen. ethanol or FT-diesel processing Electricity Local energy system Final felling Cultivated land Thinning(s) Side streams Forestry Fallow / pasture Natural decay and C-storage Harvesting, drying and storing Soil improvement - draining - burning Transportation, pretreatments (e.g. chipping) and storing Transport Biogas Biomass Peatland Draining Harvesting, drying and storing Other utilisation (e.g. animal underlay and digestion) Natural growth and decay (carbon storage) Landfilling Felling glade Nutrients Steam and heat Combustion (CHP plants, power Electricity plants and heating Ash Utilisation or Biogas plants) Steam and heat disposal Energy consumption and GHG impacts of required machinery, buildings and feedstocks (e.g. chemicals) Lähde: BIOVAIKU-hankkeen loppuraportti (Soimakallio et al. 2009a) 6
Marginaalivaikutus Land area for biofuel rawmaterial Increased land area for biofuel rawmaterial Land area for e.g. food production Land area for e.g. food production Land area for ecosystem services Reduced land area for ecosystem services Lähde: BIOVAIKU-hankkeen loppuraportti (Soimakallio et al. 2009a) 7
Kestävä palmuöljy? Lähde:www.flickr.com 8
Allokointimenetelmän merkitys 1200 CO 2 emissions from electricity generation 1000 800 600 400 200 0 energy benefit partial benefit product price exergy all for electricity Lähde: BIOVAIKU-hankkeen loppuraportti (Soimakallio et al. 2009a) 9
CASE a) Substituutiovaikutus Mitä korvataan? Soybean meal production Avoided production of oil palms Marginal meal production Palm oil -191 g Soybean meal 1000 g Soybean oil 191 g Palm kemel oil -20 g Palm kemel meal -23 g Marginal meal 17 g Soybean mill Palm kemel mill Soybean meal 5 g Spring barley 12 g Palm oil from mesocarp -171 g Palm kemels -20 g Soybeans 1210 g Palm oil mill Organic residues -630 g Soybean cultivation 4,5 m 2 Fresh fruit brunches -852 g Spring barley cultivation 0,02 m 2 Oil palm cultivation -0,5 m 2 Lähde: Alkup. Dalgaard et al. 2008 10
CASE b) Substituutiovaikutus Mitä korvataan? Soybean meal production Avoided production of rapeseeds Marginal meal production Soybean meal 1000 g Soybean oil 191 g Rapeseed oil -191 g Rapeseed cake -323 g Marginal meal 305 g Soybean mill Rapeseed mill Soybean meal 213 g Spring barley 92 g Soybeans 1210 g Rapeseeds -525 g Soybean cultivation 4,5 m 2 Rapeseed cultivation -1,2 m 2 Spring barley cultivation 0,02 m 2 Lähde: Alkup. Dalgaard et al. 2008 11
0,16 Fischer Tropsch -dieselin vaikutus kasvihuonekaasupäästöihin (C-ekv.) kulutettua biohiiltä kohden fossiilista dieseliä korvattaessa - Parametrien epävarmuus valituilla systeemirajoilla 0,14 F-T diesel (lgr, elec min) F-T diesel (lgr, stand alone) 0,12 0,10 lgr = logging residues rcg = reed canary grass Probability 0,08 0,06 0,04 F-T diesel (lgr, biomass min) 0,02 F-T diesel (rcg, biomass min) 0,00-200 % -150 % -100 % -50 % 0 % 50 % 100 % 150 % 200 % -0,02 Lähde: Soimakallio et al. 2009b C-eq./C bio Tarvittavan lisäsähkön tuotannon päästöt (jos biomassan määrä minimoitu) ja maaperän hiilivaraston pieneneminen (jos lisäsähkön määrä minimoitu) merkittävimmät epävarmuutta aiheuttavat parametrit 12
Fischer Tropsch -dieselin vaikutus kasvihuonekaasupäästöihin fossiilista dieseliä korvattaessa systeemirajojen epävarmuus? Raaka-aineen referenssikäyttö Käyttääkö biojalostamo vain raaka-ainetta, joka olisi muussa tapauksessa jätetty lahoamaan palstalle? Entä olemassa olevat ja tulevat CHP-laitokset? Muutokset puun hakkuumäärissä ja -ajankohdissa Lisääntyvätkö hakkuut? Muutokset puu-turve-poolissa Lisääntyykö turpeen käyttö? 13
Biopolttoaineiden ympäristövaikutusarvioinnin kriittiset tekijät Paikkasidonnaisuus Maaperään liittyvien prosessien epävarmuus Epäsuorien vaikutusten tunnistaminen, kvantifiointi ja kohdentaminen Pää- ja sivutuotteiden substituutiovaikutukset Luotettavan tiedon puute uusista teknologioista (raaka-aineet, prosessit, tuotteet) Aikajänteet (erityisesti ilmastonmuutoksen hillintä) Indikaattorit 14
Johtopäätökset (1) Biomassalla erilaisia käyttökohteita enemmän ja vähemmän kestäviä Kestävyyden objektiivinen mittaaminen on kuitenkin hyvin hankalaa tai jopa mahdotonta kompromisseja Ilmastonmuutoksen hillinnässä biomassalla kolmenlaisia rooleja substituutio, suojelu, varastointi Biopolttoaineiden ilmastollinen kestävyys riippuu ilmastonmuutoksen muun hillinnän onnistumisesta 15
Johtopäätökset (2) LCA:ssa erilaisia perspektiivejä ja käyttötarkoituksia oikeudenmukaisuus vs. todelliset vaikutukset Liian kapea ketjukohtainen tarkastelu ei havaitse todellisia systeemivaikutuksia, liian laajassa erottelukyky huononee tai katoaa molempia väistämättä tarvitaan Tulokset riippuvat täysin oletuksista epävarmuus- ja herkkyystarkastelut sekä tulosten ymmärtäminen keskeistä Markkinamekanismien ja niitä ohjaavien reunaehtojen vaikutusten ymmärtäminen avainasemassa Kokonaisoptimointia tarvitaan sekä biomassan eri käyttökohteiden välillä että eri ympäristövaikutusten pienentämisessä ja niiden arvottamisessa 16
Kiitos! Lisätietoja: Sampo Soimakallio (sampo.soimakallio@vtt.fi) Riina Antikainen (riina.antikainen@ymparisto.fi) Rabbe Thun (rabbe.thun@mtt.fi) Soimakallio, S., Antikainen, R., Thun, R. (main authors & editors), Aakko-Saksa, P., Asikainen, A., Grönroos, J., Holma, A., Honkatukia, J., Kaustell, S., Kirkinen, J., Kontturi, M., Koponen, K Pasanen, K., Pahkala, K., Peltola, S., Pingoud, K., Seppälä, J., Tsupari, E., Usva, K. (contributors) 2009. Assessing the sustainability of liquid biofuels from evolving technologies A Finnish approach. VTT Research Notes XXXX (in press) 17