Suurten polttolaitosten vetykloridin (HCl) ja ammoniakin (NH 3 ) BAT-päästötasojen terveysja ympäristövaikutukset 29.1.2015 Katja Lovén, Asiantuntijapalvelut, Ilmatieteen laitos Asiantuntijat: Virpi Tarvainen, Birgitta Komppula, Ulla Makkonen, Hanna Hannuniemi, ja Hannele Hakola
Työn sisältö Taustaa yhdisteistä HCl ja NH 3 Lainsäädäntö Ympäristö- ja terveysvaikutukset Päästöjä Suomessa Pitoisuustasot Suomessa Päästövaikutusarvio leviämismallilaskelmin Johtopäätöksiä Kuva: Pia Anttila 28/01/2015 2
Työn tausta Nykyisen ilmanlaatutilanteen kartoittaminen vetykloridin (HCl) ja ammoniakin (NH 3 ) osalta Suurten polttolaitosten BAT-päästötasojen vaikutuksen arviointi päästöjen aiheuttamiin terveys- ja ympäristövaikutuksiin. Uusi ympäristönsuojelulaki on annettu 27.6.2014 astui voimaan 1.9.2014 Uuden lain myötä BAT-määräyksistä tulee sitovia ja pääsääntöisesti laitosten päästötasot määräytyvät BREF-asiakirjan päätelmien mukaisesti. lakiin sisältyy mahdollisuus poiketa BAT-päästötasosta, mikäli ne johtaisivat kohtuuttoman korkeisiin kustannuksiin verrattuna saavutettaviin ympäristöhyötyihin laitoksen maantieteellisen sijainnin tai teknisten ominaisuuksien taikka paikallisten ympäristöolojen vuoksi. Suurten polttolaitosten BREF-asiakirja on valmisteilla. Asiakirjaluonnoksessa on esitetty päästötasot vetykloridille ja ammoniakille, jotka ovat vetykloridin osalta huomattavasti nykyisiä BAT- tasoja matalampia. 28.1.2015 3
Vetykloridi (HCl) Vetykloridi (HCl) on vesiliukoinen, väritön tai heikosti kellertävä syövyttävä kaasu, jolla on pistävä, ärsyttävä haju. Veteen liuetessaan se muodostaa suolahappoliuoksen Vetykloridin viipymisaika alailmakehässä on noin 4 päivää Reaktiiviset klooriyhdisteet ovat tärkeitä sateen happamoitumisen, korroosion, kasvien lehtien vaurioitumisen ja ilmakemian tutkimuksessa Ympäristövaikutukset liittyvät maaperän ja vesistöiden happamoitumiseen, HCl:n happamoittamispotentiaali (0,88kg SO 2 -ekvivalenttia/kg) on SO 2 pienempi (1,0) Monia klooria sisältäviä kaasumaisia yhdisteitä on vaikea mitata Klooriyhdisteiden pitoisuuden on oletettu jatkuvasti kasvavan nopeasti kehittyvien maiden kaupunkialueilla 28.1.2015 4 Kuva: A. Hyvärinen Kuva: H. Pietarila Kuva: R. Hillamo
Päästölähteet (HCl) HCl-kaasua tulee ilmakehään enemmän luonnollisista lähteistä kuin ihmistoiminnasta Luonnon lähteitä; merisuolasta haihtuminen (70 % kaikista päästöistä), merilevät ja tulivuoret Tärkeä ihmistoimien aiheuttama vetykloridin ilmakehäpäästöjen lähde on sen vapautuminen fossiilisista polttoaineista; Öljypohjaisissa polttoaineissa klooriyhdisteitä on niin vähän, että niitä ei juuri huomioida Hiilen polttamisessa vetykloridia ja metyylikloridia sitä vastoin vapautuu paljon Myös biomassan ja jätteenpoltto aiheuttaa vetykloridin päästöjä 28.1.2015 5 Kuva: T. Heinonen Kuva: M. Kalakoski Kuva: P. Anttila
Päästöt Suomessa (HCl) Mukana yhteensä n. 70-80 toiminnanharjoittajaa, joista n. 40 energiantuotantolaitosta, - (osuus n.80-90% päästöistä ) 28.1.2015 6 Lähde: SYKE, VAHTI-tietokanta
Lainsäädäntö (HCl) Ei Ilmanlaadun raja- tai ohjearvoja HCl:lle Työterveyteen liittyvää lainsäädäntöä: Kaasumaiselle vetykloridille on asetettu työskentelyolosuhteisiin liittyviä pitoisuussuosituksia ainakin EU:n alueella, Englannissa ja yhdysvalloissa Suomessa STM arvioi työntekijöiden hengitysilman epäpuhtauksille pienimmät pitoisuudet (haitallisiksi tunnetut pitoisuudet, eli HTP-arvot). Yhdysvaltain haitallisten aineiden akuutteihin altistuksiin liitettäviä suojelevia pitoisuustasoja pohtiva kansallinen neuvoa antava komitea esittää kolmea pitoisuustasoa (Acute Exposure Guideline Levels, AEGL 1-3), joilla myrkyllisille kaasuille altistumista voidaan luokitella 28.1.2015 7
Terveysvaikutukset (HCl) HCl on jo alhaisilla pitoisuuksilla ylähengitysteitä ärsyttävä kaasu, suuremmilla pitoisuuksilla voi vahingoittaa myös alempia hengitysteitä. Veteen liukenevan vetykloridin vesiliuos on erittäin syövyttävää. Vetykloridikaasulle altistuminen voi aiheuttaa silmien, ihon ja limakalvojen syöpymistä Altistuminen nielemällä voi syövyttää limakalvoja, ruokatorvea tai vatsaa ja ihokosketus voi aiheuttaa vakavia palovammoja, haavautumia tai arpeutumista. Kroonisen työperäisen vetykloridille altistumisen on raportoitu aiheuttaneen työntekijöille mahakatarria, kroonista keuhkoputken tulehdusta, ihotulehduksia ja valolle herkistymistä. Hyvin pitkäaikainen altistus voi myös aiheuttaa hampaiden värjäytymistä ja murenemista. Vetykloridia ei ole luokiteltu syöpää aiheuttavaksi 28.1.2015 8
Pitoisuustasot (HCl) Mittausaineisto saatavilla puutteellisesti Englannissa HCl vuosikeskiarvot olivat: vuonna 2002: 0,08 0,27 ppb (0,12 0,42 µg/m 3 ), vuonna 2013: 0,09 0,35 ppb (0,14 0,53 µg/m 3 ). Suomessa vuosina 2009 2011 mitatut HClpitoisuudet olivat Helsingissä (0,03 ppb = 0,05µg/m 3 ) Hyytiälässä (0,01 ppb = 0,02µg/m 3 ) HCl päästöjen on arvioitu vähentyneen Englannissa 1970 2000 noin 75 %, kun hiilen käyttö väheni ja voimalaitoksille asennettiin palokaasujen rikinpoisto vuoden 1993 jälkeen SO 2 -päästöjä vähennettiin merkittävästi myös Suomessa 90- luvulla lainsäädännön tiukentuessa Rikinpoisto vähentää vetykloridin päästöjä jopa 90 % tai enemmänkin 28.1.2015 9
Mittauksia Suomessa (HCl ja NH 3 ) Kuva: Helsingin yliopisto Hyytiälän SMEAR II mittausasema (2010-2011) Kumpulan SMEAR III mittausasema (2009-2010) 28.1.2015 10
Mittauksia Suomessa (HCl) Hyytiälässä 2010-2011 mitatut pitoisuudet Kumpulassa 2009-2010 mitatut pitoisuudet 28.1.2015 11
Mittauksia Suomessa (HCl) Hyytiälä 2010-2011 kesäkuuhuhtikuu HCl ppb Kumpula 2009-2010 0.009±0.025 marrastoukokuu HCl ppb 0.034±0.094 kesäkuu 0.012±0.011 marraskuu 0.006±0.014 heinäkuu 0.008±0.007 joulukuu 0.013±0.033 elokuu 0.010±0.016 tammikuu 0.035±0.057 syyskuu - helmikuu 0.074±0.130 lokakuu 0.003±0.010 maaliskuu 0.061±0.165 marraskuu 0.001±0.002 huhtikuu 0.014±0.045 joulukuu 0.001±0.002 toukokuu 0.027±0.052 tammikuu 0.008±0.032 helmikuu 0.015±0.031 maaliskuu 0.014±0.043 Suomessa mitatut pitoisuustasot hyvin pieniä esim. englannissa mitattuihin verrattuna, pitoisuudet Hyytiälässä lähellä määritysrajaa HCl-pitoisuudet olivat Helsingissä keskimäärin kolme kertaa suurempia kuin Hyytiälässä johtuen meren vaikutuksesta ja fossiilisia polttoaineita käyttävistä päästölähteistä. Kummassakin mittauspisteessä korkeimmat pitoisuudet mitattiin talvella helmi-maaliskuussa. huhtikuu 28.1.2015 0.009±0.020 12
Ammoniakki (NH 3 ) 28.1.2015 13
Ammoniakki (NH 3 ) Ammoniakki (NH 3 ) on rikkidioksidin (SO 2 ) ja typen oksidien (NO X ) ohella yksi niistä kolmesta merkittävästä ilmansaasteesta, jotka ovat happamoittavan laskeuman tärkeimpiä aiheuttajia. SO 2 -päästöjen vähentyminen Euroopassa on nostanut NH 3 ja NOx keskeisiksi happamoitumista aiheuttaviksi yhdisteiksi. Rehevöittämisvaikutukset ekosysteemeissä ovat tuoneet sen tieteellisen keskustelun ja huomion kohteeksi Ammoniakin viipymisajaksi alailmakehässä arvioidaan noin 10 päivää ja tyypilliset ammoniakin pitoisuudet mantereilla ovat luokkaa 0,1 10 ppb (0,07-7,1 µg/m 3 ) Typpiyhdisteiden yhteiskunnallisiksi uhkiksi on Euroopassa nimetty vaikutukset veden laatuun, ilmanlaatuun, kasvihuonepäästöjen tasapainoon, ekosysteemeihin, luonnon monimuotoisuuteen ja maa-aineksen laatuun 28.1.2015 14
Päästölähteet (NH 3 ) NH 3 -päästöjen lähteitä: eläinten eritteet, typpeä sisältävien lannoitteiden käyttö, valtameret, biomassan poltto, viljelys, luonnontilassa olevat maa-alueet, teolliset prosessit ja fossiiliset polttoaineet Euroopassa ammoniakkipäästöjen tärkein lähde on maatalous (karjanhoito + lannoitteet) Kun menetelmä typen tuottamiseksi maanviljelyksen, teollisuusprosessien ja sotatarvikkeiden tarpeisiin keksittiin, se yhdessä fossiilisten polttoaineiden käytön kanssa lisäsivät reaktiivisen typen määrän kaksin- tai kolminkertaiseksi luonnon lähteisiin verrattuna 28.1.2015 15 Kuva: E. Vallinheimo Kuva: K. Lovén Kuva: E. Vallinheimo
Päästöt Suomessa (NH 3 ) Valtioneuvoston v. 2002 hyväksymässä ilmansuojeluohjelmassa arvioitiin, 85 % Suomen ammoniakkipäästöistä on peräisin kotieläintaloudesta, 8 % turkistarhauksesta, 5 % väkilannoitteiden käytöstä ja noin 1 % metsäteollisuuden prosesseista. Suomen ammoniakkipäästöiksi on arvioitu noin 35 000 tonnia (NH 3 -päästökattoa 31 kilotonnia vuodessa ei ole saavutettu sen voimaantulon jälkeen (2010). Energia-alan osuudeksi ammoniakin kokonaispäästöistä vuonna 1990 on arvioitu 0,002 % ja vuonna 2010 0,007 %. Päästöarvion epävarmuudeksi on arvioitu 80 % 28.1.2015 16
Päästöt Suomessa (NH 3 ) Lähde: SYKE 28.1.2015 17
28.1.2015 18
Lainsäädäntö (NH 3 ) Päästökattodirektiivi, eli Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2001/81/EY tiettyjen ilman epäpuhtauksien kansallisista päästörajoista Göteborgin vuoden 1999 pöytäkirja (moniaine-monivaikutuspöytäkirja) YK:n kansainvälinen kaukokulkeutumissopimus (Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, CLRTAP) Göteborgin pöytäkirjassa määritellyt päästörajat ovat osin samoja kuin päästökattodirektiivissä asetetut, mutta ne voivat olla myös sitä lievempiä. Suomelle määritelty päästöraja ammoniakille vuoteen 2010 mennessä on 31 000 tonnia vuodessa Yhtenäistetty ympäristön pilaantumisen ehkäiseminen ja vähentäminen, eli Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2010/75/EU teollisuuden päästöistä Direktiivissä EU määrittelee velvoitteet, joita paljon saastuttavien teollisuudenalojen on noudatettava, jotta ilman, vesien tai maaperän saastumiselta vältyttäisiin Paljon saastuttavia teollisuuden aloja ovat energia-alan teollisuus (mm. 50 MW polttolaitokset), metallien tuotanto ja jalostus, mineraaliteollisuus, kemian teollisuus, jätehuolto, karjankasvatus jne. Lisäksi EU:ssa on muita säädöksiä, jotka vaikuttavat ammoniakin päästöihin lähinnä maanviljelykseen liittyvissä toiminnoissa. 28.1.2015 19
Lainsäädäntö (NH 3 ) Ilmanlaatuun liittyviä raja- tai ohjearvoja NH 3 :lle ei ole löytynyt Työterveyteen liittyvää lainsäädäntöä: Ammoniakille on asetettu työskentelyolosuhteisiin liittyviä pitoisuus-suosituksia ainakin EU:n alueella, Englannissa ja yhdysvalloissa Suomessa STM arvioi työntekijöiden hengitysilman epäpuhtauksille pienimmät pitoisuudet (haitallisiksi tunnetut pitoisuudet, eli HTP-arvot). Yhdysvaltain haitallisten aineiden akuutteihin altistuksiin liitettäviä suojelevia pitoisuustasoja pohtiva kansallinen neuvoa antava komitea (National Advisory Committee for Acute Exposure Guideline Levels for Hazardous Substances, NAC) esittää kolmea pitoisuustasoa (Acute Exposure Guideline Levels, AEGL 1-3), joilla myrkyllisille kaasuille altistumista voidaan luokitella 28.1.2015 20
Terveysvaikutukset (NH 3 ) Ilmassa normaalisti esiintyviä kaasumaisia ammoniakkipitoisuuksia ei pidetä haitallisina. Terveysvaikutukset epäsuoria, koska niitä aiheuttavat todennäköisimmin muodostuneet hiukkaset. Altistuminen suurille pitoisuuksille aiheuttaa ärsytystä hengitysteissä, silmissä ja mahdollisesti myös iholla. Altistunut henkilö voi saada hengenahdistusta, kyynelvuotoa ja yskimistä. Hengitysteiden ärsytys ja haittavaikutus voi alkaa jo 20 25 ppm (14 18 mg/m 3 ) pitoisuuksista. Välittömästi voimakkaasti ärsyttävä pitoisuus on 400 700 ppm (280 500 mg/m 3 ). Altistuminen yli 5 000 ppm (3 600 mg/m 3 ) pitoisuuksille lyhytaikaisesti voi aiheuttaa kuoleman kurkunpään turvotuksen tai keuhkopöhön vuoksi. 28.1.2015 21
Ympäristövaikutukset (NH 3 ) Ammoniakkia voidaan pitää reaktiivisen typen ensisijaisena muotona ympäristövaikutuksia ajatellen Ympäristöön joutuva ammoniakki voi vaikuttaa: metsien hyvinvointiin, happamoittaa pintavesiä, lisätä merien ekosysteemien tuottavuutta, vaikuttaa rehevöitymiseen lisää ilmakehän kasvihuonevaikutusta muodostamalla typpioksiduulia Kuva: Hannu Manninen 28.1.2015 22
Pitoisuustasot (NH 3 ) Ammoniakkia ei jatkuvatoimisesti seurata ilmanlaatumittauksin Suomessa. Englannissa ammoniakin pitoisuuksia on mitattu vuoden 1996 jälkeen. 2000- luvun alussa pitoisuuksien vuosikeskiarvot olivat välillä 0,003 63 ppb (0,002 45 µg/m 3 ) Suomessa vuosina 2009 2011 mitatut NH 3 -pitoisuudet olivat Helsingissä (0,26 ppb =0,19 µg/m 3 ) ja Hyytiälässä (0,18 ppb =0,13 µg/m 3 ). 28.1.2015 23 Hyytiälä Helsinki
Hyytiälä 2010-2011 kesäkuuhuhtikuu NH 3 ppb Kumpula 2009-2010 0.176±0.242 marrastoukokuu NH 3 ppb 0.259±0.399 kesäkuu - marraskuu 0.747±0.454 heinäkuu 0.471±0.365 joulukuu 0.137±0.165 elokuu 0.305±0.292 tammikuu 0.048±0.140 syyskuu 0.091±0.038 helmikuu 0.016±0.010 lokakuu 0.130±0.099 maaliskuu 0.064±0.085 marraskuu 0.081±0.035 huhtikuu 0.337±0.304 joulukuu 0.045±0.017 toukokuu 0.561±0.618 tammikuu 0.048±0.021 helmikuu 0.043±0.030 maaliskuu 0.100±0.121 Mittauksia Suomessa (NH 3 ) NH 3 -pitoisuudet olivat Helsingissä (0,26 ppb= 0,18 µg/m 3 ) lähes samaa luokkaa kuin Hyytiälässä (0,18 ppb= 0,13µg/m 3 ). Kummassakin mittauspisteessä pitoisuudet olivat yleensä hyvin matalia talven kylmimpään aikaan pitoisuudet nousivat kesällä maan sulaessa ja lämpötilan kohotessa. NH 3 on pääasiassa peräisin maataloudesta Pitoisuudet nousevat, kun ilmat lämpenevät ja maanviljely maanmuokkauksineen ja kevätlannoituksineen alkaa. Esim. lannoitekasoista pääsee ilmaan enemmän ammoniakkia kuumina päivinä huhtikuu 28.1.2015 0.118±0.099 24
Päästövaikutusarvio mallilaskelmin Päästötiedot Päästöjen laskenta Päästöaikasarja Meteorologiset tiedot Meteorologisten tietojen käsittelymalli Meteorologinen aikasarja Leviämismalli Pitoisuuksien tunneittainen aikasarja Tilastollinen käsittely Tilastolliset tunnusluvut Graafinen käsittely Alueelliset pitoisuusjakaumat Muut lähtötiedot Paikkatiedot Tarkastelupisteet Teoreettinen maksimipäästötarkastelu HCl + NH 3 Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin: keskisuurten (50 200 MW) polttolaitosten ja suurten (> 200 MW) polttolaitosten Mallilaskelmat tehtiin kahdelle eri laitoskoolle ja kolmelle eri piipun korkeudelle 80 m, 100 m ja 120 m. Kummallekin laitosvaihtoehdolle mallinnettiin kaksi eri piipunkorkeutta ja kolme eri päästötasoa vetykloridi ja ammoniakkipäästöille; arvio nykyisestä päästötasosta, BAT BREF 2006 päästötaso ja BAT BREF 2013 päästötaso. Mallilaskelmien avulla tarkasteltiin eri päästötasojen erojen vaikutusta ympäristön epäpuhtauspitoisuuksiin. 28.1.2015 25
Päästövaikutusarvio (HCl) 55 astetta, keskisuuri polttolaitos Suomessa vuosina 2009 2011 mitatut HCl-pitoisuudet olivat Helsingissä (0,03 ppb = 0,05 µg/m 3 ) ja Hyytiälässä (0,01 ppb = 0,02µg/m 3 ) 55 astetta, suuri polttolaitos Vuonna 2013 HCl vuosikeskiarvot Englannissa 30 eri asemalla ovat vaihdelleet välillä 0,09 0,35 ppb (0,14 0,53 g/m 3 ) Terveysvaikutusperusteet: UK - 2mg/m3 8h keskiarvo (työsuojelu) HTTP 7,6 mg/m3 AEGL 2,7 mg/m3 28.1.2015 26
keskisuuri suuri 28.1.2015 27
Päästövaikutusarvio (NH 3 ) 55 astetta, keskisuuri polttolaitos 55 astetta, suuri polttolaitos Suomessa vuosina 2009 2011 mitatut NH 3 -pitoisuudet olivat Helsingissä (0,26 ppb = 0,19 µg/m 3 ) ja Hyytiälässä (0,18 ppb =0,13 µg/m 3 ). Englannissa 2000-luvun alussa ammoniakin pitoisuuksien vuosikeskiarvot olivat välillä 0,003 63 ppb (0,002 45 µg/m 3 ) Terveysvaikutusperusteet: EU - 14mg/m3 8h keskiarvo (työsuojelu) HTP 14 mg/m3 AEGL 21 mg/m3 Hajukynnys 5 50 ppm (3,6-36 mg/m3) 28.1.2015 28
keskisuuri suuri 28.1.2015 29
Kiertoleijuteknologiakattiloiden NH 3 päästöjä Lähde: Valmet 28.1.2015 30
Johtopäätökset Mitattua tietoa HCl:stä ja NH 3 :sta vain vähän saatavilla. Lainsäädäntöä ulkoilman HCl ja NH 3 pitoisuuksille ei ole VAHTI-järjestelmän päästötiedot vain viitteellisiä Mitatut HCl-pitoisuudet ovat suurimman osan ajasta hyvin lähellä määritysrajaa. Pitoisuuksiin vaikuttaa merkittävästi luonnolliset lähteet, kuten merisuola, mutta myös talven lämmityskautena selvästi energiantuotannon päästöt. Helsingissä mitatuista HCl-pitoisuuksista nähtävissä energiantuotannon vaikutus verrattuna Hyytiälän mittauksiin. NH 3 -pitoisuuksiin vaikuttaa merkittävimmin maatalouden päästöt ja pitoisuudet ovatkin korkeimmillaan, kun ilmat lämpenevät ja maanviljely maanmuokkauksineen ja kevätlannoituksineen alkaa. Energiantuotannon osuus (0,007%) NH 3 -kokonaispäästöistä on erittäin pieni 28.1.2015 31
Johtopäätökset Energiantuotannon päästöjen vaikutus ei ole havaittavissa Kumpulassa tehdyissä NH 3 -pitoisuusmittauksissa verrattuna Hyytiälän mittaustuloksiin. Energiantuotantolaitosten nykyiset päästöpitoisuustasot HCl:lle ja NH 3 :lle aiheuttavat korkeimmillaan taustapitoisuuden suuruisen lisän pitoisuustasoihin päästölähteen lähiympäristössä BAT-päästötasoilla on päästöjen aiheuttamia pitoisuuksia pienentävä vaikutus nykytilanteeseen verrattuna, mutta niiden avulla saavutettavat ympäristöhyödyt jäävät varsin vähäisiksi nykytilanteen pienistä pitoisuustasoista johtuen Suositeltavaa olisi varmistaa kattavin päästömittauksin tutkimuksessa arvioitujen nykyisten päästöpitoisuuksien oikeellisuus 28.1.2015 32
Kiitos! Katja Lovén Finnish Meteorological Institute ERIK PALMÉNIN AUKIO 1 FI-00560 HELSINKI Tel. +358 9 1929 5449, katja.loven@fmi.fi www.fmi.fi 28.1.2015 33