Ari Lampinen B Uusiutuvan liikenne-energian tiekartta Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu
Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulun julkaisuja B: 17 Uusiutuvan liikenne-energian tiekartta Ari Lampinen Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu Joensuu 2009 1
Julkaisusarja B: 17 Vastaava toimittaja Kirjoittaja Sivuntaitto Kansi Kannen kuva YTT Anna Liisa Westman Ari Lampinen Tampereen Yliopistopaino Juvenes Print Oy Olga Pletcheva Nina Määttä Tampereen Yliopistopaino Juvenes Print Oy Ari Lampinen ISBN 978-951-604-100-4 ISBN 978-951-604-101-1 (pdf) ISSN 1797-3821 ISSN 1797-383X (pdf) Copyright Paino Ari Lampinen Tampereen Yliopistopaino Juvenes Print Oy, Tampere 2009 441 729 Painotuote 2
Valokuvat: Ari Lampinen (ellei muuta ole kuvatekstissä mainittu). Kuvanottovuosi on merkittynä kuvatekstin lopussa. Kansikuvat: 1. Lihasvoiman käyttöä energiapuun kuljetuksessa Nepalissa. Kävelijän molemmilla puolilla makaa puhveleita, jotka toimivat eläinvoiman lähteenä ja tuottavat lantaa biokaasureaktoreiden raaka-aineeksi. [1995] 2. Turun Rautateollisuus ja Vaunutehdas Oy:n valmistama puukäyttöinen Kullervo-lokomobiili vuosimallia 1911 sekä IVO:n 1980-luvun prototyyppisähköauto tekniikan museossa Helsingissä. [2006] 3. Nantes n kaupungissa 1800-luvun lopulla käytössä ollut paineilmaraitiovaunu Pariisin liikennetekniikan museossa. [2007] 4. Transrapidin magneettinen MAGLEV-leijujuna Speyerin teknologiamuseossa Saksassa. [2007] 5. Brasilialaisen Embraer-yhtiön sarjavalmistuksessa oleva etanolikäyttöinen (E100) Ipanema-merkkinen lentokone. [ Embraer 2004]. 6. Biodieselin kuljetukseen tarkoitettu kalifornialaisen biodieselosuuskunna biodieselkäyttöinen (B100) tankkiauto uusiutuvan energian messutapahtumassa Hoplandissa Kaliforniassa. [2004] 7. Tukholman liikenteen (SL) biokaasukäyttöinen (CBG100) Volvo-bussi (vasemmalla) ja polttokennolla varustettu vetykäyttöinen (CH100) MBbussi (oikealla) bussivarikolla. [2005] 8. Ruotsissa liikennöivä biokaasukäyttöinen (CBG100) juna Linköpingin asemalla. [2006] 3
4
Bensan puute! Se saa miehen kyyneliin! - Kenraali (myöh. marsalkka) Erwin Rommel kirjeessä vaimolleen Pohjois-Afrikan sodan aikana vuonna 1942 (Yergin 1991) 5
6
ESIPUHE Tämä julkaisu on ensimmäinen suomenkielinen yleisesitys uusiutuvien energiamuotojen käyttömahdollisuuksista liikenteessä. Tarkoituksena on palvella sekä yleistä tiedon tarvetta tällä alalla kansallisesti että erityisesti valmisteilla olevaa uusiutuvien liikenteen energiamuotojen koulutus- ja tutkimushanketta Pohjois-Karjalassa. Julkaisu on tehty osana Pohjois-Karjalan maakuntaliiton tulevaisuusrahaston rahoittamaa hanketta Liikennebiokaasun ja muiden liikenteen uusiutuvien energialähteiden ja investointien kehittämishanke osa 1: valmisteluvaihe. Tulevaisuusrahaston lisäksi hanketta rahoittivat Joensuun Seudun Jätehuolto Oy, Kontiolahden kunta sekä Joensuun Seudun Kehittämisyhtiö Josek Oy. Pohjois-Karjalan Ammattikorkeakoulu toimi hankepartnerina ja Pohjois-Karjalan Ammattikorkeakoulun koordinoima Pohjoisen periferiaohjelman MicrE-hanke osallistui tämän julkaisun rahoittamiseen. Hankkeen ohjausryhmässä olivat Erkki Kettunen (pj.) Joensuun Seudun Jätehuolto Oy:stä, Pasi Pitkänen Pohjois-Karjalan maakuntaliitosta, Kimmo Kurkko Josek Oy:stä, Antti Suontama Kontiolahden kunnasta ja Ville Kuittinen Pohjois-Karjalan Ammattikorkeakoulusta. Hankkeen hallinnoija ja toteuttaja oli Joensuun Seudun Jätehuolto Oy. Projektipäällikkönä toimi Ari Lampinen ja projektisihteerinä Anu Laakkonen. Elokuussa 2009 Ari Lampinen 7
8
SISÄLTÖ ESIPUHE... 7 1. JOHDANTO... 17 2. LIIKENTEEN ENERGIANLÄHTEIDEN HISTORIALLINEN TIEKARTTA...21 2.1. I SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: RUOKA (2.000.000 eaa)... 23 2.1.1 Lihas...25 2.2. GRAVITAATIO (2.000.000 eaa)...27 2.3. VESIVOIMA (60.000 eaa)...28 2.4. VUOROVESIVOIMA (60.000 eaa)...30 2.5. MERIVIRTAVOIMA (60.000 eaa)...31 2.6. II SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: REHU (6000 eaa)...32 2.7. TUULIVOIMA (3500 eaa)...34 2.7.1. Vesiliikenne...34 2.7.2. Ilmaliikenne...36 2.7.3. Maaliikenne...42 2.7.4. Avaruus-, planeetta- ja kuuliikenne...43 2.8. MAAPALLON LIIKE-ENERGIA (3000 eaa)...44 2.9. III SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: RUUDIT (900-LUKU)... 45 2.9.1. Rakettimoottori...45 2.9.1.1 Kiinteät rakettipolttoaineet (ruudit)...49 2.9.1.2. Nestemäiset rakettipolttoaineet...49 2.9.1.3. Kaasumaiset rakettipolttoaineet...51 2.9.1.4. Plasma...52 2.9.1.5. Aurinkovoima ja ydinvoima...52 2.9.1.6. Antimateria...53 2.9.2. Ruudit muissa moottorityypeissä...53 2.10. MEKAANINEN VOIMA (1600-luku)...54 2.11. IV SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: PUU JA PUUHIILI (1700-LUKU)...56 2.11.1. Höyrykone...59 2.11.2. Kuumailmakoneet ja kuumakaasukoneet...65 2.11.3. Höyryturbiini...67 2.11.4. Muihin kiertoaineisiin perustuvat koneet ja turbiinit...69 2.12. V SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: ELÄIN- JA IHMISPERÄISET KIINTEÄT BIOPOLTTOAINEET (1800-LUKU)... 70 2.13. KIVIHIILI, KOKSI JA TURVE (1700-LUKU)...70 2.14. VI SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: VETY (1700-LUKU)...75 2.14.1. Polttomoottori...77 2.14.1.1. Atmosfääriset...77 2.14.1.2. Paineistetut 4-tahtiset kipinäsytytteiset...79 2.14.1.3. Paineistetut 2-tahtiset kipinäsytytteiset...82 2.14.1.4. Puristussytytteiset...84 2.14.1.5. Kiertomäntämoottorit...87 2.14.2. Polttokenno...88 9
2.15. VII SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: PUUKAASU JA MUUT TERMISELLÄ KAASUTUKSELLA VALMISTETTAVAT BIOMASSAKAASUT (1800-LUKU)...91 2.15.1. Kaasuturbiini...102 2.15.2. Suihkumoottorit...104 2.16. VIII SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: TÄRPÄTTI, TERVA, HARTSI JA PYROLYYSIÖLJY (1800-LUKU)...108 2.17. IX SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: ETANOLI TÄRKKELYS- JA SOKERIKASVEISTA (1800-LUKU)... 110 2.18. X SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: METANOLI (1800-LUKU)... 119 2.19. XI SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: ELÄINRASVAT JA KASVIÖLJYT (1800-LUKU)...121 2.20. SÄHKÖ (1800-LUKU)...123 2.20.1. Sähkömoottori, -akku ja kondensaattori...131 2.20.2. Hydraulimoottori ja -akku...134 2.20.3. Sähköhybridit...134 2.20.4. Sähköinen viestintä...137 2.21. PNEUMAATTINEN VOIMA (1800-LUKU)...138 2.21.1. Paineilma-ajoneuvot...138 2.21.2. Alipaineajoneuvot...141 2.21.3. Painehöyryajoneuvot...141 2.21.4. Painekaasuajoneuvot...142 2.22. XII SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: NESTEMÄISET EETTERIT (1800-LUKU)...143 2.23. LÄMPÖAKUT (1800-LUKU)...144 2.24. RAAKAÖLJY, ÖLJYLIUSKE JA ÖLJYHIEKKA (1800-LUKU)...146 2.25. XIII SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: ETANOLI LIGNOSELLULOOSAKASVEISTA (1800-LUKU)...148 2.25.1. Vahvahappohydrolyysi...148 2.25.2. Sulfi ittisellulipeä...149 2.25.3. Heikkohappohydrolyysi...156 2.25.4. Entsyymihydrolyysi...157 2.26. EPÄORGAANISET POLTTOAINEET (1800-LUKU)...158 2.27. XIV SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: TERMINEN BIOMETAANI (1800-LUKU)...160 2.28. XV SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: SYNTEETTINEN BIOBENSIINI (1900-LUKU)...162 2.28.1. Synteettiset heterogeeniset polttoaineet...162 2.28.2. Suora nesteytys...164 2.28.3. Kaasutuspohjaiset prosessit...165 2.29. XVI SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: SYNTEETTINEN BIODIESEL (1900-LUKU)...166 2.30. XVII SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: SYNTEETTINEN BIOPETROLI (1900-LUKU)...167 2.31. XVIII SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: SYNTEETTINEN BIOKEROSIINI (1900-LUKU)...168 2.32. XIX SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: SYNTEETTINEN BIONESTEKAASU (1900-LUKU)...168 10
2.33. XX SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: PROPANOLI, BUTANOLI JA MUUT KORKEAMMAT ALKOHOLIT (1900-LUKU)...169 2.34. XXI SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: BIODIESEL (1900-LUKU)...170 2.35. MAAKAASU JA MUUT FOSSIILISET METAANIRESURSSIT (1900-LUKU)... 173 2.36. XXII SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: BIOKAASU (1900-LUKU)...175 2.37. YDINVOIMA (1900-LUKU)...178 2.38. AURINKOENERGIA (1900-LUKU)...180 2.39. FOTONIVOIMA JA AURINKOTUULIVOIMA (1900-LUKU)...181 2.40. MAGNETISMI (1900-LUKU)...183 2.40.1. MAGLEV-tekniikka...183 2.40.2. MHD-moottori...185 2.40.3 Maan magneettikentän voima...185 2.41. XXIII SUKUPOLVEN LIIKENNEBIOPOLTTOAINEET: BIO-DME (2000-LUKU)... 185 2.42. AALTOVOIMA (2000-LUKU)...186 3. LIIKENTEEN BIOPOLTTOAINEET JA MUUT UUSIUTUVAT LIIKENTEEN VOIMANLÄHTEET SEKÄ HIILIVAPAAT UUSIUTUMATTOMAT POLTTOAINEET... 188 3.1. KIINTEÄT LIIKENNEPOLTTOAINEET...188 3.1.1. Sokerit, tärkkelys, proteiinit ja glyseridit (ruoka)...189 3.1.2. Selluloosa ja hemiselluloosat (rehu)...191 3.1.3. Muut hiilihydraatit...192 3.1.4. Lignoselluloosa ja ligniini (puu, olki, ruohokasvit)...192 3.1.5. Puuhiili ja puuhiilipöly...193 3.1.6. Muut orgaaniset yhdisteet...194 3.1.7. Kiinteiden polttoaineiden liuokset ja emulsiot ja pölyt...194 3.1.8. Boorihydridit ja muut vetysuolat...194 3.1.9. Ruudit...195 3.1.10. Metallit ja metalliyhdisteet...197 3.1.11. Muut epäorgaaniset yhdisteet...198 3.1.12. Rikki...198 3.1.13. Mikrobit...198 3.2. NESTEMÄISET LIIKENNEPOLTTOAINEET...199 3.2.1. Alkoholit...199 3.2.1.1. Metanoli...199 3.2.1.2. Etanoli...202 3.2.1.3. Propanoli...209 3.1.1.4. Butanoli...209 3.2.1.5. 2,3-Butandioli...210 3.2.1.6. Muut alkoholit ja sikunaöljy...210 3.2.2. Eetterit...210 3.2.2.1. Dietyylieetteri... 211 3.2.2.2. MTBE... 211 3.2.2.3. ETBE...212 3.2.2.4. TAME...212 3.2.2.5. TAEE...212 3.2.2.6. Muut eetterit...212 11
3.2.3. Kasviöljyt ja eläinrasvat (triglyseridit)...212 3.2.4. Biodieselit...214 3.2.5. Muut kemiallisilla konversioilla valmistettavat biodieselpolttoaineet... 217 3.2.6. Emulsiopolttoaineet...217 3.2.7. Tärpätti ja puubentsoli...217 3.2.8. Pihka ja terva...218 3.2.9. Mustalipeä ja sulfi ittilipeä...219 3.2.10. Synteettiset biobensiinit...219 3.2.11. Synteettinen bionafta...220 3.2.12. Synteettiset biokerosiinit ja biopetrolit...221 3.2.13. Synteettiset biodieselit...222 3.2.14. Orgaaniset ja epäorgaaniset metalliyhdisteet...222 3.2.15. Muut orgaaniset yhdisteet...223 3.2.15.1. Nitrometaani ja muut nitroalkaanit...223 3.2.15.2. Alkaanihydratsiinit...224 3.2.15.3. Tolueeni, symeeni ja muut aromaattiset hiilivedyt...224 3.2.15.4. Iso-oktaani ja muut haaroittuneet alkaanit...225 3.2.15.5. MeTHF ja P-series-polttoaineet...225 3.2.15.6. Muita orgaanisia yhdisteitä...225 3.2.16. Epäorgaaniset yhdisteet...226 3.2.16.1. Hydratsiini...226 3.2.16.2. Vetyperoksidi...227 3.2.16.3. Muut epäorgaaniset nesteet...228 3.2.17. Nanotipat...228 3.3. KAASUMAISET LIIKENNEPOLTTOAINEET...228 3.3.1. Vety...228 3.3.2. Metaani, biokaasu ja SBG...231 3.3.3. Hytaani...238 3.3.4. Hiilimonoksidi...239 3.3.5. Tuotekaasu, kaupunkikaasu, valokaasu, generaattorikaasu, puukaasu ja olkikaasu...239 3.3.6. Vesikaasu, ilmakaasu, voimakaasu ja masuunikaasu...240 3.3.7. Synteesikaasu...241 3.3.8. Hiilidioksidi ja savukaasu...242 3.3.9. Synteettinen bionestekaasu (bio-lpg), bio-propaani ja bio-butaani... 242 3.3.10. Dimetyylieetteri (DME)...244 3.3.11. Etyyni (asetyleeni)...245 3.3.12. Muut orgaaniset kaasut...245 3.3.13. Ammoniakki...245 3.3.14. Muut epäorgaaniset kaasut...246 3.3.15. Paineilma ja painekaasut...247 3.3.16. Nostekaasut...248 3.3.17. Plasman tuotekaasut...248 3.4. LIIKENNEPOLTTOAINEIDEN OMINAISUUKSIEN VERTAILUA...249 4. LIIKENTEEN UE-POLTTOAINEIDEN RESURSSIT...250 4.1. PRIMÄÄRIBIOENERGIAN LÄHTEET JA NIIDEN RESURSSIT...251 4.1.1. Globaali katsaus...251 4.1.2. Puu Suomessa...255 12
4.1.3. Peltokasvit Suomessa...256 4.1.4. Biojätteet Suomessa...256 4.1.5. Mikrolevät ja muut mikrobit...257 4.1.6. Primääribioenergiaresurssien käytön priorisointi...257 4.2. MUIDEN UUSIUTUVIEN POLTTOAINEIDEN RESURSSIT...259 4.3. FOSSIILISTEN POLTTOAINEIDEN RESURSSIT...261 5. LIIKENTEEN UE-POLTTOAINEIDEN VALMISTUSMENETELMÄT...263 5.1. MEKAANISET JA MUUT FYSIKAALISET KONVERSIOMENETELMÄT...263 5.2. MIKROBIOLOGISET KONVERSIOMENETELMÄT...264 5.2.1. Ruoansulatus...264 5.2.2. Käyminen (alkoholifermentaatio)...267 5.2.3. Mädätys (happofermentaatio)...270 5.2.4. Mikrobiologinen vedyntuotanto...274 5.2.5. Mikrobiologiset polttokennot ja mikrobiologinen elektrolyysi...275 5.2.6. Muut mikrobien metaboliaan perustuvat biosynteesimenetelmät... 275 5.3. KEMIALLISET KONVERSIOMENETELMÄT...276 5.3.1. Vaihtoesteröinti...276 5.3.2. Esteröinti...278 5.3.3. Muita kemiallisia konversioita...278 5.4. TERMOKEMIALLISET KONVERSIOMENETELMÄT...279 5.4.1. Hidas pyrolyysi...280 5.4.2. Nopea pyrolyysi (P-polttoaineet)...283 5.4.3. Suora nesteytys (DL-polttoaineet)...285 5.4.3.1. Hydraus ja Bergius-synteesi (B-polttoaineet)...285 5.4.4. Kaasutus, höyryreformointi ja vesikaasuprosessi (G-polttoaineet)... 286 5.4.4.1. Kaasutus...286 5.4.4.2. Osittaishapetus...293 5.4.4.3. Vesikaasuprosessi...293 5.4.4.4. Höyryreformointi...293 5.4.4.5. Vesi-kaasu-vaihtoreaktio...294 5.4.5. Synteesikaasupohjaiset synteesit...294 5.4.5.1. Metaanisynteesi (SBG)...295 5.4.5.2. Metanolisynteesi...296 5.4.5.3. DME-synteesi...298 5.4.5.4. MTG-synteesi ja muut katalyyttiset bensiinisynteesit... 299 5.4.5.5. FT-synteesi (Fischer-Tropch-synteesi)...299 5.4.6. Muita termokemiallisia konversioita...301 5.5. SÄHKÖKEMIALLISET KONVERSIOMENETELMÄT UE-POLTTOAINEIKSI...301 5.5.1. Elektrolyysi...302 5.5.2. Muut sähkökemialliset konversiot...303 5.6. MONITUOTANTO JA BIOJALOSTAMOT...304 5.6.1. Sulfaattisellutehtaat...307 5.6.2. Sulfi ittisellutehtaat...312 6. AJONEUVOJEN POLTTOAINEJOUSTAVUUS...316 6.1. MONOFUEL-AJONEUVOT...316 6.2. FFV-AJONEUVOT...318 6.3. BIFUEL-AJONEUVOT...322 13
6.4. MULTIFUEL-AJONEUVOT...324 6.5. DUALFUEL-AJONEUVOT...325 6.6. HYBRIDIAJONEUVOT...326 6.7. SÄHKÖÄ SUORAAN TAI EPÄSUORAAN KÄYTTÄVÄT AJONEUVOT...330 6.8. KOMBIMOOTTORIAJONEUVOT...332 6.9. MONIMOOTTORIAJONEUVOT...333 7. LIIKENNEPOLTTOAINEIDEN JA NIIDEN KÄYTÖN YMPÄRISTÖ- JA TERVEYSVAIKUTUKSET...334 7.1. PÄÄSTÖTÖN LIIKENNE JA ZEV-TEKNOLOGIAT...334 7.2. KASVIHUONEKAASUPÄÄSTÖT...336 7.3. MUUT PÄÄSTÖT...341 7.3.1. Typen oksidit (NOx)...345 7.3.2. Orgaaniset yhdisteet (HC:t ja muut VOCit)...345 7.3.3. Hiilimonoksidi (CO)...347 7.3.4. Hiukkaset (PM)...347 7.3.5. Musta, valkoinen ja sininen savu...347 7.3.6. Rikin oksidit (SOx)...348 7.3.7. Metallit...348 7.3.8. Melu...348 7.4. PÄÄSTÖJEN TEKNISET VÄHENTÄMISMAHDOLLISUUDET...349 7.4.1. ZEV-ajoneuvot...349 7.4.2. Biopolttoaineet...350 7.4.3. Ajoneuvojen energiatehokkuuden parantaminen...350 7.4.4. Katalysaattorit...353 7.4.5. Muut tekniset toimenpiteet polttomoottoriajoneuvoissa...354 7.5. TERVEYSVAIKUTUKSET...356 8. RAAKAÖLJYN PUMPPAUSHUIPPU...357 9. LIIKENTEEN ENERGIANLÄHTEIDEN TULEVAISUUDEN TIEKARTTA...360 LÄHTEET...368 LIITTEET...391 Liite 1. Sanasto, lyhenteet, määritelmät ja yksiköt...392 a) Yleiset määritelmät b) Kemikaaleja c) Teho- ja energiayksiköitä ja muuntokertoimia d) Muita yksiköitä e) Säädökset Liite 2. Liikenteen voimanlähteiden käyttöönoton kronologia...406 Taulukko L2.1. Liikenteen voimanlähteiden ja energianlähteiden käyttöönoton kronologia Liite 3. Liikenteen ympäristövaikutusten havaitsemisen ja rajoittamisen kronologia... 421 Liite 4. Energiaresursseja koskevat liitetaulukot...424 Taulukko L4.1. Suomen puuvarat Taulukko L4.2. Puun runkojen vuosikasvu ja teollisuuden käyttämän runkopuun energiasisältö vuonna 2003 Taulukko L4.3. Teollisen puunkäytön jätteiden energiaresurssi vuonna 2003 14
Liite 5. Energiasisältöjä koskevat liitetaulukot...426 Taulukko L5.1. Fossiilisten polttoaineiden LHV-lämpöarvoja Taulukko L5.2. Biopolttoaineiden LHV-lämpöarvoja Taulukko L5.3. Liikennepolttoaineiden energiasisältövertailuja Liite 6. Polttoaineiden ominaisuuksia koskevat liitetaulukot...428 Taulukko L6.1. Kiinteiden polttoaineiden ominaisuuksia Taulukko L6.2. Nestemäisten polttoaineiden ominaisuuksia Taulukko L6.3. Kaasumaisten polttoaineiden ominaisuuksia Taulukko L6.4. Energian varastointivälineiden ominaisuuksia Taulukko L6.5. Eräiden ottomoottoreihin soveltuvien polttoaineiden fysikaalisia, kemiallisia ja moottoriteknisiä ominaisuuksia Taulukko L6.6. Eräiden dieselmoottoreihin soveltuvien polttoaineiden fysikaalisia, kemiallisia ja moottoriteknisiä ominaisuuksia Taulukko L6.7. Metanolin ominaisuuksia Taulukko L6.8. Etanolin ominaisuuksia Taulukko L6.9. Metaanin ominaisuuksia Liite 7. Liikenteen energiankulutusta koskevat liitetaulukot...437 Taulukko L7.1 Tieliikenteen energian kulutus ja päästöt Suomessa vuonna 2004 Taulukko L7.2 Liikenteen energian kulutus maailmassa, OECD-maissa, EU-25:ssa, Ruotsissa ja Suomessa vuonna 2004 15
16
1 JOHDANTO The Stone Age did not end for lack of stone, and the Oil Age will end long before the world runs out of oil. - Sheikki Ahmed Zaki Yamani, Saudi-Arabian öljyministeri 1970-luvulla (The Economist-lehden pääkirjoitus 25.10.2003) Uusiutuvan energian käyttö liikenteessä herättää nykyään runsaasti kiinnostusta toisaalta ilmastonmuutoksen ja muiden liikenteen ympäristövaikutusten vuoksi, ja toisaalta raakaöljyn ja maakaasun tuotantohuipun läheisyyden vuoksi. Liikenne on erityisen haavoittuva raakaöljyn tuotantohuipun aiheuttaville markkinamuutoksille, sillä OECD-maissa raakaöljyn osuus kaiken liikenteen energiankulutuksesta on 97 % (IEA 2002). Maakaasun osuus liikenteen energiankulutuksesta on 2 % (IEA 2002), mikä myös aiheuttaa haavoittuvuuden: maakaasun tunnetut resurssit ovat raakaöljyn kanssa samaa luokkaa, josta syystä maakaasun tuotantohuippu tapahtuu vain muutama vuosi raakaöljyn jälkeen. Raakaöljyn korvaaminen maakaasulla on siten vain lyhytaikainen ratkaisu. Sekä raakaöljyn että maakaasun pumppaushuippu on lähiaikoina ollut lukuisien tutkimusten ja kirjojen aiheena. Luvussa 8 on niiden tuloksista koottu yhteenveto. Liitteessä 7 on liikenteen energiankultusta koskevia taulukoita. Raakaöljy ja maakaasu voidaan resurssien ja teknologian puolesta korvata joko uusiutuvilla energiamuodoilla tai kivihiilellä ja ei-tavanomaisilla fossiilisilla energiamuodoilla, kuten luvun 4 resurssikatsauksessa ja luvun 5 teknologiakatsauksessa selviää. Näiden välinen valinta on ilmastonmuutoksen hallinnan kannalta ratkaisevaa. Kivihiileen ja ei-tavanomaisiin fossiilisiin siirryttäessä liikennepolttoaineiden elinkaaren ominaiskasvihuonekaasupäästöt kaksinkertaistuvat raakaöljypohjaisiin verrattuna. YK on ennakoinut maailman autojen määrän kaksinkertaistuvan nykyisestä noin 800 miljoonasta 1600 miljoonaan autoon vuoteen 2030 mennessä (UNECE 2008), joten yhteisvaikutus olisi kasvihuonekaasupäästöjen nelinkertaistuminen, jos ajoneuvojen energiatehokkuus ja liikennemäärät ajoneuvoa kohti pysyvät nykyisellä tasolla. Liikenteen kasvihuonekaasupäästöt ovat jo tähän mennessä olleet vaikeimpia hallita ja ne ovat nousseet kaikista sektoreista eniten (Tapio 2002, IEA 2003, Lampinen & Jokinen 2006). Luvussa 7 annetaan katsaus liikenteen päästöongelmaan. 17
Tämän julkaisun sanomana on hyvä uutinen siitä, että uusiutuvilla energiamuodoilla voidaan erittäin monella tavalla ratkaista sekä liikenteen päästöongelma että liikenteen raakaöljyriippuvuuden ongelma. Luku 2 antaa katsauksen uusiutuvan liikenne-energian historialliseen tiekarttaan. Siitä selviää, että liikenteen biopolttoaineita on onnistuttu kehittämään jo 23 sukupolven verran (Kuva 1.1) ja niiden lisäksi on kehitetty lukuisia tapoja hyödyntää liikenteessä bioenergian lisäksi kaikkia muitakin uusiutuvia energialähteitä. Bioenergian avulla päästöjä voidaan polttoaineen elinkaaressa pudottaa 50 90 % raakaöljypohjaisiin verrattuna. Bioenergiateknologioiden käyttöpotentiaali on suuri, vaikka otetaan huomioon sekä kokonaisresurssin rajallisuus että ekologisen ja sosiaalisen kestävyyden vaatimukset. Monilla muilla uusiutuvilla kuten aurinko- ja tuulienergialla voidaan päästä 100 % päästövähennyksiin polttoaineen elinkaaressa käytännössä rajattomin resurssein ekologisesti ja sosiaalisesti kestävästi. Näiden teknologioiden katsaus löytyy polttoaineiden ja voimanlähteiden osalta luvuista 3 sekä 5. Niiden käyttö edellyttää ajoneuvojen polttoainejoustavuuden kasvattamista. Lukuisista tähän käytettävissä olevista teknisistä ratkaisuista annetaan katsaus luvussa 6. V E T Y C H 2 L H2 METAANI CBG LBG SBG B I O K A A S U K A A T O P A I K K A K A A S U S YNTE ETTINE N BIOKAAS U BIOM ETAANI TE RM IN E N B I O M E T A A NI HYTAANI B T G HI ILIM ONOK SI DI S YNTE ESI KA A S U T U O T E K A A S U K A U P U N K I K A A S U VALOKAASU PUUKAASU OLKIKAASU RUOK O K A A S U V E S I K A A S U I L M A K A A SU VOIMAKAASU PYROLYYSIKAASU BIOMASU U N I K A A S U B I O N E S T E K A A S U F T - L P G D L - L P G B-LPG P-LPG, G-LPG BIOETAANI BIOPROPA A N I B I O B U T A A NI DME ASETYLEENI ETYYNI AMMONIAKKI B UTA ND IOLI SIK UN AÖ LJ Y SY M EE N I T O L U E E N I B I O N A F T A SULFIITTISPRII B T L B I O B E N SIINI S YNTE ETTINEN BIODIESE L BIOKEROSIIN I B I O P E T R O L I P Y R O L Y Y S I Ö L J Y P UUÖLJY PUUHAPPO BIOPETROLI NITROME T A A N I M U S T A L IPE Ä BI O-GTL FAAE FAME FAEE F A P E F A B E TÄRPÄTTI PUUBENTSOLI FAA F A G C PIHKA T ERVA PPO RM E S M E R E E S E E K A S V I Ö L J Y T B I O D I E S E L I T RYPS IÖLJY SOIJA ÖLJY PALM UÖ LJ Y RA PSIÖLJY R I S I I N I Ö L JY S I N A P P I Ö L J Y JÄTEÖLJYT JÄ TERAS VAT DEEMTBEETBE TAME TAEE P E L L A V A Ö L J Y NAURISÖLJY EMULSIOPOLTTOAINEE T K A M F E E N I M E T A N OLI ETANOLI PROPANOLI BUTANOLI SYNT H O L I F T - B E N S I I N I F T - D I E S E L F T - K E ROSIINI FT-PETROLI G-BENSIINI G-DIESEL G-KE R O S I I N I G - P E T ROLI D L - B E N S I I N I D L - D I E S E L D L - K E R OSIINI DL-PETROLI B-BENSIINI B-DIESEL B-KER O S I I N I B - P E T R OL I M T G - B E N S I IN I P - B E N S I I N I P -DIESE L P-KEROSIINI P-PE TROLI P Ö L Y P O LTTOAINEET VALASÖLJY HYLJEÖ L J Y K A L A Ö L J Y P R O T E I I N I T P U U P U U HI ILI H AR TSI OLJET LA NT A H II LI HYD R A A T I T R U O K A R EHU PELTOKAS VIT SELLULOOS A HEM ISELL U L O O S A E LÄINRASVAT Kuva 1.1. Liikenteen biopolttoaineiden suuri diversiteetti. MUSTA RUUTI ORGAANISE T R U U D I T 18
Uusiutuviin siirtyminen tarjoaa erittäin suuret liiketoimintamahdollisuudet. Liikenteen biopolttoaineiden markkinat EU:ssa on arvioitu olevan välillä 14 21 miljardia euroa vuonna 2010 (Ecofys 2005) ja ne kasvavat EU:n tavoitteiden mukaisesti vähintään kaksinkertaisiksi vuoteen 2020 mennessä. Se tarkoittaa koko Suomen metsäteollisuusklusterin suuruista uutta liiketoimintamahdollisuutta. Liikennebiopolttoaineiden käyttö kasvoi EU:ssa vuonna 2008 yli 28 % vuoden 2007 tasoon verrattuna ja ne kattoivat 3,3 % EU:n tieliikennepolttoaineiden kulutuksesta vastaten 10 miljoonan öljytonnin energiasisältöä (EurObserv ER 2009). Suomessa (Kuva 1.2) kuten muuallakin tieliikenne dominoi päästöjä ja on erityisen raakaöljyriippuva. Siitä syystä tässä julkaisussa on annettu selvästi suurin painoarvo tieliikenteen käsittelyyn ja sen sisällä erityisesti autoihin, kuitenkaan lihasvoimaa ja moottoripyöriä unohtamatta. Tieliikenteen lisäksi julkaisu käsittelee kaikkia muitakin liikennemuotoja, siis raideliikennettä, vesiliikennettä, ilmaliikennettä, avaruusliikennettä ja viestiliikennettä. Kaikissa liikennemuodoissa on jo tähän mennessä käytetty hyvin monia uusiutuvia energianlähteitä ja kaikki liikenteen kulutus on katettavissa kaikki uusiutuvilla energiamuodoilla lukuisilla vaihtoehtoisilla teknologioilla ja resursseilla. Kuva 1.2. Suomen liikenteen hiilidioksidipäästöt (LVM 2007). Tieliikenne dominoi päästöjä. 19
Öljyn (Heinberg 2003, Roberts 2006) ja maakaasun (Darley 2004) tuotantohuipun saavuttamisella tulee olemaan laajalle ulottuvia seurauksia yhteiskunnissa ja niiden välisissä suhteissa, mukaan lukien konfliktien yleistyminen (Klare 2001). Ihmiskunnan elinkaaressa fossiilisten polttoaineiden aika on mitättömän lyhyt aika (Kuva 1.3). Fossiilisten käyttö lopetetaan joka tapauksessa ja kyse on vain siitä, tapahtuuko se hallitusti vai hallitsematta kriisien kautta eli johtaako se ekologisesti kehittyneeseen teknologiseen yhteiskuntaan vai palaamiseen kivikauteen. Eteneminen kriisien kautta on ihmiskunnan historian opetusten mukaan todennäköisempää. Silti ei voida lukea pois mahdollisuutta, että muutos tehtäisiin tietoisten poliittisten valintojen kautta niin yksilöiden kuin valtioidenkin tasolla, mihin sheikki Yamani tämän luvun alussa olevassa sitaatissa viittaa. 1 Liikennettä subventoidaan EU:ssa vuosittain 270 290 miljardilla eurolla, josta tieliikenne saa 125 miljardia euroa (EEA 2007). Tämän olemassa olevan rahoituksen ohjaaminen pois fossiilisen talouden tukemisesta ja siirtymiseen uusiutuvien energiamuotojen käyttöön olisi todella pitkälle riittävä merkki muutoksen poliittisesta hallinnasta. Käsillä olevan julkaisun tarkoituksena on tukea hallitun muutoksen polkua. Luvussa 9 on esitelty tiekartta, jota seuraten se olisi mahdollista. Kuva 1.3. Fossiilisten polttoaineiden aikakausi ihmiskunnan elinkaaressa mittana vuosituhannet ennen ja jälkeen nykyajan. Muokattu: Hubbert (1976). 1 OECD:n International Energy Agencyn pääekonomisti Fatih Birol muotoili asian The Independent -lehden 3.8.2009 numerossa olevan Steve Connorin artikkelin Warning: Oil supplies are running out fast 3.8.2009 haastattelussa seuraavasti: One day we will run out of oil, it is not today or tomorrow, but one day we will run out of oil and we have to leave oil before oil leaves us, and we have to prepare ourselves for that day. The earlier we start, the better, because all of our economic and social system is based on oil, so to change from that will take a lot of time and a lot of money and we should take this issue very seriously. 20
2 LIIKENTEEN ENERGIANLÄHTEIDEN HISTORIALLINEN TIEKARTTA There is nothing of importance that we are waiting for to add to the automobile. No startling inventions are called for and none probably are coming to solve the motor problem. All the mechanical essentials have been devised seemingly complete and ready at hand. - Gardner Hiscox vuonna 1900 (Hiscox 1900) Yli vuosisata myöhemmin Gardner Hiscoxin voi arvioida olleen enemmän oikeassa kuin väärässä. Vuoden 1900 autoinsinööri pystyisi ymmärtämään nykyautoja melko lyhyen tutustumisen jälkeen. Auton tärkeimmät komponentit ovat hänelle hyvin ymmärrettävissä ja vain 1970-luvun perua oleva mikroprosessoritekniikka olisi mahdotonta ymmärtää. Hänen olisi toisaalta vaikea käsittää, mihin suurin osa teknologioista on kadonnut ja toisaalta miksi niin vähän uutta on keksitty. Hän myös hämmästelisi teknologian valmistajien ja merkkien vähyyttä vertaamalla 1890-luvun loppuun, jolloin yksistään alan johtavassa maassa Ranskassa oli 619 autonvalmistajaa (Hiscox 1900). Vuonna 1900 sekä moottorivaihtoehtoja että polttoainevaihtoehtoja oli paljon enemmän kuin nykyään ja toisaalta kaikki nykyisin merkittävästi käytettävät vaihtoehdot olivat tunnettuja jo vuonna 1900. Lähes kaikki nykyisessä keskustelussa ja tutkimuksessa olevat 21. vuosisadan uudet ja paremmat tulevaisuuden liikenneteknologiat olivat jo silloin tunnettuja. Ja ne, jotka eivät vielä vuonna 1900 olleet, ovat joka tapauksessa olleet tunnettuja jo vähintään 50 vuotta. Tilanne on samantapainen kotien muussa tekniikassa. Taloustieteilijä Paul Krugman (1998) käsittelee kasvun harhoja kirjassaan Satunnainen teoreetikko ja vertailee nykyisten kotien tekniikkaa 50 vuotta ja 100 vuotta taaksepäin. Puoli vuosisataa sitten kaikki nykykodeissa oleva teknologia, jälleen mikroprosessoreja lukuun ottamatta, oli tunnettua ja ainakin joissakin kodeissa käytössä. On ymmärrettävää, että monet nykyisin pitävät 1950-luvun kodinkoneita kehittymättöminä, mutta suurin muutos on tapahtunut niiden ulkonäössä ja automatiikassa, ei toimintaperiaatteissa, ja 50 vuoden takaa nykyhetkeen siirretyltä perheeltä ei kestäisi kauan ymmärtää nykykotien tekniikkaa. Mutta siirtämällä perhe 100 vuoden takaa 50 vuoden taakse olisi heille ällistyttävä muutos ja lähes kaikki olisi uutta. Kehitys 1900-luvun alkupuoliskolla oli valtavan nopeaa verrattuna jälkipuoliskoon. 21
Vastaava ällistys autotekniikan puolella saataisiin siirtämällä insinööri 1800-luvun alusta 1900-luvun alkuun. Suurimmat kehitysaskeleet tehtiin 1800-luvun aikana ja loput 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla kuten liitteenä 2 olevasta kronologiasta selviää, joskin kronologiasta nähdään myös huomattavan monen keksinnön periytyvän paljon kauempaakin historiasta ja esihistoriasta. Viimeiset 50 vuotta ovat olleet erittäin hitaan teknologisen kehityksen aikaa mikroprosessoreiden mahdollistamaa elektroniikan kehitystä lukuun ottamatta, vaikka mainonta on varsin onnistuneesti aikaansaanut vastakkaisen käsityksen. Mutta sekään ei ole uutta, vaan idea luovasta tuhoamisesta eli tavaroiden korvaamisesta paljon ennen niiden teknisen käyttöiän loppumista uusilla hieman erinäköisillä, muttei välttämättä kehittyneemmillä tavaroilla, on lähtöisin 1940-luvulta taloustieteilijä Joseph Schumpeteriltä (1942). Liikenteen moottori- ja polttoainetekniikan kehityksen hidastumisen luonteesta ja syistä ovat kirjoja kirjoittaneet esimerkiksi Kirsch (2000) sekä Black (2006). Tässä julkaisussa ei kovin paljon kyseistä asiaa käsitellä, mutta varsin laaja historiallinen katsaus on sisällytetty lukuun 2, jotta lukija saisi kuvan siitä valtavasta teknologisesta monimuotoisuudesta, joka on keksitty ja kehitetty, ja toisaalta ymmärtäisi, että nykyään käytetään vain hyvin pientä osaa tunnetuista teknologisista mahdollisuuksista. Se antanee uskoa siihen, että nykyisin akuutit teknologian käytön ympäristöongelmat todellakin voidaan ratkaista ja ratkaisuvaihtoehdoista ei ole puutetta siitä huolimatta, että aivan kaikki aiemmin käytetty teknologia ei siihen tarkoitukseen sovellu. Insinöörit ovat työnsä tehneet ja antaneet ratkaisujen avaimet. Niiden käyttöönotto ei ole teknologinen eikä luonnontieteellinen vaan yhteiskuntatieteellinen ja kasvatustieteellinen haaste, sillä hyvin monet autoteollisuuden piiristä ja tekniikan ammattilaisista ovat nykyään valmiit sanomaan kuten Gardner Hiscox vuonna 1900, erottamatta laajassa käytössä olevaa teknologiaa tunnetuista teknologisista mahdollisuuksista. Tässä kirjassa tuo erottelu tehdään. Luvussa 2 käydään läpi keskeiset kehitysaskeleet, joiden kautta nykyiseen liikenteen energianlähteiden ja niitä hyödyntävien koneiden käyttöön on päädytty. Luku on jäsennetty energiaresurssien mukaan ja liikenteen mekaaniset voimanlähteet on esitetty sen energiaresurssin yhteydessä, jolla ensiksi kyseistä laitetta liikenteessä käytettiin. Esitys on tehty globaalilla perspektiivillä. Suomen tilanteesta puhuttaessa se mainitaan aina erikseen. Kuva 2.1. esittää yhteiskunnan kaiken mekaanisen energian käyttövoiman osuuksien kehitystä viimeisen 4000 vuoden aikana lukuun ottamatta purjelaivoja, jotka olivat merkittävä tuulivoiman käyttäjä 1800-luvulle asti, ja geotermistä sekä muita suhteellisen niukasti käytettyjä primäärienergian lähteitä. Höyrykoneiden, höyryturbiinien ja polttomoottorien käyttämä primäärienergia on ollut valtaosin fossiilista, mutta osa siitä on ollut bioenergiaa. Höyryturbiini on ollut ja on nykyään merkittävin sähkön tuottaja noin 50 % osuudella globaalisti. Kaasuturbiini on nykyään toiseksi tärkein sähkön tuottaja, mutta sen käyttö oli vielä vuonna 1950 vähäistä. Liikenteen voimanlähteiden käytön kehitys on seurannut samoja linjoja vuoteen 1900 asti. Siitä eteenpäin polttomoottoreilla on ollut liikenteessä suurempi ja höyryturbiineilla pienempi osuus. Suomen maatilojen liikenne-energian ja muun energian käytön historiallisesta kehityksestä kerrotaan Lampisen ja Jokisen (2006) julkaisussa. 22