KESKI-SUOMI Tutkimusohjelma 2020 Biomassavarojen kestävä käyttö Biomassan tuotanto, käsittely ja prosessointi Biomassan logistiikka ja varastointi Biomassan polttoteknologiat Kuituprosessit ja biomassan jalostaminen Kestävyyden arviointi Tutkimuksesta tuotteiksi ja palveluiksi
Kannen kuvat: JAMK, VTT
Johdanto Tämä asiakirja on Keski-Suomen biomassavarojen kestävään käyttöön liittyvä strateginen tutkimusohjelma. Sen päämääränä on tutkimustoiminnan suuntaaminen ja vahvistaminen sekä tutkimuskapasiteetin kasvattaminen valikoiduilla biomassavarojen kestävään käyttöön liittyvillä tutkimusaloilla. Ohjelma tukee asiantuntemuksen ja yhteistyön kehittämistä alueellisessa tutkimusklusterissa ja BIOCLUS-hankkeen konsortiossa. Se auttaa klusteria valitsemaan tutkimustoiminnan painopisteet ja tukee viranomaisia henkilöstö- ja rahoitusresurssien kohdistamisessa. Ohjelma on myös lähtökohtana alueellisen yhteistyön suunnittelussa. Alueelliset tutkimus- ja kehitysorganisaatiot ovat laatineet tämän strategisen tutkimusohjelman yhteistyössä alueellisten viranomaisten ja yritysten kanssa. Taustatiedoksi laadittiin useita alueellisia selvityksiä. Hankittua taustatietoa täydennettiin yritys- ja julkisten organisaatioiden haastatteluilla. Tehdyt selvitykset ovat saatavilla BIOCLUS:in internetsivulta (www.bioclus.eu). Strategisen tutkimusohjelman laatiminen aloitettiin niistä osaamisalueista, joilla Keski-Suomella on jo vahvaa strategista tutkimusosaamista. Työ on tuonut esille ne osa-alueet, joissa alueen tutkimusvetoinen klusteri haluaisi kehittyä vielä pidemmälle, ja lisäksi joillain asiantuntemuksen osa-alueilla on tunnistettu olevan strategista merkitystä alueellisen kehityksen kannalta. Keski-Suomen BIOCLUSklusterin strategiset tutkimusalueet ovat: Biomassan tuotanto, käsittely ja prosessointi Biomassan logistiikka ja varastointi Biomassan polttoteknologiat Kuituprosessit ja biomassan jalostaminen Kestävyyden arviointi Tutkimuksesta tuotteiksi ja palveluiksi Tämä asiakirja kuvaa Keski-Suomen alueellisen tutkimusklusterin erikoispiirteet ja vahvuudet sekä niiden kehittämistarpeet. Se edistää biomassaresurssien kestävää käyttöä ja tukee alueellista osaamista ja hyvinvointia. 3
Keski-Suomi alueena Keski-Suomen maakunnan väkiluku on 270 000 henkilöä. Maakunnan pinta-ala on lähes 20 000 km 2, joista järviä on lähes 3 000 km 2. Tärkeimmät biomassaresurssit ovat metsissä, joita on kaikkiaan lähes 1,4 miljoonaa hehtaaria (14 000 km 2 ). Vahvimmat toimialat ovat selluloosan ja paperin tuotanto, puutuotteet, metsänkasvatus sekä koneiden ja laitteiden tuotanto. Alueellinen koneiden ja laitteiden tuotanto yhdessä metalliteollisuuden kanssa on läheisesti sidoksissa metsäteollisuuteen. Keski- Suomi tunnetaan myös oppimis- ja asiantuntijuusalueena, ja siellä sijaitsee hyvin suosittuja koulutusorganisaatioita. Keski-Suomi on saanut tunnustusta Suomen bioenergia-alueena: bioenergian käyttöaste on maakunnassa poikkeuksellisen korkealla, ja alueen T&Ktoiminta sekä bioenergian koulutussektori edustavat Suomen huippua. Peräti puolet kaikesta energian kulutuksesta (mukaan lukien liikenne) tuotetaan jo nyt biomassalla. Lämmön- ja sähköntuotannon polttoaineista 80 prosenttia on peräisin biomassasta. Useita konversioteknologioita käytetään menestyksellisesti. Keski-Suomen alueellisena tavoitteena on kuljetussektoria lukuunottamatta luopua täysin ulkomailta tuotavista fossiilisista polttoaineista vuoteen 2020 mennessä. Kuva: Jyväskylän Energia Oy Kuva: Jyväskylän Energia Oy Kuva: Honkarakenne Oy Kuva: UPM 4
Keski-Suomen alueen biomassaresurssit Puun vuotuinen käyttö on Keski-Suomessa noin 6 milj. kiintokuutiometriä. Se on vuotuista kasvua vähemmän, mutta ylittää vuotuisen korjuun, minkä vuoksi alueen ulkopuolelta tuodaan jonkin verran puuta käyttötarpeen tyydyttämiseksi. Puusta tuotetaan tyypillisesti paperi- ja sahatavaratuotteita sekä jalosteita tai energiaa. Metsäteollisuudessa syntyvät sivu- ja jäännöstuotteet ovat tärkeitä raaka-aineita muille teollisuuden sisäisille ja ulkoisille prosesseille. Keski-Suomi tuottaa yli 6 TWh (21,6 PJ) energiaa puupohjaisista materiaaleista, metsähakkeesta, mustalipeästä ja sahanpurusta. Biomassavaroja käytetään enimmäkseen suuren kokoluokan lämmön- ja sähköntuotannossa, teollisuusprosesseissa ja kaukolämmön tuotannossa. Turve on myös tärkeä biomassaresurssi Keski-Suomessa. Sitä käytetään enimmäkseen energialähteenä. Turve palamisprosessin seosaineena mahdollistaa alkalipitoisten biomassojen, esimerkiksi hakkuutähteen ja peltobiomassojen polton. Se vähentää likaantumista, kerrostumien muodostumista ja kuumakorroosiota höyrykattiloissa. Lisäksi turve lisää kotimaisen polttoainetarjonnan huoltovarmuutta. Turpeen vuotuinen tuotanto on Keski- Suomessa noin 2 milj. irtokuutiometriä (1,8 TWh, 6,5 PJ), mikä kattaa noin kolme neljäsosaa alueen vuotuisesta turpeen kulutuksesta. Keski-Suomessa on sopivat ilmasto-olosuhteet kasvien viljelyyn ja peltobiomassan tuotantoon. Viljelykelpoista maata on noin 1 000 km 2 ja turvemaita on yhteensä noin 0,34 miljoonaa hehtaaria (3 400 km 2 ). Peltobiomassaa käytetään enimmäkseen ruoaksi ja rehuksi, mutta myös energiantuotantoon. Biomassan käyttö Keski-Suomessa 2008 Biomassa Kuiva-aine (miljoonaa tonnia) Metsä 1.9 Pelto 0.2 Turve 0.3 5
Keski-Suomen tutkimusvetoinen klusteri Keski-Suomen tutkimusvetoisen klusterin tavoitteena on vahvistaa alueellista kehitystä, edistää kilpailukykyä ja varmistaa toiminnan jatkuvuus. Tämän vuoksi klusteri on laatinut vuoteen 2020 ulottuvan strategisen tutkimusohjelman. Ohjelmassa esitellään alueen toimijoiden yhteinen visio ja missio sekä yhteisesti tunnistetut strategiset tutkimusalueet. Visio 2020 Missio 2020 Keski-Suomi tunnetaan biomassan kestävän käytön tutkimus- ja kehitystyön osaamiskeskittymänä. Erityisiä vahvuusalueita ovat bioenergia, metsäteollisuuden toimitusketjut sekä biomassaan perustuvan uuden liiketoiminnan lisääminen. Keski-Suomen tutkimusvetoinen biomassaklusteri tuottaa korkealaatuista tutkimusta sekä kehitys- ja testauspalveluja yrityksille, tutkimusorganisaatioille ja julkiselle sektorille. Palveluita tarjotaan biomassan kestävän tuotannon sekä bioenergian ja metsäteollisuuden aloilla. Tutkimusvetoinen klusteri tukee innovatiivista biomassojen käytön kehittämistä alueellisten biomassamarkkinoiden kehittämistä osaamisen ja teknologian vientiä 6
Energiankäyttö Keski-Suomessa 2008 ja tavoite vuodelle 2015 ENERGIAN 2008 KOKONAISKULUTUS 2015 17.8 TWh Kiinteät puupolttoaineet, 4.0 TWh Kiinteät puupolttoaineet, 5.4 TWh Mustalipeä, 2.2 TWh Polttoturve, 1.8 TWh Kiinteät kierrätyspolttoaineet, 0.02 TWh Vesivoima, 0.02 TWh TEOLLISUUS, 9.7 TWh sähkö 49 % lämpö 51 % Mustalipeä, 2.0 TWh Polttoturve, 3.6 TWh Sähkön tuonti, 5.1 TWh Öljy, 4.5 TWh Muut, 0.11 TWh RAKENNUSTEN LÄMMITYS, 9.7 TWh kaukolämpö 47 % kiinteistökohtainen 36 % sähkö 17 % TIELIIKENNE, 2.6 TWh bensiini 46 % diesel 54 % MUUT, 1.2 TWh Peltobiomassat, 0.4 TWh Kiinteät kierrätyspolttoaineet, 0.1 TWh Sähkön tuonti, 4.3 TWh Öljy, 2.0 TWh Paikalliset polttoaineet 47 % energian kokonaiskulutuksesta. Paikalliset polttoaineet 83 % sähkön- ja lämmöntuotannosta. 3.4 TWh lisää bioenergiaa 7
STRATEGISET TUTKIMUSALUEET Biomassan tuotanto, käsittely ja prosessointi Suurin osa Keski-Suomessa paikallisesti käytössä olevasta biomassasta on peräisin metsästä, ja sitä käytetään mekaanisessa ja kemiallisessa puunjalostuksessa sekä energian tuotannossa. Tutkimuksessa keskitytään metsä- ja energiateollisuuden raaka-aineiden tuotantoketjuihin. Maataloudesta peräisin olevia biomassoja eli peltobiomassoja käytetään enimmäkseen rehun ja ruoan sekä jonkin verran myös energian tuotantoon. Muita hyödynnettäviä biomassavaroja ovat teollisuus- ja maatalousprosesseissa syntyvät ylijäämät. Biomassan tuotantoon, käsittelyyn ja prosessointiin käytettävien koneiden ja laitteiden tulee olla käyttökelpoisia hyvin erilaisissa sääolosuhteissa ympäri vuoden. Kone- ja laitekehitys on Keski-Suomessa enimmäkseen keskittynyt puiden korjuuteknologioihin kuten tukki- ja pienläpimittaisen puun käsittelykouriin ja korjuulaitteisiin sekä hakkureihin ja murskaimiin. Alueella on maailmanlaajuisesti toimiva yhtiö, joka tuottaa traktoreita ja laajan valikoiman erilaisia tuotantotarvikkeita. Lisäksi Keski- Suomessa toimii monialaisia kansallisia yhtiöitä, jotka tuottavat kiinteitä ja nestemäisiä biopolttoainetuotteita. Useimmilla biomassoilla on myös ei-toivottuja ominaisuuksia: esimerkiksi korkea kosteuspitoisuus, tuhka- tai ravintoainepitoisuus tai heterogeeninen rakenne. Biomassojen mädätys, biokaasun tuotanto ja mädätysjäännöksen ravinteiden kierrätys ovat olleet alueen tutkimuksen ja kehityksen painopisteenä viimeisen kymmenen vuoden ajan. Peltobiomassalla on korkeampi vuotuinen tuotanto alueyksikköä kohti kuin metsäbiomassalla, minkä vuoksi erilaisten energiakasvien kasvattamisen on todettu mahdollistavan biomassan tuotantomäärän lisäämisen. Peltobiomassan polttamiseen tähtäävissä energiatuotantoketjuissa on kuitenkin vielä ratkaisemattomia haasteita. Anaerobinen eli hapeton käsittely ja biokaasun tuotanto tarjoaa vaihtoehtoisia, hajautettuja tuotantoketjuja sekä mahdollistaa ravinteiden kierrättämisen tehokkaalla tavalla. Kuva: VTT Viime aikoina biomassan jalostaminen on noussut yhä tärkeämmäksi. Biomassan kuivaaminen, pelletöinti ja biomassan torrefiointi lisäävät nestemäisten ja kiinteiden polttoaineiden tuottamisen ohella lopputuotteen arvoa. Tuotantotaloutta, energiatehokkuutta ja jalostusketjujen kestävyyttä on kuitenkin edelleen arvioitava. Keski-Suomeen suunnitellaan myös laajamittaista biojalostamoa. Se edellyttäisi toimintavarmoja laajamittaisia tuotantoketjuja. 8
Biomassan tuotanto, käsittely ja prosessointi Erityisosaaminen 2020 Kestäviä ja kustannustehokkaita korjuu- ja käsittelyteknologioita puu- ja peltobiomassan hankintaketjuille Kehittämistarpeet Suuren kokoluokan puunkäytön tuotantoteknologiat: kustannustehokkuus, kestävyys ja tuotantoketjun luotettavuus Pieniläpimittaisen puun katkaiseminen ja karsinta: kustannustehokkuus ja kestävyys Kantojen käsittely: epäpuhtauksien vähentäminen, esikäsittely & kuljetus Rehu-, energia- ja kuitutuotteiden viljelykäytännöt: energiatehokkuus ja kestävyys Lyhytkiertopuun energiakäyttö: teknologian ja käytäntöjen kehittäminen Biopolttoaineiden laadunhallinta Jalostusteknologiat ja prosessit Energiatiheyden parantaminen; pelletöinti ja torrefiointi Jalostettujen tuotteiden kestävyyskriteerien ymmärtäminen Kustannustehokkaita teknologioita biokaasun tuottamiseen, biokaasun ja mädätysjäännöksen jalostaminen lisäarvoa tuottaviksi lopputuotteiksi Biomassan laatuun vaikuttavien tekijöiden ymmärtäminen ja niihin vaikuttaminen tuotantoketjun eri vaiheissa Biomassan jalostuksen teknologiat, talous ja kestävyys Torrefiointi Pelletöinti Biokaasuun liittyvät prosessit ja teknologiat Mädätysjäännösten käsittely ravinteiksi ja maanparannusaineeksi: ravinnekierron parantaminen ja vesistöihin kohdistuvan kuormituksen vähentäminen Viljelykasvit biokaasun tuotannossa: kestävien tuotantomenetelmien kehittäminen Biokaasun ja kaatopaikkakaasun käytön kehittäminen liikennepolttoaineeksi 9
Biomassan logistiikka ja varastointi Useista biomassaan perustuvista toimialoista ja laajasta paikallisesta energiantuotannosta johtuen Keski-Suomen biomassaan liittyvät markkinat ovat merkittävät. Biomassan logistiikka perustuu tie- ja rautatiekuljetuksiin. Varastointiin liittyvät kysymykset ovat viime aikoina tulleet yhä tärkeämmiksi. Biomassa on helposti hajoavaa materiaalia ja sen vuoksi vaikeasti varastoitavaa. Biomassan laatu laskee varastoinnin aikana ja varastointiin liittyy myös riskejä: materiaali- ja energiahävikkiriski, tulipaloriski (mm. varastojen itsesyttyminen) ja päästöriski (myrkylliset kaasut ja kasvihuonekaasut). Biomassatarjonnan huoltovarmuuden parantaminen kuljetuksen ja varastoinnin aikana vaatii varastojen hallinnan ja teknologioiden kehittämistä. Tätä kehitystarvetta ei ole vielä kovin hyvin tunnistettu siksi, että monien biomassojen, kuten esimerkiksi hakkeen, varastointi on vielä melko vähäistä. Pellettien huoltovarmuus sitä vastoin on hyvä. Pellettejä kuljettavien alusten varastojen lämpötilaa ja häkäpitoisuuksia valvotaan tarkasti. Lisääntyvä biomassojen käyttö energiantuotannossa on haastavaa. Tuotantoketjut ovat monissa tapauksissa ajallisesti kuumia ketjuja eli toimitetusta polttoaineesta tuotetaan voimalaitoksella heti energiaa. Siksi niiden toimivuus on varmistettava kaikissa sääolosuhteissa ympäri vuoden. Tämä edellyttää uusia teknologioita ja käytäntöjä tuotanto- ja jakeluketjussa sekä kehittyneempiä käsittely- ja hallintajärjestelmiä. Näistä teknologioista ja käytännöistä tarvitaan lisää tietoa niiden kehittämisen ja käyttöönoton tueksi. Tarvetta on uudentyyppiselle tiedolle perinteisten teknisten ja taloudellisten tietojen lisäksi. Biomassatoimittajilta tullaan todennäköisesti edellyttämään erilaisten tuotanto- ja jakeluketjujen kestävyyden vertailua, mikä vaatii sosiaalisten, taloudellisten ja ympäristövaikutusten selvittämistä. Tällöin tarvitaan entistä kokonaisvaltaisempaa ymmärrystä kuljetuksesta, metsätaloudesta, maankäytöstä, informaatio- ja kommunikaatioteknologioista sekä ympäristövaikutuksiin liittyvistä kysymyksistä. Esimerkiksi biomassaterminaalien etuja ja haittoja on tutkittava ja verrattava vaihtoehtoisiin ratkaisuihin. Tutkimus-, kehitys- ja innovaatiotyön (T&K&I) tulokset on havainnollistettava ja vietävä käytäntöön. Näin paras mahdollinen osaaminen hallintajärjestelmistä, teknologioista ja käytännöistä voi parantaa logistiikkaketjujen taloudellisuutta ja kestävyyttä jo suunnitteluvaiheessa. Kuva: JAMK Jyväskylän ammattikorkeakoululla on hyvin varustettu toimintaympäristö logistiikan tutkimiselle Kuva: JAMK 10
Biomassan logistiikka ja varastointi Erityisosaaminen 2020 Luotettavat ja tehokkaat tuotantoketjut prosessiteollisuuden ja energiantuotannon tarpeisiin kestävyys huomioiden Kyky tarjota logistiikka-asiatuntemusta muille biomassaa paljon käyttäville seuduille (muut biomassat, sääolosuhteet jne.) Kehitystarpeita Kehittää uusia toimintatapoja ja teknologioita nykyaikaisille, tehokkaille tuotantoketjuille (kuljetus, valvonta, varastointi & hallinta) Lisätä ymmärrystä biomassan tuotannon ja logistiikan sekä maankäytön välillä Lisätä yhteistyötä asiantuntijoiden kesken (kuljetus, metsänhoito, maankäyttö, ITC, ympäristö jne.) Lisätä logistiikan kestävyyteen liittyvää osaamista Tehokas ja ympäristöystävällinen varastointi: hallinta ja ratkaisut Lisätä varastointiprosessin fysikaalisten ja kemiallisten ilmiöiden ymmärrystä (laatu, koostumus) Varastointihallintateknologian kehittäminen Kehittää prosesseja, joilla tuotetaan paremmin varastoitaviksi soveltuvia bioperäisiä jalosteita. Tavoitteena on saavuttaa fossiilisen hiilen tasoinen käytettävyys 11
Biomassan polttoteknologiat Voimalaitoskokoluokan polttotekniikka Keski-Suomessa tehtävää poltto- ja seospolttotutkimusta pidetään merkittävänä ympäri Eurooppaa. Keski-Suomen erityisosaamista on leijukerros- ja arinapolttoon liittyvä tutkimus, jota tehdään pilotti- ja laboratoriokokoluokassa ainutlaatuisissa huippuluokan tutkimusympäristöissä. Tutkimus on johtanut useisiin kaupallisen tason teollisuussovelluksiin ja uusiin innovaatioihin. hyödynnettyjä innovaatioita, jotka lisäävät jätteiden hyödyntämisen energiatehokkuutta. Myös fossiilisten polttoaineiden päästöjä vähentäviä teknologioita on kehitetty. Esimerkiksi VTT suoritti ensimmäisenä maailmassa onnistuneesti happipolttokokeita ja jatkaa edelleen tutkimusta tällä alalla. Teknologia on kaupallisessa käytössä yhdistetyssä lämmön ja sähkön tuotannossa Suomessa ja muissa maissa. Happipoltto mahdollistaa myös hiilidioksidin talteenoton ja varastoinnin (CCS). Jyväskylän ammattikorkeakoululla on monipuolinen kattilatutkimus- ja testausympäristö kokoluokkaan 3 kw - 3 MW. Kuva: JAMK Viime aikoina tutkimus on keskittynyt yhä enemmän biomassan leijukerrospolttoon sekä biomassan ja fossiilisen polttoaineen seospolttoon. Esimerkiksi erinomainen tietämys korkean lämpötilan tuhkakemiasta on tuottanut uusia kaupallisesti VTT:llä on Jyväskylässä korkeatasoiset leijupeti- ja arinapolton tutkimuslaitteistot. Kuvat: VTT Voimalaitoskokoluokan poltontutkimuksen vahvuuksina Keski-Suomessa ovat ainutlaatuiset kokeelliset tutkimusympäristöt, koko biomassan tuotantoketjun tunteminen sekä kyky yhdistää kokeellista ja teoreettista osaamista polttoprosessien mallintamisessa. Tulevaisuudessa tutkitaan yhä laajempia polttoainevalikoimia ja heikkolaatuisimpia polttoaineita. Tällaisia ovat ns. haastavat kiinteät biopolttoaineet ja jätteet. Tavoitteena on hyötysuhteen kasvattaminen ja päästöjen vähentäminen sähkön ja lämmön yhteistuotannossa sekä seospoltossa. Pienpolttotutkimus Pienpolttotutkimus on viime vuosina keskittynyt erityisesti pienhiukkaspäästöjen vähentämiseen ja sovellusten hyötysuhteen kasvattamiseen. Laajaan kokemukseen perustuva pienen kokoluokan polttolaitteiden tutkimus- ja testaustoiminta on erityisesti auttanut kattilavalmistajia täyttämään tiukkoja, kansainvälisiä päästönormeja. Palvelututkimus kohdistetaan standardin EN 303-5 mukaisesti testattaviin kattiloihin. Tavoitteena on tarjota tutkimus- ja kehittämispalveluja biomassajärjestelmien tarjoajille ja käyttäjille. Tämän lisäksi Keski-Suomen Bioenergiakeskus keskittyy kiinteiden biopolttoaineiden tutkimiseen. 12
Biomassan polttoteknologiat Erityisosaaminen 2020 Voimalaitosteknologia & käyttö (CFB) Maksimoida sähkön tuotanto sekä keskimääräinen hyötysuhde (600 800 MW asti) Hallita tuhkan polttokäyttäytyminen (esim. kemikaalilisäyksellä) Valvonta- ja arviointimenetelmät seospolttoaineiden optimaaliseen käyttöön CHP laitoksissa Päästöjen vähentäminen Kehitystarpeita Kiertoleijukerrospolttotekniikan kehittäminen ja käytännöt Kehittää ratkaisuja korroosion ja kerrostumien välttämiseksi, erityisesti leijukerrospoltossa (heikkolaatuiset polttoaineet esim. peltobiomassasta) Happipolton tiedon ja kokemuksen lisääminen Päästötön voiman tuotantoteknologia, joka perustuu happipolttoon ja kemikaalikiertoon Ainutlaatuinen happi- ja leijukerrospolton tutkimusympäristö Tutkimus-, testaus-, kehittämis- ja koulutusympäristöt (max. 1 MW) biomassapolttoon perustuville energiajärjestelmille CO 2 -päästöjen vähentämistä happipolton ja kemikaalikierron avulla (fossiiliset polttoaineet) Puuhaketta ja muita biomassapolttoaineita käyttävien uusien teknologioiden ja käytäntöjen kehittäminen pienen kokoluokan polttoprosesseihin Sovelletuimpiin standardeihin perustuva testaus (kiinteän biomassan kattilat, saunan kiukaat sekä varaavat uunit) Biomassaan perustuvat polttoaineluokitukset ja laadunhallinta Prosessihallinta ja -valvonta (mm. päästöt, tehokkuus) Ravinneaineiden talteenotto ja palautus Tuhkan käsittely, pelletöinti, logistiikka, varastointi ja hallinta Akkreditoinnin hankkiminen pienen kokoluokan, esim. EN 303-5 standardiin perustuvien biomassajärjestelmien testaamiseen Biomassan polttoaineluokitus- ja laatujärjestelmien kehittäminen ja käyttöönoton edistäminen Standardointiprosessin seuranta Standardien hyödyntämisen tukeminen liiketoiminnassa Tuhkan talteenoton ja palautuksen hallintaan liittyvän osaamisen lisääminen; biomassasta saatavan tuhkan ravinteiden kierrätys Tuhkan kierrätys Biomassan kasvava energiakäyttö lisää tarvetta kehittää myös uusia tuhkan kierrätysmalleja. Tämä edistää ravinteiden tehokkaampaa palautusta sekä vähentää jätejakeiden muodostumista. Tuhkan ominaisuudet johtuvat useista tekijöistä, kuten biomassan alkuperästä, toisistaan poikkeavien polttoaineiden seospoltosta, valitusta polttotekniikasta, muista energiatuotannon keskeisistä prosesseista, mahdollisista uusista lisäaineista (esim. kattilakorroosion estämiseksi) sekä valituista savukaasujen puhdistusmenetelmistä. Yksi tämän sektorin suurimmista T&K -haasteista saattaa olla haitallisten aineiden rikastuminen joihinkin tiettyihin tuhkajakeisiin. T&K-toiminnan kohteena on tulevaisuudessa muuttaa pääosa biomassasta peräisin olevasta tuhkasta kierrätyskelpoiseksi, lisäarvoa tuottavaksi tuotteeksi. Se voidaan helposti ja ilman merkittäviä ympäristövaikutuksia varastoida, käsitellä ja levittää tarjoten samalla biomassojen tuotantoalueille ravinnelisän. 13
Kuituprosessit ja biomassan jalostaminen Jyväskylän seutu tunnetaan paperinvalmistukseen liittyvästä osaamisesta, ja seudulla toimii useita suuria metsäteollisuusyrityksiä. Alan tutkimus- ja kehittämispalvelut keskittyvät VTT:hen ja Jyväskylän yliopistoon. Molemmissa organisaatioissa on kehittämistoimintaa varten laaja valikoima laboratorio- ja pilottikokoluokan koelaitteita. Kansainvälistä yhteistyötä tehdään monessa tutkimusverkostossa, ja tukea tässä yhteistyössä saadaan alueellisesti toimivilta yrityksiltä. Tutkimusta toteutetaan yhteistyössä sekä maailmanlaajuisesti toimivien sellua ja paperia, paperikoneita ja -laitteita ja kemikaaleja valmistavien yritysten että laajan tutkimuspartneriverkoston kanssa. VTT:llä on vahva osaaminen kuituprosessien energia-, vesi- ja raaka-ainetehokkuuden sekä kuitutuotteiden kehittämisessä. Tutkimuksen painopiste pysyy tällä sektorilla tulevaisuudessakin. Perinteisen paperinvalmistuksen lisäksi Jyväskylän yliopisto ja VTT osallistuvat aktiivisesti myös biojalostamotutkimukseen. Tällä pyritään löytämään tehokkaampia keinoja erilaisten biomassassa olevien ominaisuuksien ja komponenttien hyödyntämiseen uusien tuotteiden kehittämiseksi ja valmistamiseksi. Tutkimus on vahvasti integroitu sellu- ja paperiteollisuuteen sekä puuperäisiin raaka-aineisiin. Tulevaisuudessa tutkimustyö kohdistuu myös turpeen sekä muiden biomassojen hyödyntämiseen. VTT has unique pilot-scale facilities for papermaking products. Kuva: VTT Puukuitutuotteet nyt ja tulevaisuudessa Vihreät laatikot tarkoittavat Keski-Suomen tutkimusaloja Havupuu Lehtipuu Energia Jakotislaus Pelletit Erottelu Solutehdas Lämpö Höyry Fischer Tropsch Puukuidun jalostus Liuennut selluloosa Selluloosa kemikaalit Biopolymeeri jalostus 14 Vety Puukuidut Selluloosa Nanoselluloosa Komposiittikuidut Pigmentit Retentiokemikaalit Filmit/kalvot Saostuskemikaalit Viskoosi Lämpömuovautuvat tuotteet Lateksi Nestemäiset liimat Sulateliimat Hienokemikaalit Lämpö Sähkö Polttoaine Kemikaalit Paperit Kartongit Komposiitit Hygieniatuotteet Tekniset tuotteet Suodattimet Tekstiilit Vesikemikaalit Paperin jalostus Päällysteet Puun jalostus Lääketiede Ravinteet Kosmetiikka Kaavio: VTT
Kuituprosessit ja biomassan jalostaminen Erityisosaaminen 2020 Kuituprosessit Energia-, vesi-, raaka-aine- ja kuituprosessien ja -tuotteiden kustannustehokkuus Biojalostamot Selluloosa- ja hemiselluloosapohjaisiin hiilihydraatteihin erikoistuneiden kemistien tunnettu kouluttaja Selluloosaan ja hemiselluloosan perustuva hiilihydraattikemia Turve biojalostamon raaka-aineena Kehitystarpeita Uusien tuotantokonseptien kehittäminen laajalle valikoimalle kuitutuotteita sekä uusien raaka-aineiden käyttäminen kuituprosesseissa Mallintamis- ja simulointityökalujen laaja hyödyntäminen sekä menestyksellinen vuorovaikutus mallintamisen ja kokeellisen toiminnan kesken Paperinvalmistukseen liittyvien prosessija konseptiyksikköjen kehittäminen energiatehokkuuden ja paperin laadun parantamiseksi Biomassapohjaisten tuotteiden ympäristövaikutusten arvioiminen Suuren kokoluokan turvetuotanto ja hallinta uusia jalostusmenetelmiä varten (myös turpeen muu kuin energiakäyttö) Käytettävissä olevien selluloosaja hemiselluloosapohjaisten hiilihydraattikemikaalien tuotannon markkinointi   BioLaakso-konseptin perustaminen Keski- Suomeen: metsäteollisuuteen liittyvän osaamisen yhdistäminen muuhun monipuoliseen biomassatutkimukseen VTT:ssä ja JYU:ssa (sisältää myös biotalouden) 15
Kestävyyden arviointi Kestävyyden arvioiminen on keskeistä kaikissa edellä kuvatuissa strategisissa tutkimusalueissa. Tulevaisuudessa biomassan tuotannon ja käytön kestävyyden arvioinnin on oltava pysyvä osa tutkimus- ja kehitystoimintaa. Arviointi on tehtävä sekä prosessi- että järjestelmätasolla. Kestävyyden arvioimiseen liittyvän tutkimuksen parissa toimivalla tutkijayhteisöllä on maakunnassa jo vahva ja monitieteellinen lähestymistapa. Yhteistyöverkosto linkittää yhteen tutkijoita monelta tieteenalalta, esim. talous-, yhteiskunta- ja ympäristötieteistä Jyväskylän yliopistossa sekä tutkijoita sektoritutkimuslaitoksilta, kuten VTT:ltä ja MTT:lta. Tutkimustyö on pääasiassa keskittynyt energiajärjestelmien ja -ratkaisujen arvioimiseen sekä tutkimusmenetelmien kehittämiseen. Lisäksi tutkimuksissa on hyödynnetty mm. teollisen ekologian (IE) ja elinkaarianalyysin (LCA) periaatteita. Kestävyyteen liittyvät asiat vaikuttavat yhä enemmän päätöksentekoon. On hyvin tärkeää pystyä arvioimaan, miltä osin tehdyt linjaukset ja paikalliset tavoitteet ovat suunnitellulla kehityspolulla. Keski-Suomessa bioenergian tuotantoketjujen energiatehokkuus- ja kasvihuonekaasutaseita on mallinnettu 90-luvun puolivälistä lähtien. Tämäntyyppisiä laskelmia käytetään nykyään esim. pellettituotannon sertifioinnissa, ja arvioitaessa millainen vaikutus esim. päästökaupalla tulee olemaan biomassan kohdentumisen kannalta paikallisessa energiajärjestelmässä. Uudet EU direktiivit, kuten RES-direktiivi ja polttoaineen laatudirektiivi, lisäävät myös tarvetta laskea tuotekohtaisia kasvihuonekaasujen ominaispäästöjä koko tuotantoketju huomioiden. Kestävyyden arvioimisen laskentamenetelmiä on edelleen tarvetta kehittää. Kestävyyden osa-alueet, kuten arvonlisä, työllisyys, maankäyttö ja huoltovarmuus kiinnostavat paikallisia päättäjiä. Lisäksi on tärkeää, että niitä pystytään tarvittaessa sisällyttämään arviointiin. Tulevaisuuden haasteena on myös pystyä arvioimaan, miten yksittäisen prosessin parametrien muutokset vaikuttavat koko järjestelmään. Tällainen lähestymistapa luo mahdollisuuden esim. tarkastella, minkä prosessin kehittämiseen on kestävyyskriteerien kannalta tärkeintä panostaa. Jotta tällaiset arvioinnit olisivat mahdollisia, on yhteistyön systeemianalyytikkojen ja prosessien T&K-toimintaa suorittavien tutkijoiden välillä oltava nykyistä aktiivisempaa. Tulevaisuudessa biomassan kasvattaminen, tuotanto ja käyttö todennäköisesti arvotetaan ja luokitellaan yhä useammin erilaisten kestävyyskriteerien perusteella. 16
Kestävyyden arviointi Erityisosaaminen 2020 Biomassan tuotanto- ja käyttöjärjestelmien kestävyyden monitieteellinen ja monipuolinen arviointi Biomassapohjaisten prosessien ja tuotantojärjestelmien energiatehokkuus- ja kasvihuonekaasupäästötaseet Kestävyyteen liittyvän tilinpäätöksen kehittäminen ja käyttöönotto Pääpaino biomassan käytössä Esim. alueellinen lähestymistapa vuositasolla Kehitystarpeita Lisää yhteistyötä Tieteenalojen välillä Systeemianalyysin ja teknisen T&K toiminnan välillä Tutkijoiden ja päättäjien välillä Menetelmäkehitys ja uusien laskentamenetelmien käyttöönotto Biomassan kasvattamisen kestävyysluokitus, tuotanto ja käyttö Hiilen ja ravinteiden virtausmalli Mallien käytön sovittaminen muiden alueiden olosuhteisiin Biomassan virtuaalinen prosessointimalli Lähtötiedot biomassan kasvattamisesta ja biomassajakeiden ominaisuuksista Biomassan tuotantoprosessit Uusien indikaattoreiden sisällyttäminen kestävyyskriteerien arviointiin (arvonlisä, työllisyys jne.) Laskentatyökalu Menetelmän kehittäminen Esittely ja testaus Sovittaminen Päivittäminen 17
Tutkimuksesta tuotteiksi ja palveluiksi Polttoaineanalyysit ja standardointi T&K-toiminnassa syntyneiden uusien ideoiden kaupallistamiseksi. Alueella on innovaatiotoiminnan yhteistyötä tekeviä tahoja, kuten paikalliset energiateknologian ja metsäteollisuuden osaamiskeskukset sekä seudullista bioenergian, konevalmistuksen ja rakennustekniikan klusteritoimintaa. Tämän lisäksi tutkimuslaitoksilla on sisäisiä prosesseja innovaatiotoiminnan tukemiseen. Rahoitus tutkimus- ja kehittämistyön tulosten kaupallistamiseksi on kuitenkin hajallaan. Uuden konseptin toimivuuden todistamiseen ja prototyyppivaiheeseen on vaikeampi löytää rahoitusta kuin tutkimuksiin ja selvityksiin. Tulevaisuudessa tähän on kohdistettava kehittämistoimenpiteitä, jotta saavutettaisiin alueellisesti merkittäviä tuloksia. Keski-Suomessa VTT:llä on laaja kokemus biomassasta tehtyjen polttoaineiden uusien analyysimenetelmien kehittämisestä fysikaalisten, mekaanisten ja kemiallisten ominaisuuksien analysoimiseksi. Polttoaineisiin liittyvät analyysipalvelut on keskitetty yhteen akkreditoituun polttoaineanalyysejä tarjoavaan laboratorioon. VTT johtaa eurooppalaista ja kansainvälistä kiinteiden biomassapolttoaineiden standardointitoimintaa ja osallistuu aktiivisesti myös pienen kokoluokan kiinteitä biopolttoaineita käyttävien polttolaitteiden standardointiin. Näitä standardointeja tuetaan lukuisissa tutkimus- ja testausprojekteissa yhteistyössä yritysten kanssa. Standardien viemistä käytännön tasolle tuetaan sertifiointijärjestelmillä. Innovaatiotoiminnan hallinta Suomi on tunnettu onnistuneesta innovaatiojärjestelmästään. Tämän lisäksi Keski- Suomessa on tehty suuria ponnistuksia VTT on kehittänyt epäpuhtauksien valvontamenetelmiä seospolttoainekattiloille. VTT:n menetelmillä kiinteitä polttoaineita käyttävät voimalaitokset voivat parantaa prosessien valvontaa ja hallintaa sekä tutkia eri polttoainesekoitusten kustannusvaikutuksia. Kuva: VTT 18
Tutkimuksesta tuotteiksi ja palveluiksi Erityisosaaminen 2020 Polttoaineanalyysi ja standardointi Johtavan aseman säilyttäminen polttoaineanalyysi- ja standardointipalveluissa jatkuvan kansainvälisen yhteistyön avulla Innovaatiotoiminnan hallinta Tutkimuksesta liiketoimintaan Kehitystarpeita Kansainvälinen yhteistyö edellyttää lisätiedon hankkimista esimerkiksi Aasiasta ja Afrikasta peräisin olevista eksoottisista biomassapolttoaineista Jatkuva, innovaatiotoimintaa tukeva järjestelmä Jatkuva prosessi, jossa kehitetään tutkimustuloksiin perustuvia kaupallisia tuotteita Prosessien mallintaminen ja optimointi Parempien menetelmien ja työkalujen kehittäminen ja kaupallistaminen kansainvälisille markkinoille Parempien menetelmien ja työkalujen kehittäminen biomassan tuotannon ja käytön hiili-, energia- ja päästötaseiden arvioimiseen Jatkuva prosessioppiminen prosesseja seuraamalla ja valvomalla Prosessien mallintaminen ja optimointi Monimutkaisten ilmiöiden parempaan ymmärtämiseen ja teollisuusprosesseihin liittyvien suurien tietomäärien käsittelemiseen tarvitaan usein matemaattisia malleja. Keski-Suomessa tutkimuslaitokset ja yritykset tarjoavatkin mallintamis-, simulointi- ja optimointipalveluja. Prosesseja kehitetään myös laboratoriomittakaavan analyyseillä sekä voimalaitosten ja tuotantolaitosten kenttämittauksilla. Kasvavaa kansainvälistä kiinnostusta on herännyt esim. uusiutuvien polttoaineiden seospolttosovelluksia kohtaan. Pääsyynä on hiilidioksidipäästöjen vähentäminen. Haastavien biopolttoaineiden käyttö lisää usein laitosten käyttöön liittyviä ongelmia, kuten likaantumista ja kattilan lämmönsiirtopintojen kuumakorroosiota. Tällaisia toiminnallisia ongelmia voidaan välttää kehittämällä voimalaitosten käyttäjiä palvelevaa palveluliiketoimintaa. 19
Mikä on BIOCLUS? BIOCLUS-hanke ( Developing Research and Innovation Environment in five European Regions in the field of sustainable use of Biomass) saa rahoituksensa Regions of Knowledge ohjelmasta, joka kuuluu Euroopan Unionin seitsemänteen tutkimuksen ja teknologian puiteohjelmaan. Sen tavoitteena on vahvistaa alueellista tutkimusyhteisöjä viidellä eurooppalaisella alueella: Keski-Suomi, Navarra (Espanja), Länsi-Makedonia (Kreikka), Slovakia ja Wielkopolska (Puola). BIOCLUS-hankkeen kokonaisbudjetti on 3,5 milj., josta 1,5 milj. hyödynnetään Keski-Suomessa. Hanke kestää kolme vuotta ja hanketta koordinoi Jyväskylän ammattikorkeakoulu. Projektin osapuolet Keski-Suomessa: Jyväskylän ammattikorkeakoulu, JAMK (koordinointi) kirsi.knuuttila@jamk.fi (www.jamk.fi) Teknologian tutkimuskeskus VTT eija.alakangas@vtt.fi (www.vtt.fi) Jyväskylän yliopisto margareta.wihersaari@jyu.fi (www.jyu.fi, www.susbio.jyu.fi) Jyväskylä Innovation Oy tytti.laitinen@jklinnovation.fi (www.jklinnovation.fi) Benet Oy asko.ojaniemi@benet.fi (www.benet.fi) Keski-Suomen liitto pirjo.ahola@keskisuomi.fi (www.keskisuomi.fi) Lisätietoja www.bioclus.eu The sole responsibility for the content of this report lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Communities. The European Commission is not responsible for any use that maybe made of the information contained therein. www.bioclus.eu