Maatalous ja energia Jukka Ahokas

Maatalous ja energia Jukka Ahokas 1

Sisältö 1 Mitä energia on? 3 1.1 Työ ja teho............................................ 3 1.2 Energia.............................................. 5 1.3 Hyötysuhde............................................ 7 2 Energia-analyysi 8 2.1 Maataloustuotannon energia-analyysit............................. 8 2.2 Energiataseet........................................... 9 2.2.1 Energiasuhde....................................... 9 2.2.2 Nettoenergiasaanto.................................... 10 2.2.3 Ominaistuotto...................................... 10 2.3 Päästöt.............................................. 10 2.3.1 CO 2 ekvivalentti...................................... 11 2.3.2 Hiilidioksidipäästö.................................... 11 2.3.3 Päästökauppa....................................... 12 3 Mihin energiaa käytetään ja mitä päästöjä siitä syntyy 13 3.1 Suora energian tarve....................................... 13 3.1.1 Peltoviljely........................................ 13 3.1.2 Rakennukset....................................... 15 3.1.3 Karjatalouskoneet.................................... 18 3.1.4 Kotieläintuotannon energian kulutus.......................... 19 3.2 Epäsuora energian käyttö.................................... 19 3.2.1 Koneiden valmistusenergia............................... 19 3.2.2 Rakennusten valmistusenergia.............................. 20 3.2.3 Lannoitteet ja kemikaalit................................ 20 2

1 Mitä energia on? Nimi energia juontaa kreikan kielestä ja tarkoittaa toimeliaisuutta tai toimintaa. Fysiikassa energia tarkoittaa sitä, että järjestelmällä on mahdollisuutta tehdä työtä. Energian SI-järjestelmän mukainen yksikkö on joule (J), mutta sen rinnalla käytetään myös muita yksiköitä, kuten kwh tai sen monikertoja. Perusyksikköä joulea käytetäänkin melko harvoin johtuen siitä, että energian kulutus mitataan muina kuin perusyksikköinä. Sähkö mitataan yksikössä kwh, nestemäisten polttoaineiden kulutuksena käytetään litroja ja kiinteiden polttoaineiden kuten polttopuiden kuutiometrejä. Energia voi esiintyä eri muodoissa, esim. potentiaalienergiana, liike-energiana, lämpöenergiana ja sähkömagneettisina energiana. Tavallisimmin energia muutetaan mekaaniseksi työksi tai sitä käytetään rakennusten lämmittämiseen tai ruuan tai rehun valmistamiseen. Polttomoottoreiden ja lämmityskattiloiden käytössä polttoaineiden kemiallinen lämpöenergia vapautetaan ja sen avulla tehdään mekaanista työtä tai lämmitetään rakennuksia tai prosesseja. Erilaisia energioita voidaan näin muuttaa muodosta toiseen. Muunnosten hyötysuhteet eivät ole 100% vaan niissä tapahtuu aina energian häviämistä siten, että muunnetussa muodossa on aina vähemmän energia kuin alkuperäisessä muodossa. 1.1 Työ ja teho Fysiikassa työ määritetään siten, että voima kerrotaan matkalla, tai jos kyse on pyörivästä voimansiirrosta momentti kulmalla, yhtälöt 1.1 ja 1.2. Teho ilmoittaa kuinka nopeasti työ on tehty ja se saadaan jakamalla työ ajalla, yhtälöt 1.3 ja 1.4. W = F s (1.1) W = M α (1.2) P = W t (1.3) P = F s t = F v (1.4) W = työ F = voima s = matka M = momentti α = kulma t = aika P = teho v = nopeus Sähkötekniikassa teho saadaan kertomalla virta jännitteellä kun kyseessä on tasajännite, yhtälö 1.5. Vaihtojännitteen tehossa pitää ottaa huomioon sähkölaitteen mahdollisesti aiheuttama virran ja jännitteen vaihe-ero. Tämän cosφ arvo on usein ilmoitettu laitteen konekilvessä. Yksivaiheisen sähkölaitteen teho saadaan yhtälön 1.6 avulla. Kolmivaiheisen sähkölaitteen teho saadaan laskemalla kunkin vaiheen tehot 3

1 Mitä energia on? yhteen. Usein kuormitus on symmetrinen eli kunkin vaiheen virta on yhtä suuri, silloin teho voidaan laskea yhtälön 1.7avulla. P = UI (1.5) U = jännite I = virta P = UIcosφ (1.6) φ = jännitteen ja virran välinen vaihe-ero P = 3U p I p cosφ (1.7) U p = pääjännite (nimellisarvo 400 V) I p = päävirta Edellä olevat sähkötekniikan tehoyhtälöt määrittävät verkosta otetun sähkötehon. Sähkölaitteella voi olla myös muitakin häviöitä ja saatu hyötyteho on edellä esitettyjä alhaisempi. Äes tarvitsee 10 kn vetovoiman ja äestysnopeus on 11 km/h. Mikä on äkeen teho ja tekemä työ kun työleveys on 5 m.? P=Fv = 10 kn 11 m= 30,6 kw. Traktorin moottorista vaaditaan tätä selvästi suurempi teho, koska osa moottoritehosta kuluu 3,6 s traktorin omaan liikkumiseen ja pyörien luistoon. Äkeen työsaavutus on q=bv=5m 11 3,6 m s m2 = 15,3 = 5,5 ha/h. Yhden hehtaarin s äestämiseen kuluu 0,18 h, jolloin tarvitaan 30,6 kw 0,18h=5,6 kwh työ. Yksi kwh = 1000 W 3600s = 3,6 MJ, jolloin perusyksikköä käyttäen saadaan 20,2 MJ/ha työ. Tehosta ja työstä puhuttaessa täytyy muistaa, että koneen tai laitteen kuorma määrittelee tarvittavan tehon, ei koneen nimellisteho. Moottoreiden nimellistehot on ilmoitettu niiden tyyppikilvissä. Nimellisteho tarkoittaa pitkäaikaiseen jatkuvaan työhön käytettävissä olevaa tehoa eikä sitä miten moottori kuormittuu työssä. Pumpun sähkömoottorin tyyppikilvessä on ilmoitettu nimellistehoksi 11 kw ja cosφ arvoksi on annettu 0,85. Kuinka suuren tehon moottori ottaa sähköverkosta? Esimerkkiä ei voida laskea, koska ei tiedetä moottorin kuormitusta. Se täytyy mitata esimerkiksi mittaamalla moottorin verkosta ottama virta. Mittauksissa on saatu, että moottori ottaa 6 A virran. Nyt voidaan laskea sen ottama pätöteho, P= 3 400V 6A 0, 85= 3,5 kw. Edellä on käsitelty mekaanista työtä ja tehoa sekä sähkötehoa. Maataloudessa käytetään myös ilman tai nesteen virtausta. Ilmaa käytetään kuivureissa siirtämään kosteus pois materiaalista ja karjasuojissa se huolehtii hyvästä sisäilmasta. Työkonehydrauliikassa käytetään öljyn virtausta ja painetta työn tekoon. Vesipumpuissa käytetään virtausta siirtämään vettä paikasta toiseen. Virtauksessa oleva teho saadaan yhtälön 1.8 avulla. Yhtälön paine p tarkoittaa virtauksen kokonaispainetta, staattisen ja dynaamisen paineen summaa. Dynaamisen paineen osuus on usein pieni ja virtauksen teho voidaan laskea pelkästään staattisen paineen avulla. P = q v p (1.8) q v = materiaalin tilavuusvirtaus p = paine Kuivuriuuni tuottaa 18 000 m3 ilmavirtauksen. Kuivuri ja vilja aiheuttavat 400 Pa vastapaineen (staattisen paineen). Mikä on h virtauksen teho? 4

1 Mitä energia on? P=18000 m3 400P a= 2000 W. Virtauksessa siirtyy koko ajan 2 kw virtausteho. Puhaltimien hyötysuhteet ovat 40-60 %, 3600s jolloin puhaltimen moottorin akseliteho on esim. 50% hyötysuhdetta käytettäessä 4 kw. Jos kyseessä on 3-vaiheinen sähkömoottori, P sen ottama virta verkosta on yhtälöstä 1.7 ratkaistuna I = 3Ucosφ. Kun cosφon esim. 0,9 ja pääjännite 400 V, saadaan I = 4000W 3 400V 0,9 = 6, 4A. Polttoaineen kulutuksesta voidaan haluttaessa laskea pinta-alaa kohti tehty työ. Kun polttoaineen kulutus pinta-alaa kohti tiedetään, sen lämpösisällön ja moottorin hyötysuhteen avulla saadaan tehty työ, yhtälö 1.9. W = H a q a ρ η mo (1.9) W = työ q a = polttoaineen kulutus pinta-alaa kohti η mo = moottorin hyötysuhde Polttomoottorin hyötysuhde voidaan laskea moottorin ominaiskulutuksesta, yhtälö 1.10. Ominaiskulutus riippuu moottorin kuormittumisesta sekä myös moottorin ominaisuuksista. Kun moottoria kuormitetaan reilusti ominaiskulutus on luokkaa 220-270 g/kwh. Kevyesti kuormitettuna ominaiskulutus on 300-400 g/kwh. Dieselöljyn tai moottoripolttoöljyn lampösisältö on 43 MJ/kg (11,9 kwh/kg). 1 η mo = (1.10) H a q om Kun yhtälöt 1.9 ja 1.10 yhdistetään, saadaan yhtälö 1.11. W = q a ρ q om (1.11) Kynnöllä polttoaineen kulutus on 18 l/ha ja koska on kyse raskaasta työstä voidaan moottorin katsoa kuormittuvan hyvin, jolloin ominaiskulutus on 250 g/kwh. Polttoaineen tiheys on 0,83 kg/l. Laske kynnön työ pinta-alaa kohti. 1 Moottorin hyötysuhde on h mo = MJ/ha. 1.2 Energia kg kw h 11,9 0,25 kw h kg = 33,6 %. Kynnössä tehty työ on W= 18 0,83 0,25 l kg kw h ha l kg = 59,8 kwh/ha = 215 Energialla tarkoitettiin kykyä tehdä työtä. Maataloudessa käytetään polttoaineita kiinteinä, nestemäisinä tai kaasumaisina energian lähteinä tai sähköenergiaa. Polttoaineiden sisältämä energia vapautetaan polttamalla ja se hyödynnetään joko lämpönä tai mekaanisena työnä. Energiasta käytetyt yksiköt vaihtelevat sen mukaan miten energiaa myydään. Sähköenergian määrä on helppo mitata kwh yksikkönä, joten sitä käytetään sähköenergian yksikkönä. Polttoaineet mitataan tilavuus- tai painomittoina ja ne ovat käytössä niiden kaupassa. Kuljetusvälineiden polttoaineet ostetaan aina litroina ja kulutukset ilmoitetaan litroina yhteisesti sovittua yksikköä kohti (l/100 km, l/h, l/(tn km)...). Joitakin aikoja sitten energian yksikkönä koko maata käsittelevissä tilastoissa käytettiin öljytonneja (toe, mtoe). Perusyksikköä joulea ei ole energian kaupassa käytössä. Taulukossa 1.1 on esitetty eri energiayksiköiden muuntosuhteita. MJ kwh toe kcal MJ 1 0,27778 0,00002388 238,89 kwh 3,6 1 0,00008598 860 toe 41990 11630 1 10000000 kcal 0,004199 0,001163 0,0000001 1 Taulukko 1.1: Energiayksiköiden muuntokertoimia 5

1 Mitä energia on? Nimi Lyhenne Suuruus kilo k 10 3 Mega M 10 6 Giga G 10 9 Tera T 10 12 Peta P 10 15 Exa E 10 18 Taulukko 1.2: SI-järjestelmän tuhansien kertaluvut ja niiden symbolit SI-järjestelmässä käytetään varsinaisen yksikön lisänä yhteisesti sovittuja kirjainsymboleja esittämään tuhansien kertalukuja, nämä on esitetty taulukossa 1.2. Materiaalien energiasisältö ilmoitetaan niiden lämpöarvojen avulla. Lämpöarvo tarkoittaa energiamäärää, joka materiaalista vapautuu lämpönä kun se poltetaan. Taulukossa 1.3 on esitetty muutaman materiaalin tyypillisiä lämpöarvoja silloin, kun tuote on täysin kuivaa. Energia muuntaminen lämmöksi tai työksi ei ole täysin häviötöntä, palamisessa päästään parhaillaan yli 90 % hyötysuhteeseen. Lihastyön hyötysuhde on parhaimmillaan yli 20 % eli syödyn leivän energiasta vain osa voidaan muuttaa fyysiseksi työksi. Polttomoottorit pystyvät muuntamaan polttoaineen energiasta parhaimmillaan 45% mekaaniseksi työksi. Materiaali Lämpöarvo MJ/kg Vilja 20 Olki 19 Rypsin siemen 37 Puu 19 Taulukko 1.3: Materiaalien tehollisia lämpöarvoja Materiaaleissa on aina kosteutta mukana ja se otetetaan huomioon vähentämällä veden osuus painosta sekä myös vähentämällä veden höyrystymiseen tarvittava energiamäärä, yhtälö 1.12. H a = H ak (1 w) 2, 443 w (1.12) H a = materiaalin tehollinen lämpöarvo käyttökosteudessa H ak = materiaalin kuiva-aineen lämpöarvo w = materiaalin vesipitoisuus Materiaalin vesipitoisuus voidaan ilmoittaa kahdella eri tavalla, joko aineen kuiva-aineen suhteen tai kokonaismäärän (vesi ja kuivamateriaali) suhteen. Yhtälössä 1.12 on käytetty jälkimmäistä tapaa ja se on meillä yleisesti käytetty ilmoitustapa. Vesipitoisuus määritetään kuivaamalla näyte-erä ja vähentämällä alkuperäistä painosta kuivattu paino saadaan näytteestä poistunut vesimäärä. Jos tätä verrataan alkuperäiseen painoon, saadaan ns märkäkosteus (wb = wet basis). Jos vertailuna on kuivattu paino, saadaan kuivakosteus tai kosteussuhde (db = dry basis). Tuotteen sisältämä energiamäärä saadaan siten kertomalla tuotemäärä sen lämpösisällöllä, yhtälö 1.13. E tuote = m H a (1.13) H a = materiaalin tehollinen lämpöarvo käyttökosteudessa m = tuotteen massa 6

1 Mitä energia on? 1.3 Hyötysuhde Energian käytössä ei päässä koskaan 100% hyötysuhteeseen, vaan prosessista riippuen hyötysuhde myös muuttuu. Lisäksi samankin prosessin tai käytön hyötysuhde riippuu monesti kuormituksesta. Hyötysuhde voidaan laskea tehon tai energian avulla, yhtälö 1.7. Hyötysuhdetta voidaan ajatella myös systeemianalyyttisesti. Piirrämme prosessin tai koneen ympärille rajan ja tarkastelemme energiavirtauksia systeemiin ja systeemistä pois. Saadun hyötytyön suhde systeemiin tulevaan energiaan on sen hyötysuhde. η = W E = η = hyötysuhde W = tuotettu työ tai energia E = työhön käytetty energia P työ = saatu teho P käyttö = käyttöteho P työ P käyttö (1.14) Viljan viljelyssä käytämme 35 GJ/ha ja saamme satona 3500 kg/ha viljaa. Mikä on viljelyn hyötysuhde? Sato on 3500 kg/ha ja sen varastointikosteus on 14%. Viljan energiasisältö on yhtälön 1.13 mukaisesti H a = 20 (1 0, 14) 2, 443 0, 14= 16,9 MJ/kg ja hehtaarilta saatu energiamäärä on 3500 16, 9=59 GJ/ha. Hyötysuhde on η = 59 = 169%. Hytötysuhdehan 35 on aina alle 100%, muutoin keksisimme ikiliikkujan. Tässä tapauksessa olemme 'unohtaneet' laskuista auringon energian. Jos hehtaarille tuleva auringon säteilyenergia otettaisiin mukaan, hyötysuhde olisi enään muutaman prosentin luokkaa. Emme siis keksineet ikiliikkujaa. 7

2 Energia-analyysi Käytettäviä menetelmiä on useita erilaisia ja niissä käytetään erilaisia systeemin rajauksia. Energiaanalyyseihin liittyy myös omaa terminologiaa ja nimityksiä. Näitä on esitetty mm Antikaisen raportissa [Antikainen 2010]. Alla on kyseisestä raportista poimittuja analyysien ja käsitteiden selostuksia: ˆ ˆ Nettoenergia-analyysi: Analyysissä verrataan tuotetun hyötyenergian määrää etsintään, jalostukseen ja jakeluun kuluvan kokonaisenergiamäärän. Tulos ilmoitetaan EROI (Energy Return on Investment) suhdeluvulla. Analyysin ongelmana on rajojen määrittely ja se, ettei se ota huomioon tuotetun energian käyttökohdetta. Exergia: Käytettävissä oleva energia, suurin mahdollinen työ, joka saadaan energia- tai materiaalivirrasta. Laskuja varten on kehitetty useita erilaisia menetelmiä. Exergialaskuissa on käytössä useita menetelmiä Cumulative Exergy Demand (CExD), Ecological Cumulative Exergy Consumption (ECEC), Extended Exergy Accounting (EEA), Cumulative Exergy Extraction from the Natural Environment (CEENE), Exergetic Life-cycle Analysis (ELCA)... ˆ Emergia: Tuotteen energiatarve lasketaan tarvittavan aurinkoenergian määrän avulla. 2.1 Maataloustuotannon energia-analyysit Maataloustuotannon energiankäyttö on lisääntynyt voimakkaasti. Tähän on syynä maapallon väestönkasvu, työvoiman siirtyminen maaseudulta asutuskeskuksiin ja uudet tuotantotekniikat. Maataloustuotanto perustuu nykyisellään hyvin voimakkaasti energian käyttöön, 70 % tuotannon energiasta kuluu polttoaineisiin ja lannoitteisiin. Jotta maataloustuotantoa ja erilaisia tuotantotapoja voitaisiin arvioida niille on tehty energia-analyysejä sekä elinkaariarviointeja. Nämä liittyvät tuotannon ja menetelmien ekologiseen arviointiin ja niiden merkitys kasvaa jatkuvasti. Maataloudessakin pyrkimyksenä on energiatehokas tuotanto kestävän kehityksen mukaisesti. Energia-analyyseissä käytetään usein seuraavia askeleita: ˆ ˆ ˆ Tuotantoprosessi rajataan systeemianalyysin mukaisesti siten, että sen ympärille piirretään raja. Tämän lähestymistavan ansiosta itse prosessien sisäistä toimintaa ei tarvitse tietää, riittää kun tiedetään rajapinnan ylittävät virrat (kuva 2.1). Tämän alueen sisälle meneviä energioita ja ulos tulevia energioita tarkastellaan niiden lukuarvojen avulla. Itse päätuotteen lisäksi myös sivutuotteiden energiat voidaan ottaa tarkasteluun mukaan. Verrataan saatua energiaa tuotantoon käytettyyn energiaan, jolloin saadaan tuotannon energiasuhde. Myös voidaan verrata tuotettua yksikköä kohti käytettyä energiamäärää. Jos halutaan tehdä elinkaariarviota, silloin tarkastellaan myös päästöjä. Riippuen siitä mitä halutaan tarkastella rajattu systeemi voi sisältää myös alisysteemejä. Esimerkiksi tilalla, joka harjoittaa vain viljan viljelyä, voidaan tarkastella koko tilaa yhtenä systeeminä. Silloin systeemiin tuotu energia polttoaineina, sähkönä tai lannoitteina on tuotantoon käytetty energiavirta. Vastaavasti saatu sato on tuotettua hyötyenergiaa. Jos tarkastellaan alasysteemejä, niin esimerkiksi maan muokkaus voi olla oma alasysteemi. Muokkausmenetelmästä riippuen samaan lopputulokseen voidaan joutua käyttämään eri määrä energiaa. Energian käytön lukuarvot vaihtelevat maalajin, sääolojen ja maantieteellisen sijainnin mukaan. Esimerkiksi viljan kuivausta ei tarvita edullisilla alueilla (esim. Keski ja Etelä Eurooppa). Jos kuivausta tarvitaan 8

2 Energia-analyysi siihen tarvittava energiamäärä riippuu viljan alkukosteudesta sekä myös ulkoilman lämpötilasta. Maalaji vaikuttaa voimakkaasti maan muokkaamiseen tarvittavaan energiamäärään. Analyyseissä pitääkin tämän takia selostaa laskentamenetelmät ja alkuarvot. Analyysien teko ei myöskään ole aina helppoa. Viljanviljelyssä sadoksi saadaan sekä olki että jyvät. Jos olkea ei pystytä hyödyntämään, sitä ei voida laskea hyödyksi. Kuva 2.1: Esimerkki viljelyn systeemianalyyttisestä tarkastelusta. 2.2 Energiataseet Tuotannolle voidaan laskea erilaisia energiataseita, kuten energiasuhteita, nettoenergiasaantoa tai ominaistuottoa. 2.2.1 Energiasuhde Energiasuhde lasketaan käytetyn energiamäärän ja tuotteesta saadun lämpömäärän avulla. Tämä voidaan laskea yhtälön 2.1 mukaisesti. N e = E tuote E tuotanto (2.1) N e = energiasuhde E tuote = tuotteen energiamäärä lämpöarvon mukaan laskettuna E tuotanto = tuotantoon käytetty energiamäärä Viljan hehtaarisato on 3500 kg/ha. Viljelyyn tarvitaan kaikkiaan energiaa 600 l/ha polttoöljymäärä. Mikä on tuotannon energiasuhde? Kevyen polttoöljyn lämpösisältö on 43 MJ/kg, tiheys 0,835 kg/l ja viljan lämpöarvo on 20 MJ/kg. Tämän perusteella saadaan viljelyyn käytetyksi panokseksi E tuotanto= 0,835 600 43 = 21,5 GJ/ha. Vastaavasti sadossa on E tuote = 3500 20 = 70 GJ/ha energiamäärä, jolloin Ne = 70/21,55 = 3.3. Viljassa saadaan siten 3,3 kertainen energiamäärä, kun sitä verrataan käytettyyn panokseen. Olkisato voi olla lähes samansuuruinen kuin jyväsato, jolloin jos oljet voitaisiin hyödyntää saataisiin kuusinkertainen energiasuhde. Olkien energiakäyttö on kuitenkin hankalaa ja esimerkiksi lämmityskäyttöön tarvittaisiin olkien kuivaamista. Tuotannossa pitäisi päästä aina yli yhden energiasuhteeseen, muutoin tuotannossa käytetään enemmän energiaa kuin mitä tuotteesta saadaan. Etenkin energian tuotannossa tämä on tärkeää, ruuan tuotannossa kyseessä on esimerkiksi ihmiselle kelpaamattoman biomassan (heinä) muuttamisesta ravinnoksi kelpaavaan muotoon (maitotuotteet, liha). Kasvintuotannon tyypillisiä energisuhteiden arvioita on esitetty taulukossa 2.1. 9

2 Energia-analyysi Kasvi Energiasuhde N e Vilja 3-5 Ruokohelpi 8-15 Säilörehu 5-8 Taulukko 2.1: Tyypillisiä peltotuotannon energiasuhteita 2.2.2 Nettoenergiasaanto Nettoenergiasaannossa lasketaan kuinka paljon hyötyenergiaa pystytään tuottamaan, yhtälö 2.2. Usein nettoenergiasaanto lasketaan pinta-alaa eli yhtä hehtaaria kohti. E netto = E tuote E tuotanto (2.2) E netto = tuotannon nettoenergiasaanto Example. Edellisen laskun nettoenergia hehtaarilta on 70 GJ - 21,5 GJ = 48,5 GJ, jolloin E netto = 48,5 GJ/ha. 2.2.3 Ominaistuotto Ominaistuotossa lasketaan kuinka paljon tuotetta tuotetaan tuotantoon käytettyyn energiamäärään nähden, yhtälö 2.3. Ominaistuottoa käytetään kun halutaan verrata eri tuotantoja. Luku ilmaisee suoraan tuotannon energiatehokkuuden ja sen avulla voidaan verrata esim. erilaisia tuotantotapoja. N o = S E tuotanto (2.3) N o = ominaistuotto S = sadon määrä Edellisten laskujen mukaan hehtaarisato oli 3500 kg/ha ja siihen käytettiin 21,5 GJ/ha energiamäärä. Ominaistuotto on siten N o = 3500 21,5 = 163 kg/gj eli 1 GJ energiapanoksella saadaan 163 kg viljaa. 2.3 Päästöt Samalla lailla kuin energia-analyyseissä myös päästöjen tai toiminnan luontoon aiheuttaman vaikutuksen arvioinnissa on useita erilaisia menetelmiä käytössä. Näitä eri menetelmiä on selostettu tarkemmin Antikaisen raportissa [Antikainen 2010]. Alla on lyhyt kuvaus kustakin menetelmästä: ˆ ˆ Hiilijalanjälki:Alunperin kyseessä oli osa ekologista jalanjälkeä. Se kuvasi metsämaan pinta-alaa, joka tarvittiin tietyn hiilidioksidimäärän sitomiseen ilmakehästä. Myöhemmin hiilidioksidiekvivalentteja on alettu kutsumaan hiilijalanjäljeksi. Hiilijalanjäljellä onkin monia erilaisia määritelmiä ja rajauksia ja analyysien tulokset voivat vaihdella huomattavasti. Tätä menetelmää ollaan parhaillaan standardoimassa kansainvälisesti. Ekologinen jalanjälki: Ekologisella jalanjäljellä tarkoitetaan sitä maa- ja vesipintaa, joka tarvitaan kulutuksen resursseihin ja jätteiden käsittelyyn. Ekologista jalanjälkeä verrataan biokapasiteettiin (tuottavaan maapinta-alaan) ja sen avulla arvioidaan onko toiminta kestävää. Esimerkiksi Suomella on käytettävissä enemmän biokapasiteettia kuin kulutus tarvitsee. 10

2 Energia-analyysi ˆ Vesijalanjälki: Virtuaalinen vedenkulutus summaa koko tuotannon aikaisen vedenkulutuksen. Vesijalanjälki jakaa kulutuksen kolmeen komponenttiin: sininen vesi (haihdutettu pinta- ja pohjavesi), vihreä vesi (haihdutettu sadevesi) ja harmaa vesi (saastunut vesi). Soveltamista varten on julkaistu ohjeistuksia ja oppaita, esim. http://www.waterfootprint.org. 2.3.1 CO 2 ekvivalentti Tuotannon ilmastovaikutus otetaan huomioon laskemalla tuotannon hiilidioksidiekvivalentti (CO 2 -ekv., CO 2e ). Ilmaston lämpenemistä laskettaessa käytetään yleisesti IPCC laskentamenetelmää [IPCC1996]. Siinä lasketaan päästökaasujen vaarallisuus siten, että esim. 100 vuoden ajanjaksolla metaanin GWPkerroin (Global Warming Potential) on 24,5 ja typpioksudulin 320. Hiilidioksidin kerroin on 1 eli metaani on 24,5 kertaa ja typpioksuduli 320 kertaa haitallisempi kuin hiilidioksidi. Biopolttoaineiden poltossa hiilidioksidia ei oteta huomioon, koska kasvien ajatellaan sitovan sen uudelleen kasvukierrossa. 2.3.2 Hiilidioksidipäästö Kun lasketaan polton aiheuttamaa hiilidioksidimäärää, silloin päästömäärä saadaan suoraan polttoaineen hiilen muuttumisesta hiilidioksidiksi. Arvot voidaan laskea polton kemiallisista yhtälöistä kun polttoaineen keskimääräinen koostumus tiedetään. Tilastokeskus käyttää laskennassaan taulukon 2.2 mukaisia arvoja. Taulukkoon on kerätty myös polttoaineiden tyypillisiä tiheyksiä. Kiinteiden polttoaineiden osalta on muistettava, että niiden tilavuuspainot (kuormapainot) ovat huomattavasti tiheyttä pienempiä. Kaasumaisten polttoaineiden tiheys riippuu myös lämpötilasta ja paineesta. Polttoaine CO 2 päästö g/mj Lämpöarvo MJ/kg Tiheys kg/dm 3 Nestekaasu 65,0 46,2 Moottoribensiini 72,9 43,0 0,75 Dieselöljy ja moottoripolttoöljy 73,6 42,8 0,82-0,84 Kevyt polttoöljy 74,1 42,7 0,82-0,84 Raskas polttoöljy 78,8 41,1 0,9-1,0 Maakaasu 55,04 kg/m 3 36,0 MJ/m 3 Jyrsinturve 105,9 10,1 Puu 109,6 7,5-14,0 0,4-0,6 Ruokohelpi 100,0 14,6 Vilja ja olki 109,6 13,5 Biokaasu 56,1 kg/m 3 20,0 MJ/m 3 Taulukko 2.2: Tilastokeskuksen laskennassa käyttämät hiilidioksidipäästömäärät Traktori kuluttaa kynnössä 20 l/ha moottoripolttoöljyä. Kuinka suuri hiilidioksipäästö siitä syntyy ja kuinka paljon energiaa käytetään hehtaaria kohden? Moottoripolttoöljyn tiheys on 830 g/l ja lämpösisältö 43 MJ/kg, jolloin hehtaaria kohti käytetään 20 0, 83= 16,6 kg polttoainetta. Hehtaaria kohden käytetään 16,6 43=714 MJ, mikä vastaa 198 kwh. Hiilidioksidipäästö on 714 73,6 = 52,6 kg/ha. Miksi hiilidioksidia syntyy enemmän kuin mitä polttoainetta alunperin on? Kun lasketaan ekvivalenttisia hiilidioksidipäästöjä, silloin otetaan huomioon myös muiden kaasujen päästöt, yleensä metaani ja typpioksiduli. Esimerkiksi Mäkinen et al [Mäkinen et al 2006] käyttivät työkoneiden päästöinä 98,48 g/mj pa. Tämä saatiin lisäämällä hiilidioksidipäästöön palamisen metaanipäästö 0,004 g/mj pa ja typpioksidulipäästö 0,031 g/mj pa. Metaanin ja typpioksidulin korkeista kertoimista (21 ja 310) johtuen kokonaispäästö lisääntyy pelkkään hiidikioksidipäästöön verrattuna reilusti. 11

2 Energia-analyysi 2.3.3 Päästökauppa Päästökaupassa käytetään omaa päästökerrointa hiilidioksidipäästön laskennassa, yhtälö 2.4[Energiamarkkinavirasto]. k = 3664 C (1 w) H a (2.4) k = päästökerroin C = kuiva-aineen hiilipitoisuus w = polttoaineen vesipitoisuus H a = polttoaineen tehollinen lämpöarvo 12

3 Mihin energiaa käytetään ja mitä päästöjä siitä syntyy Tuotannossa käytetyt energiat voidaan jakaa kahteen osaan, suoraan ja epäsuoraan käyttöön. Suoraa käyttöä ovat viljelykautena tarvittavat polttoaineet ja sähköenergia. Epäsuoraan energian tarpeeseen kuuluu koneiden valmistukseen ja huoltoon tarvittava energia. Lannoitteiden ja kemikaalien valmistus luentaan usein epäsuoraan energian tarpeeseen. Niiden levittäminen pellolle on suoraa energian tarvetta. Epäsuoran energian laskennassa joudutaan usein ongelmatilanteisiin, koska laskentaketju vaikuttaa päättymättömältä. Esimerkiksi maataloustyökoneiden valmistusta varten pitää hankkia koneita ja rakentaa rakennuksia ja taas näiden koneiden rakentamiseen tarvitaan omat koneet jne. Tämä ketju katkaistaan usein silloin, kun osan vaikutus kokonaiskulutukseen on alle 5%. Suoran ja epäsuoran energian tilastointi vaikuttaa myös erilailla energiansäästölukemiin. Maatalous voi säästää ravinnekierrolla ravinteita, mutta tämä säästö näkyy lannoitteiden valmistumisen vähenemisen takia teollisuuden energiankulutustilastoissa. 3.1 Suora energian tarve 3.1.1 Peltoviljely Suoran polttoaineen kulutuksen ja kemikaalien valmistusenergioiden arvoja on taulukossa 3.1. Nämä arvot vaihtelevat maalajin, maan kosteuden, ajonopeuden, kasvuston ja konetyypin mukaan. Arvot ovat siten vain tyypillisiä arvoja kyseiselle työlle. Traktorin ja työkoneen koolla on normaalisti pieni vaikutus hehtaari kohti laskettuun polttoaineen kulutukseen. Esimerkiksi äestettäessä meidän on tehtävä tietty työ jolla maa murretaan ja tämä aiheuttaa peruskulutuksen. Oikein valittuja koneita käytettäessä koneiden vaikutus on vähäinen. Yleensä energiankulutukset lasketaan yhteen ja muunnetaan polttoaineen lämpösisällön avulla energiaksi, yhtälö 3.1. Taulukossa 2.2on annettu eri polttoaineiden energiasisällöt. E = H a q pa ρ (3.1) E = energia q pa = polttoaineen kulutus ρ = polttoaineen tiheys H a = polttoaineen tehollinen lämpöarvo Kynnössä polttoainetta tarvitaan 25,1 l/ha, mikä on tätä vastaava energiamäärä? Kun polttoaineen tiheys on 0,83 kg/dm 3, saadaan E=43MJ/kg 25,1 l/ha 0,83 kg/dm 3 = 896 MJ/ha. Tämä voidaan muuttaa yksikköön kwh, jolloin saadaan 249 kwh. Energiataseet lasketaan koko vijelykaudelle ja siihen otetaan mukaan kaikki pellolla tehty työ. Myös kuljetukset otetaan huomioon, samoin viljankuivaukseen ja käsittelyyn kuluva energia. Viljan kuivauksessa kulutetaan taulukon 3.1 mukaan 120 g eli 1,5 dl polttoöljyä haihdutettua vesikiloa kohden. Tämä vastaa 5,2 MJ tai 1,4 kwh energiamäärää. Puitavan viljan kosteudet vaihtelevat vuosittain ja haihdutettava vesikilomäärä ja tavittava energiamäärä muuttuu sen mukaisesti, yhtälö 3.2. M vp = M s w a w l 1 w a (3.2) 13

3 Mihin energiaa käytetään ja mitä päästöjä siitä syntyy Työ Kulutus l/ha Kyntö 25,1 Sänkimuokkaus, piikkiäes 10,0 Sänkimuokkaus, lautasäes 7,2 Pintaäestys 4,5 Kylvömuokkaus 5,4 Kylvö, yhdistelmäkone 3,7 Suorakylvö 7,6 Lannoitteen pintalevitys 2,9 Ruiskutus 1,8 Puinti 15,1 Heinän niitto 6,0 Viljan kuivaus 120,0 (g polttoöljyä haihdutettua vesikiloa kohden) Paalaus 0,5 l/paali Kuljetus tiellä 0,06 l/ton km Typpilannoitteen valmistus 49,2 MJ/kg Fosforilannoitteen valmistus (P 2 O 5 ) 15,5 MK/kg Kalilannoitteen valmistus (K 2 O) 9,7 MJ/kg Torjunta-aineiden valmistus 273,6 MJ/kg Kalkki 1,3 MJ/kg Taulukko 3.1: Peltotöiden energiakulutuksia[mikkola and Ahokas 2009] M vp = poistettava vesimäärä M s = sato loppukosteudessa w a = viljan puintikosteus w l = kuivauskosteus Vuotuinen tilan viljasato on 350t (13 %b vilja). Keskimääräinen puintikosteus on 22% ja vilja kuivataan 13% kosteuteen. Kuinka paljon haketta pitää varata kuivausta varten? Lasketaan ensin poistettava vesimäärä, M vp = 350t 0,22 0,13 = 40, 4t. Jokaisen vesikilon poistamiseen tarvitaan 5,2 MJ energiaa 1 0,22 eli kaikkiaan tarvitaan 210 GJ tai 58350 kwh energiaa. Jos hake on 25% kosteusta, yhden hakekilon energiamäärä on yhtälön 1.12 mukaan, H a = (1 0, 25) 19 MJ MJ 210000MJ - 2,443 0, 25 = 13,6 MJ/kg. Tästä saadaan tarvittava hakemäärä, =15440 kg. kg kg 13,6 MJ kg Jos hakkeen tilavuuspaino on 200 kg/m 3, saadaan tarpeeksi 77 m 3. Tässä laskussa ei ole otettu huomioon kattilahyötysuhdetta. Hakekattilalle voitaisiin käyttää 80% hyötysuhdetta, jolloin tarvittava hakemäärä on 77m3 = 96 0,8 m3. Viljelykierrossa tehdään seuraavat toimenpiteet, kyntö syksyllä, äestys kolmeen kertaan keväällä, kylvö, kasvinsuojelu, puinti ja kuivaus. Kuinka paljon energiaa kulutetaan hehtaaria kohti kun satotaso on 3,5t ja puintikosteus on 20%? Alla olevassa taulukossa on laskettu yhteen eri töiden energian kulutukset sekä myös hiilidioksidimäärät. Suurimpana kuluttajana on viljan kuivaus, joka kuluttaa lähes yhtä paljon kuin muut työt yhteensä. 14

< d ed dd ed: ddd: ^ 3 Mihin energiaa dddd käytetään ja mitä päästöjä dde ddl siitä syntyy Kd < l d dedd D: edd d d d D: t d d < < d de d dd d dee eee ded dde Kd < ddd ee W < dd d d e dde < d d de dedd dddd ddd z dde deed dded deed dddd d d 3.1.2 Rakennukset Rakennusten energiankulutusta voidaan tarkastella määrittelemällä rakennukseen tulevat ja siitä lähtevät energiavirrat. Usein rakennusten sijaan tarkastellaan siellä tapahtuvaa tuotantoa. Silloin tuotantoon viety rehu voidaan myös muuttaa energiavirraksi sen lämpösisällön mukaan. Jotta erilaisten tuotantojen energiantarpeita voitaisiin verrata toisiinsa, kulutukset ilmoitetaan tuotantoyksikköä kohti. Tuotantoyksiköksi voidaan valita esim. eläinyksilö tai tuotettu määrä massana. Lisäongelmana tarkasteluissa on tuotannon kaksijakoisuus, esim. lypsylehmä tuottaa myös vasikoita ja lihaa. Tällöin käytetty energia pitää jakaa eri tuotantojen kesken. Kun rakennuksen ja ulkoilman välillä on lämpötilaero, lämpöä virtaa lämpimästä kylmään suuntaan. Meillä suurimmaksi osaksi kyse on rakennuksesta pois virtaavassa lämmössä, jolloin tarvitaan lämmitystä korvaamaan lämpöhäviöitä. Kesäaikaan tapahtuu toisin päin, ulkoa virtaa lämpöä rakennukseen aiheuttaen kuumat olosuhteet rakennuksessa. Lämpö voi siirtyä kolmella eri tavalla. Johtumalla lämpö siirtyy rakenteita pitkin tai nesteen tai kaasun sisällä ilman, että neste tai kaasu liikkuisivat. Siirtymällä (konvektio) lämpö siirtyy paikasta toiseen. Tämä voi tapahtua vapaasti, jolloin lämpötilaerojen aiheuttama tiheysero aiheuttaa virtauksen tai pakotettuna, esimerkiksi pumpun tai puhaltimen avulla. Lämpö voi siirtyä myös säteilynä, esim. infrapunasäteilynä säteilylämmittimistä, auringosta tai tulisijasta. Tuotantorakennusten lämpöhäviöt muodostuvat lämmön johtumisesta rakenteiden läpi ja ilmanvaihdon kautta ulos siirtyvänä lämpönä. Lämmön johtuminen Lämmön johtumisessa siirtyvä lämpöteho saadaan yhtälöstä 3.3, kuva 3.1. Lämpötehon tarve riippuu rakennemateriaalien lämmönjohtavuuksista, rakennuksen koosta ja lämpötilaerosta. Mitä parempaa eristemateriaalia käytetään, sitä pienempi tehontarve on. Kovat pakkaskelit aiheuttavat suuren lämpötilaeron rakennuksen ja ulkoilman välille ja sitä kautta lämpöteho on suuri. Suuressa rakennuksessa lämpöä johtavaa pinta-alaa on paljon, jolloin lämpöteho on myös tämän takia suuri. Lämmityksen huipputehon tarve voidaan myös arvioida rakennuksen sisäkuutiotilavuuden perusteella. Uusissa asuintaloissa tarvitaan 25-30 W/m³ ja vanhoissa 35-50 W/m³. 15

3 Mihin energiaa käytetään ja mitä päästöjä siitä syntyy T 2 T 1 P Kuva 3.1: Lämmön johtuminen seinämän läpi P = DQ Dt = la DT Dx Q = lämpövirta t = aika l = lämmönjohtavuus A = virtauksen poikkileikkausala DT = lämpötilaero Dx = seinämän paksuus (3.3) Eri materiaalien tilavuuspainoja, lämmönjohtavuuksia ja valmistusenergian tarpeita on esitetty taulukossa 3.2 Materiaali Tilavuuspaino kg/m 3 Lämmönjohtavuus W m K Valmistusenergian tarve MJ/kg Ilma 1,2 0,024 Leca-sora 270-400 0,08-0,10 Lasivilla 50-70 0,045-0,050 Vuorivilla 20-250 0,040-0,070 14,4 Sahanpuru 120-200 0,08-0,12 Tiiliseinä 1600-1800 0,4-0,9 Sahatavara 500 0,14 4,3 Betoni 2300 1,7 0,96 Vilja 600-800 0,13-0,14 (14% kost.) Taulukko 3.2: Materiaalien lämmönjohtavuuksia ja valmistusenergian tarpeita [RT-Ympäristöseloste] Seinän lämmönjohtavuus on 0,35 W/mK. Jos seinän paksuus on 200 mm ja seinäala on 30 m², kuinka suuri lämpöteho menee seinämän läpi, kun sisälämpötila on 22 C ja ulkolämpötila on - 20 C? Lämpötilaero T = 22 C - (- 20 C) = 42 C, jolloin P=0,35 W m K 30m2 42K 0,2m =2,2 kw Materiaalien lämmönjohtavuuskertoimiin vaikuttaa materiaalin kosteus sekä myös lämpötila. Todellisuudessa kertoimet eivät ole täysin vakioita, vaan ne muuttuvat hieman olosuhteiden mukana. Seinämä- 16

3 Mihin energiaa käytetään ja mitä päästöjä siitä syntyy rakenteissa ei käytetä pelkästään yhtä materiaalia, vaan ne koostuvat useista erilaisista materiaaleista. Tälläisen kerroksen lämmönsiirtyminen lasketaan lämmönsiirtokertoimen eli U-kertoimen avulla. Kunkin kerroksen U-kerroin saadaan yhtälöstä 3.4. U = λ L U = eristeen lämmönläpäisykerroin l = lämmönjohtavuus L = eristepaksuus Seinän lämmönjohtavuus riippuu sen rakenteesta. Eniten lämmönjohtavuuteen vaikuttaa eristemateriaali ja sen paksuus. Lämpö voi siirtyä seinän läpi konvektion avulla, jos siinä ei ole kunnon tuulensuojaa. Tällöin voimakas tuuli puhaltaa eristemateriaalin läpi ja se toivoo lämmöneristeen sijasta ilman suodattimena. Samoin kosteus voi tuhota lämmöneristeen. Jos kosteus pääsee lämmöneristeen sisään ja kondensoituu sinne, eristyskyky häviää ja sisälle alkaa muodostumaan homeita. Seinärakenteelle kuten muillekin rakenteille lasketaaan kokonais U-arvo ottamalla huomioon eri osien U-arvot, ythälö 3.5. (3.4) 1 U = 1 U 1 + 1 U 2 +... + 1 U n (3.5) Seinä muodostuu 150 mm paksusta lasivillasta (l = 0,05 W/mK) ja sen kahta puolta olevasta 22 m paksusta laudasta (l = 0,14 W/mK). Kuinka suuri on 50 m² seinän läpi tapahtuva lämpötehon virtaus, kun lämpötilaero on 30 K? U-arvot eri osille ovat: lauta ulkopuolella U 1 = 0,14W/mK/0,022m = 6,36 W/m²K, eriste U 2=0,05/0,15 = 0,33 W/m²K ja sisäpuolen U 3 = U 1. Koko seinamän U-arvo on: 1/U=1/6,36+1/0,33+1/6,36=3,34 = U = 0,30 W/m²K. Seinämän läpi virtaava lämpöteho on P = 0,30 W/m²K 50 m² 30 K = 0,45 kw. Seinämien U-arvo riippuu niiden rakenteista. Jos seinässä on 100 mm villaeriste, U-arvo on 0,40 W/m²K. Uusien asuinrakennusten lämpöeristyksen seinien U-arvo on < 0,3 W/m²K. Vanhojen asuinrakennusten lämpöeristyksen seinien U-arvo on 0,3-0,5 W/m²K. Nämä määrykset tiukentuvat koko ajan ja tavoitteena on nollaenergiarakenne, jolloin lämmitystarvetta ei olisi. Yläpohjan 150 mm villaeristeen U-arvo on 0,30 W/m²K. Katon kautta voi tulla kesällä myös lämpöä rakennukseen. Auringon lämmittämä katto ja ullakkotila aiheuttavat lämmön siirtymistä karjasuojaan. Uusien asuinrakennusten lämpöeristyksen yläpohjien U-arvo < 0,25 W/m²K. Vanhojen asuinrakennusten yläpohjien lämpöeristyksen U-arvo 0,25-0,5 W/m²K. Ovien sekä ikkunoiden kohdalla U-arvo on luokkaa 2-3 W/m²K. Ikkunoiden kautta tulee myös lämpöä sisään kesällä, kun auringon valo lämmittää rakenteita. Lämmönläpäisykertoimen (U-arvo) käänteislukua kutsutaan lämmönvastukseksi (R-arvo). Yhtälö 3.5 muuttuu silloin muotoon R = R 1 + R 2 +... + R n. Maatalouden tuotantorakennukset on pääsääntöisesti perustettu maavaraiselle pohjalle. Lattian kautta tapahtuvassa lämpöhäviöissä pohja käsitellään kahtena eri osana. Keskellä rakennusta lämpöhäviö on yleensä pieni, koska lattian alla oleva maa pysyy lämpimänä. Rakennuksen reunalla tapahtuu lämpöhäviöitä reunan alta maahan ja sieltä edelleen rakennuksen ulkopuolelle pintaan. Lämmöneristeet sijoitetaan tämän takia suuremmaksi osaksi reunaan, koska siellä lämpöhäviöt ovat suuret. Lämpimien rakennusten alapohjan lämpöhäviöille on myös karkeampi laskutapa, jossa lämpöhäviö on luokkaa 6 W/m² pohjapintaalan ollessa 300 m² ja 13 W/m² pohjapinta-alan ollessa 50 m². Lämpöhäviö voidaan tietysti laskea rakennuksen eri osille erikseen, kun tiedetään kunkin osan lämmönjohtavuus ja lämpötilaerot. Maatalousrakennusten ja rakennusten suunnittelu- ja laskentaohjeina voidaan käyttää ympäristöministeriön ja maa- ja metsätalousministeriön ohjeita, [?], [?], [MMM RMO C2.2]. Ilmanvaihdon lämpöhäviö Meidän olosuhteissa tuotantorakennuksia joudutaan lämmittämään ja hyvän sisäilman aikaansaamiseksi tarvitaan ilmanvaihtoa. Ilmanvaihdon mukana lämmennyttä ilmaa virtaa ulos ja tilalle tuleva kylmä korvausilma on lämmitettävä huonelämpöiseksi. Ilmanvaihdon lämpöhäviö voidaan laskea 17

3 Mihin energiaa käytetään ja mitä päästöjä siitä syntyy P = c i q v ρ i T (3.6) P = ilmanvaihdon aiheuttama lämpöhäviö c i = ilman lämpökapasiteetti, 1,0 kj kg K q v = ilmanvaihdon tilavuusvirta ρ i = ilman tiheys T = sisä- ja ulkolämpötilan erotus Lypsylehmä tarvitsee vähintään 55 m 3 /h ilmanvaihtomäärän ([MMM RMO C2.2]). Jos sisälämpötila on 12 ºC ja ulkolämpötila -20 ºC, kuinka paljon yhden lehmän ilmanvaihtomäärän lämmittäminen kuluttaa energiaa? Käytetään laskussa ilman tiheytenä 1,2 kg/m 3 (ilman tiheys on 0 ºC 1,29 kg/m 3 ja 15 ºC lämpötilassa 1,23 kg/m 3 ). P=1,0 kj kg K 55m3 3600s 1, 2 kg m 3 (12 + 20)K = 0,6 kw. Lypsylehmän oma lämmöntuotto on myös tätä suuruusluokkaa eli lehmä pystyisi tuottamaan hengitysilmansa lämmittämiseen tarvittavan lämmön. Rakenteiden muiden osien lämmöntarpeisiin tätä lämpöä ei enään riittäisikään. Ilmanvaihtomäärä määräytyy kolmen eri asian perusteella. Ilmanvaihdon pitää olla riittävän, jotta rakennuksen kosteus ja hiilidioksidipitoisuus pysyisivät alhaisina. Lisäksi ilmanvaihtoa tarvitaan siirtämään liikaa lämpöä rakennuksesta pois. Talvikuukausina kosteuden poisto ja hiilidioksidin poisto ovat pääosissa. Kesäkautena taasen ilmanvaihtoa tarvitaan lämmön poistoon. Tämän takia puhutaankin minimija maksimi-ilmanvaihdoista. Lämmön poistoon tarvitaan aina suurempi ilmanvaihtomäärä ja se määrää maksi-ilmanvaihtotarpeen. Minimi-ilmanvaihdon taas määrittää kosteuden tai hiilidioksidin poisto. Kuvassa 3.2on esimerkki siitä, miten sikalan lämmönvaihtomäärä yhtä sikaa kohti muuttuu elopainon ja olosuhteiden muuttuessa. Kuva 3.2: Sian ilmanvaihtomäärän tarve painon muuttuessa. Ulkolämpötila - 8C ja 500%. CO2 = hiilidioksidin poistoon tarvittava ilmanvaihtomäärä, Lämpö = lämmön poistoon tarvittava ilmanvaihtomäärä, Märät pinnat = eläinten ja märkien pintojen tuottaman kosteuden poistoon tarvittava ilmanvaihtomäärä, Kosteus = eläinten tuottaman kosteuden poistoon tarvittava ilmanvaihtomäärä 3.1.3 Karjatalouskoneet Karjatalouskoneet tarvitsevat oman käyttöenergiansa. Lisäksi energiaa tarvitaan lämpimän pesuveden tuottamiseen. Nämä energiatarpeet riippuvat tuotantosuunnasa ja eläimistä. Taulukkoon 3.3 on kerätty Hörndahlin tutkimuksessa saatuja karjan energiankulutuslukuja ([Hörndahl 2007]). Luvut vaihtelevat 18

3 Mihin energiaa käytetään ja mitä päästöjä siitä syntyy huomattavasti, esimerkiksi ilmanvaihdon sähköenergian tarve on luonnollista ilmanvaihtoa käytettäessä hyvin pieni tai sitä ei ole ollenkaan. Rakennuksissa voi olla myös muita sähkökoneita, esim. erilaisia sähkölämmittimiä, tietokoneita ja ruokinnan ohjauslaitteita, jotka voivat kuluttaa kohtuullisen paljon energiaa (muu käyttö). Lypsy kuluttaa runsaasti energiaa, näihin lukuihin on laskettu mukaan pesu, lypsy ja maidon jäähdytys. Eläimnet voidaan ruokkia monella eri rehulla ja tavalla ja sen takia ruokinnan kulutukset myös vaihtelevat runsaasti. Kohde Maito kwh/lehmä/vuosi Sianliha kwh/sikapaikka/vuosi Muna kwh/kanapaikka/vuosi Valaistus 2-230 0,3-6,3 0,001-2,4 Lypsy 220-680 Ruokinta 18-640 1-89 0,003-0,13 Lannanpoisto 0,2-100 0,1-8 0,01-1,2 Ilmanvaihto 1-160 18-32 1,3-2,2 Muu käyttö 1-145 1,9-164 0,03-0,30 Taulukko 3.3: Karjan energiankulutus lukemia 3.1.4 Kotieläintuotannon energian kulutus Kotieläintuotannon kokonaisenergian kulutus koostuu edellä olevista kulutuksista ja sen lisäksi niihin yleensä lasketaan mukaan rehun hankkimiseen, tekemiseen ja kuljettamiseen tarvittava energiamäärä. Esimerkiksi viljan tai heinän viljelyn tarvittava energiamäärä saadaan peltotuotannon energialaskelmien avulla. Taulukossa 3.4 on esitetty sianlihan ja maidon ominaisenergian kulutuksia. Tuotanto Ominaiskulutus Maito, kwh/l maitoa 0,3-0,9 Sianliha, kwh/kg lihaa 4,4-8,1 Munan tuotanto, Wh/kg munia 150-250 Broilerituotanto, Wh/kana 910 Taulukko 3.4: Eläintuotannon energiankulutuslukuja ([Hörndahl 2007, Mikkola and Ahokas 2009]) 3.2 Epäsuora energian käyttö Epäsuoralla energialla tarkoitetaan sitä energian käyttöä, joka ei tapahdu tilalla vaan sen ulkopuolella. Tyypillisesti kyseessä ovat erilaiset valmistusenergiat. Nämä pitäisi myös ottaa huomioon energia-analyyseissä, ongelmana on tietojen heikko saatavuus. Lisäongelmana on energian kulutuksen kohdentaminen koneille ja rakennuksille. Usein koneita ei käytetä täysin loppuun vaan ne vaihdetaan uudempaan. Tällöin koneen koko elinikä ei ensimmäisellä käyttäjällä tule täyteen. Lisäksi koneen käyttökelpoista elinikää on vaikea arvioida. 3.2.1 Koneiden valmistusenergia Koneiden valmistusenergiassa teräksen käyttö näyttelee suurinta osaa. Yhden teräskilon valmistamiseen tarvitaan 20-30 MJ/kg energiamäärä. Koneet tarvitsevat varaosia ja huoltoa. Näihin tarvitaan oma energiamääränsä. Näissä arviot liikkuvat 50-100 % luokassa kun ylläpitoa verrataan valmistukseen. Joidenkin 19

3 Mihin energiaa käytetään ja mitä päästöjä siitä syntyy koneiden osalta varaosiin ja korjauksiin tarvitaan selvästi suurempi energiamäärä kuin valmistukseen. Traktoreilla ja itsekulkevilla työkoneilla valmistus- ja huoltoenergian tarve voidaan laskea myös polttoainekulutuksen mukaan. Näin laskien sen osuus on 20-30% polttoaineen kulutuksesta ([Mikkola ja Ahokas 2009]). 3.2.2 Rakennusten valmistusenergia Rakennusten epäsuora energiantarve on samanlainen kuin koneilla. Rakennuksen ja rakennusmateriaalein valmistamiseen tarvitaan energiaa. Energiaa tarvitaan myös rakennusten hoitamiseen ja korjaukseen ja lopuksi tarvitaan energiaa rakennusten hävittämiseen. Rakennusten erilaisista rakennustavoista ja materiaalieista johtuen tarkka epäsuoran energian käytön laskenta on hyvin vaativa tehtävä. Epäsuora energian käyttö ilmoitetaan myös eri tavoilla ja laskenta voidaan tehdä eripitkälle kestoiälle. Rakentamiseen ja rakennuksen hävittämiseen elinkaaren lopulla tarvitaan energiaa 5-34 GJ/m 2. Rakennusten elinikinä on käytetty 40-80 vuotta, jolloin vuotta kohden saadaan 89-420 MJ/m 2 energian tarve [Ahokas ja Schäfer 2010]. Maatalousrakennuksille 150 MJ/m 2 vuotuinen epäsuoran energian tarve vaikuttaa normaalilta lukemalta. Pitkä elinikä vähentää vuotuista epäsuoran energian tarvetta. 3.2.3 Lannoitteet ja kemikaalit Lannoitteiden ja kemikaalien valmistusenergiat on myös esitetty taulukossa 3.1. Lannoitteiden käyttö vaikuttaa satotasoihin ja sitä kautta myös energiasuhteisiin, kuva 3.3. Lannoituksen lisääntyessä energiasuhde paranee, mutta sillä on myös havaittavissa selvä optimikohta, jonka jälkeen lannoitteen lisäkäyttö pienentääkin suhdetta. Silloin sadon lisäyksessä saatava energian lisäys on pienempi kuin lannoitteen lisäyksen valmistuksessa tarvittava energiamäärä. Kuva 3.3: Kasvintuotannon energiasuhteita lannoitetason funktiona [Mikkola ja Ahokas 2009] 20

Kirjallisuutta [Ahokas ja Schäfer 2010]. Ahokas J. & Schäfer W. Energy and Agriculture. Enpos-project report [Albright 1990] Albright L.D. Environment Control for Animals and Plants. ASAE textbook 4. The American Society of Agricultural Engineers. [Antikainen 2010] Antikainen R., Elinkaarimetodiikkojen nykytila, hyvät käytännöt ja kehitystarpeet. Suomen ympäristökeskuksen raportteja 7/2010. [C4 SUOMEN RAKENTAMISMÄÄRÄYSKOKOELMA] C4 SUOMEN RAKENTAMISMÄÄRÄYSKO- KOELMA Lämmöneristys, Ympäristöministeriön asetus lämmöneristyksestä. http://www.edilex./data/rakentamismaaraykset/c4.pdf [D5 Suomen rakentamismääräyskokoelma] D5 Suomen rakentamismääräyskokoelma, Rakennuksen energiankulutuksen ja lämmitystehontarpeen laskenta Ohjeet 2007. Ympäristöministeriö, Asuntoja rakennusosasto. http://www.nlex./data/normit/29520-d5-190607-suomi.pdf [Energiamarkkinavirasto] http://www.energiamarkkinavirasto./les/paastokerroin11112008.pdf, 2010. [Hörndahl 2007] [IPCC1996] Hörndahl T. Energy usage in farm buildings. Swedish Unversity of Agricultural Sciences. Report 2008:8, Alnarp 2008 IPCC 1996. Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Available at http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/gl/invs1.htm. [Mikkola and Ahokas 2009] Mikkola H.J. & Ahokas J. Energy ratios in Finnish agricultural production. Agricultural and Food Science, Vol 18(2009), p. 332-346 [Mikkola ja Ahokas 2009] Mikkola H.J. ja Ahokas J., Indirect energy input of agricultural machinery in bioenergy production. Renewable Energy Volume 35, Issue 1 2010, p. 23-28. [MMM RMO C2.2] Maatalouden tuotantorakennusten lämpöhuolto ja huoneilmasto C2.2. Maa- ja metsätalousministeriön rakentamismääräykset ja ohjeet. http://www.mmm./attachments/maaseutujarakentaminen/5iibvuygw/l10- rmoc22-01.pdf [Mäkinen et al 2006] Mäkinen T., Soimakallio S., Paappanen T., Pahkala K. ja Mikkola H. Liikenteen biopolttoaineiden ja peltoenergian kasvihuonekaasutaseet ja uudet liiketoimintakonseptit. VTT tiedotteita 2357, Espoo 2006. [RT-Ympäristöseloste] http://www.rts./ymparistoseloste/voimassaolevatympselosteet.htm 21