LATVUSMASSAN KOSTEUDEN MÄÄRITYS METSÄKULJETUKSEN YHTEYDESSÄ Metsä- ja puuteknologia Pro gradu -tutkielman tulokset Kevät 2010 Petri Ronkainen petri.ronkainen@joensuu.fi 0505623455 Metsäntutkimuslaitos Skogsforskningsinstitutet Finnish Forest Research Institute www.metla.fi
Esityksen rakenne Tavoitteet Tutkimuksen tausta Uusiutuvat polttoaineet Kosteuden mittaaminen Tutkimuksen aineisto Tutkimuksen rakenne Tulokset ja tulosten tarkastelu Kosteusnäytteet Kosteusmittarit Otoskoko kosteuden määrityksessä Johtopäätökset 2
Tavoitteet Tämän tutkimuksen tavoitteet ovat Tutkia latvusmassan kosteusvaihtelua mittauserän sisällä ja mittauserien välillä erilaisilla latvusmassan korjuukohteilla. Testata olemassa olevia kosteuden mittauslaitteita maastoolosuhteissa ja erityyppisillä kosteusnäytteillä. Kehittää menetelmää edustavan kosteusnäytteen ottamiseen latvusmassaerästä ja tarvittavan otoskoon määrittämiseen vaaditulla tarkkuustasolla. Edesauttaa tutkimusyhteistyön kautta kosteuden mittaustekniikan ja mittauslaitteen kehittämistä. 3
Uusiutuvat polttoaineet Pitkän aikavälin ilmasto- ja energiastrategia 2020 38 % uusiutuvista energianlähteistä 12 Mm³ metsähaketta Kansallinen metsäohjelma 2015 8 12 Mm³ metsähaketta Tilanne 2008 25 % uusiutuvista energianlähteistä 20 % puuperäisistä Metsähaketta 4,0 Mm³ Oksa- ja latvusmassa n. 2,4 Mm³ 4 Mm³ 12 10 8 6 4 2 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Vuosi Metsähakkeen toteutunut käyttö KMO 2015 Pitkän aikavälin ilmasto- ja energiastrategia
Kosteuden mittaaminen Kosteus Polttohakkeen tärkein laatuominaisuus Vaikutus puun teholliseen lämpöarvoon Energiapuun mittaus Työ- ja luovutusmittaus Tilavuus Massan mittaaminen Tieto kosteudesta Tavoitteena varastojen optimointi 5
Kosteuden mittaaminen Kuormainvaakamittaus Hyväksytty menetelmä energiapuun mittaukseen Massa muunnetaan tilavuudeksi Tuoretiheysluvuilla Kuivatuoretiheysluvuilla Mikäli kosteus tunnetaan Latvusmassa Kuivatuoretiheys 1 (puolet neulasista) 465 kg/m 3 Kosteus 45 vrt. 55 % Tuoretiheys (45 %) 846 kg/m 3 vrt. tuoretiheys (55 %) 1033 kg/m 3 Ero 188 kg/m 3 Mittauserän(67 000 kg) kuorellinen kiintotilavuus (45 %) 80 m 3 vrt. (55%) 65 m 3 1 Lindblad, Äijälä & Koistinen (2008), Energiapuun mittaus r g = 100 x r 0,g / (100 u), jossa r g =tuoretiheys (kg/m 3 ) r 0,g = kuivatuoretiheys (kg/m 3 ) u = kosteus 6
Kosteuden mittaaminen Uunikuivausmenetelmä Kosteus prosentteina tuoremassasta Tutkimuksessa käytetyt kosteusmittarit Näytteen dielektrisiin ominaisuuksiin perustuva kapasitiivinen kosteuden määritys Kehitetty viljan kosteuden mittaamiseen 7
Tutkimuksen aineisto Kesällä 2009 Aineistonkeruukohteet 14 uudistushakkuualuetta Hakkuuajankohdat talvella 2008/2009 Kaksi tuoretta hakkuualuetta Yhteistyössä energiapuunhankintaa tekevien yritysten kanssa Kosteusnäyte Sahanpurunäyte Hakenäyte Kosteusmittari-aineisto Aineisto Kosteusnäytteet Sahanpurunäytteitä 193 kappaletta Hakenäytteitä 192 kappaletta Kosteusmittarit 4 mittausta/näyte 8
Tutkimuksen aineisto Aineistonkeruukohteet 14 uudistushakkuualuetta Pohjois-Karjalan ja Pohjois-Savon alueilla 9
Tutkimuksen aineisto 10
Tutkimuksen aineisto 11
Tutkimuksen aineisto Tutkimuksen otantayksikkö on kourataakka 12
Tutkimuksen rakenne Mittauserät, 14 kpl Latvusmassankorjuukohteet Latvusmassakuormat Otantayksiköt, 193 kpl Kourataakat Kosteusnäytteet Hakenäytteet Sahanpurunäytteet Kosteudenmittausmenetelmät Kosteusmittari (lautasanturi) Uunikuivaus menetelmä Uunikuivaus menetelmä Kosteusmittari (mittakuppi) Analyysit Hajontaluvut Otoskoot T-testi Mittaero T-testi Mittaero T-testi Mittaero Toistomittaus 13
Tulokset ja niiden tarkastelu Kosteusnäytteet 14
Tulokset ja tulosten tarkastelu - Kosteusnäytteet Havaintoaineisto Lukumäärä Keskiarvo Keskihajonta Pienin arvo Korkein arvo Vaihteluväli Hakenäytteet 192 40,51 8,21 19,67 60,19 40,52 Sahanpurunäytteet 193 38,27 8,95 19,06 62,92 43,86 Hajontaluvut kosteusprosentteja tuoremassasta 70 Hakenäytteiden kosteus, % 60 50 40 30 20 10 Kosteushavainnot Ero tilastollisesti merkitsevä P-arvo < 0,000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Sahanpurunäytteiden kosteus, % 15
Tulokset ja tulosten tarkastelu - Kosteusnäytteet 70,00 60,00 50,00 Hakenäytteiden kosteus, % 40,00 30,00 20,00 Kosteushavainnot Regressiomalli 10,00 y i 0,666 x + 15,109 = i 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 Sahanpurunäytteiden kosteus, % 16
Tulokset ja tulosten tarkastelu - Kosteusnäytteet Lineaarinen regressio Ennustetut kosteusarvot sahanpuruhavainnoille H 0 jää voimaan 95 % luottamustasolla (p-arvo 0,608) Tasokorjaus lineaarisella regressiolla Ei tilastollisesti merkitsevää eroa (y=1,041x) p-arvo 0,105 (y=1x+2) p-arvo 0,461 Systemaattinen tasoero Sahanpurunäytteiden seulonnalla mahdollisesti vaikutusta Kosteus suurinta lehdissä ja oksan ohuiden osien kuoressa 1 1 Hakkila, P. (1991) Hakkuupoistuman latvusmassa. Folia Forestalia (773) 17
Tulokset ja tulosten tarkastelu - Kosteusnäytteet Osuus havainnoista, % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Mittaero (hakenäytteet - sahanpurunäytteet) Mittaero Mittaero (hakenäytteet - mallinnetut sahanpurunäytteet) Uunikuivaushavainnot s = 6,43 ka = 2,43 Luottamusväli (95 %) 2,43 ± 0,91 %-yks. Uunikuivaushavainnot ja mallinnetut havainnot s = 5,71 ka = 0,21 Luottamusväli (95 %) 0,21 ± 0,81 %-yks. 0 0,5 % 1 % 2 % 4 % 8 % Mittaero, +- kosteusprosenttiyksikköä 18
Tulokset ja tulosten tarkastelu Kosteusmittarit 19
Tulokset ja tulosten tarkastelu - Kosteusmittarit 70 y i = 4,363 10 5 x i 2 + 0,097x i + 7,673 60 50 Kosteus, % 40 30 20 Sahanpurumittari Regressiomalli (sahanpurunäytteet) Hakemittari Regressiomalli (hakenäytteet) 10 y i = 7,631 10 6 x i 2 0,006x i + 60,418 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Mittarin näyttämä, 0-asteikko 20
Tulokset ja tulosten tarkastelu - Kosteusmittarit Havaintoaineisto Lukumäärä Keskiarvo Keskihajonta Pienin arvo Korkein arvo Vaihteluväli Kosteusmittari (hake) 168 1794 134 1424 2067 643 Regressiomalli 168 40,49 7,82 21,76 57,33 35,57 Kosteusmittari (sahanpuru) 193 1298 339 354 1858 1504 Regressiomalli 193 38,89 8,43 22,93 57,34 34,41 Kosteusmittareiden hajontaluvut 0-asteikon lukemia. Kosteusmittareille laadittujen regressiomallien hajontaluvut kosteusprosentteja. Hakenäytteet Keskiarvojen ero 0,02 %-yks. Hajontojen ero 0,39 %-yks. Sahanpurunäytteet Keskiarvojen ero 0,62 %-yks. Hajontojen ero 0,52 %-yks. Vastaavuus tilastollisesti merkitsevää P-arvo 0,078 Ero tilastollisesti merkitsevä P-arvo 0,001 21
Tulokset ja tulosten tarkastelu - Kosteusmittarit Osuus havainnoista, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Kosteusmittari, hake (n=168) Mittaero Kosteusmittari, sahanpuru (n=193) Kosteusmittarit Hakenäytteet s = 3,48 ka = -0,5 Luottamusväli (95 %) -0,5 ± 0,53 %-yks. Sahanpurunäytteet s = 2,49 ka = -0,63 Luottamusväli (95 %) -0,63 ± 0,35 %-yks. 0 0,5 % 1 % 2 % 4 % 8 % Mittaero, +- kosteusprosenttiyksikköä 22
Tulokset ja tulosten tarkastelu - Kosteusmittarit Osuus havainnoista, % 1.mittaus, kosteusprosenttia 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 60 50 40 30 20 10 0 0,5 % 1 % 2 % 4 % 8 % Mittaero, +- kosteusprosenttiyksikköä 0 10 20 30 40 50 60 Toistomittaus, kosteusprosenttia Mittaero toistomittauksessa (n=135) Toistomittaushavainnot Mittaero Toistomittaustesti Kosteusmittarilla sahanpurulle (ennustetut arvot) T-testi s = 1,10 ka = -0,58 Luottamusväli (95 %) -0,58 ± 0,19 %-yks. Ero tilastollisesti merkitsevä Näyte ei aivan vakio 23
Tulokset ja niiden tarkastelu Otoskoko kosteuden määrityksessä 24
Tulokset ja niiden tarkastelu Otoskoko kosteuden määrityksessä Laskennan perusteena kohteittaiset hajontaluvut Suhteellinen keskiarvon keskivirhe p = t s n x 100% p= otannan tarkkuus otoksen keskiarvosta, ± % t= luotettavuustasoa vastaava t-jakauman arvo (95 % =1,96) s= otoskeskihajonta, kosteusprosenttiyksikköä n= otoskoko, kpl x = otoskeskiarvo, kosteusprosenttia 25
Tulokset ja niiden tarkastelu Otoskoko kosteuden määrityksessä Otannan tarkkuus, % 40 35 30 25 20 15 Hakenäytteet Hajontaluvut Kohde 2 s = 2,73 ka = 44,00 Kohde 11 s = 10,07 ka = 37,66 Kohde 13 Kohde 2 s = 2,83 Kohde 11 Kohde 13 Kohde 14 Pain. ka ka = 45,56 Kohde 14 s = 3,50 ka = 44,17 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Otanta, n 26
Tulokset ja niiden tarkastelu Otoskoko kosteuden määrityksessä Otannan tarkkuus, % 40 35 30 25 20 15 Sahanpurunäytteet Hajontaluvut Kohde 2 s = 5,03 ka = 47,61 Kohde 12 s = 9,87 ka = 34,20 Kohde 13 Kohde 2 Kohde 12 Kohde 13 Kohde 14 Pain. ka s = 4,16 ka = 43,29 Kohde 14 s = 6,89 ka = 44,25 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Otanta, n 27
Johtopäätökset Tämän tutkimuksen tavoitteet ovat Tutkia latvusmassan kosteusvaihtelua mittauserän sisällä ja mittauserien välillä erilaisilla latvusmassan korjuukohteilla. Testata olemassa olevia kosteuden mittauslaitteita maastoolosuhteissa ja erityyppisillä kosteusnäytteillä. Kehittää menetelmää edustavan kosteusnäytteen ottamiseen latvusmassaerästä ja tarvittavan otoskoon määrittämiseen vaaditulla tarkkuustasolla. Edesauttaa tutkimusyhteistyön kautta kosteuden mittaustekniikan ja mittauslaitteen kehittämistä. 28
Johtopäätökset Tutkia latvusmassan kosteusvaihtelua mittauserän sisällä ja mittauserien välillä erilaisilla latvusmassan korjuukohteilla. Tutkimustieto tukee havaintoja Kuusen latvusmassan kosteus 30 48 % 1, 3 Tuore latvusmassa Kosteus 50 60 % 1, 2, 3 Tutkimuksen aineistossa 44 46 % 1 Nurmi, J. (1999). Hakkuutähteen ominaisuuksista. Metsäntutkimuslaitoksen tiedonantoja (722), 32 2 Suadicani, K.;& Gamborg, C. (1999). Fuel quality of whole-tree chips... Biomass and Bioenergy (17), 199-208 3 Verkasalo, E. (1987). Metsähakkeen kosteuden ja... Folia Forestalia (694), 35 29
Johtopäätökset Testata olemassa olevia kosteuden mittauslaitteita maastoolosuhteissa ja erityyppisillä kosteusnäytteillä. Kosteusmittareiden toiminta kosteuden määrityksessä Hajontaluvut vastasivat uunikuivaustuloksia Mittaero Kapeat keskiarvon luottamusvälit ±2 kosteusprosenttiyksikköä vertailutasosta Hakenäytteillä n. 45 % havainnoista Sahanpurunäytteillä yli 60 % havainnoista Mittauksen toistotesti sahanpurunäytteillä Yli 60 % havainnoista ±1 kosteusprosenttiyksikköä vertailutasosta 30
Johtopäätökset Kehittää menetelmää edustavan kosteusnäytteen ottamiseen latvusmassaerästä ja tarvittavan otoskoon määrittämiseen vaaditulla tarkkuustasolla. (1/2) Sahanpurunäytteet kosteusnäytteinä Hajontaluvut vastasivat vertailutasoa Mittaero n. 50 % havainnoista ±4 kosteusprosenttiyksikköä vertailukosteudesta Kapea keskiarvon luottamusväli 31
Johtopäätökset Kehittää menetelmää edustavan kosteusnäytteen ottamiseen latvusmassaerästä ja tarvittavan otoskoon määrittämiseen vaaditulla tarkkuustasolla. (2/2) Otannan käyttö latvusmassan kosteuden määrityksessä Tulokset mittauseräkohtaisia Vaadittava näytteiden määrä on suuri Tarkkuus paranee otoskoon kasvaessa 32
33 Kiitos