Biomassan tuotanto ja polttoaineen käyttö ratkaisevassa roolissa bioenergian ilmastohyötyjä arvioitaessa

Suomi on bioenergian käytön kärkimaita Euroopassa. Bioenergian tuotantoa ja käyttöä halutaan edelleen lisätä tavoitteena erityisesti kasvihuonekaasupäästöjen, fossiilisten polttoaineiden käytön ja tuontipolttoaineista riippuvuuden vähentäminen. Lisäksi bioenergian lisäämisellä nähdään olevan työllisyys- ja aluepoliittisia hyötyjä. Sekä kansallisesti että Euroopan unionin tasolla on asetettu useita bioenergiaa koskevia tavoitteita. Bioenergian elinkaariketjulla on monia ympäristövaikutuksia. Yhtäältä biopolttoaineet vähentävät päästöjä verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin, mutta toisaalta ne saattavat lisätä kuormitusta.

Bioenergian tuotanto

Bioenergialla tarkoitetaan biopolttoaineista saatavaa energiaa. Biopolttoaineiksi kutsutaan biomassasta eli eloperäisistä, fotosynteesin kautta syntyneistä kasvimassoista valmistettuja polttoaineita, joita voidaan tuottaa metsäbiomassan lisäksi peltobiomassasta ja jätteestä. Valtaosa bioenergiasta on puuperäistä energiaa, joka tuotettaneen jatkossakin metsäteollisuuden laitoksissa. Peltobiomassojen ja yhdyskuntajätteen energiakäyttö on ollut Suomessa vähäistä, mutta erityisesti viimeksi mainittu on lisääntymässä. Ruokohelpistä ja ohrasta on valmistettu kiinteää polttoainetta voimalaitosten käyttöön, jolloin saadaan lopputuotteena sähköä ja lämpöä [1].

Jätettä voidaan polttaa sellaisenaan jätevoimaloissa tai siitä voidaan valmistaa mekaanisesti kierrätyspolttoainetta, tai se voidaan jalostaa edelleen biokaasuksi tai nestemäisiksi polttoaineiksi, kuten etanoliksi ja dieseliksi. Jätteistä valmistetuilla kierrätyspolttoaineilla tarkoitetaan yhdyskuntien ja yritysten polttokelpoisista, kuivista, kiinteistä ja syntypaikoilla lajitelluista jätteistä valmistettua polttoainetta. Kierrätyspolttoaineeksi luetaan myös kierrätyspuu sekä lajittelemattomasta yhdyskuntajätteestä mekaanisella käsittely- ja lajitteluprosessilla valmistettu polttoaine. Sekajäte tai  kierrätyspolttoaine ei tuota pelkästään bioenergiaa, sillä niissä on yleensä mukana myös fossiilisista raaka-aineista valmistettua muovia.

Liikenteen biopolttoaineiden valmistaminen sekä maa- ja metsätalouden biomassoista että jätteistä on voimakkaasti lisääntyvän kiinnostuksen kohde.    

Bioenergian tuotannon polttoainetyypit, perusteknologiat ja tuotannossa käytetyt materiaalit sekä muodostuvat sivutuotteet on esitetty taulukossa 1.

Taulukko 1.  Bioenergian tuotannon luokittelu polttoaineittain ([2] modifioitu, alkuperäislähde [3])

Polttoainetyyppi

Perusteknologia

Raaka-aine

Sivutuotteet

Kasviöljyt ja eläinrasvat

1) Käyttö liikennepolttoaineena joko moottorien toimintaa muuttamalla tai muuntamalla kasviöljyjä soveltuvaksi perinteisissä moottoreissa käytettäväksi

2) Sähkön ja/tai lämmön tuotanto

1) Rapsiöljy, auringonkukkaöljy ja muut kasviöljyt, jätekasviöljy

2) Rapsiöljy, palmuöljy, jatrophaöljy ja muut kasviöljyt, eläinrasva

Kasvijäännöksen puriste rehuksi

Biodiesel

Öljyjen ja rasvojen transesteröinti rasvahappometyyliesterien (FAME) tuottamiseksi,

Vetykäsittely (Neste, NexBTL)

Käyttö liikennepolttoaineena

Rapsi, auringonkukka, soija, palmuöljy, jatropha

Kasvijäännöksen puriste rehuksi, glyseriini, öljypalmukasvi-jäännöksen puriste polttoon

Bioetanoli

Fermentointi (sokeri), hydrolyysi + fermentointi (tärkkelys)

Käyttö liikennepolttoaineena

Vilja, maissi, sokeriruoko, maniokki

Rehu, kasvijäännös polttoon

Biokaasu (CH4, CO2, H2)

Biomassan fermentointi

Käyttö joko hajautetussa energiantuotantojärjestelmässä tai syöttö maakaasulinjaan (puhdistettuna biometaanina)

Sähkön ja/tai lämmön tuotanto

Käyttö liikennepolttoaineena

Biohajoava jäte (biojäte, lietteet, lannat), energiakasvit (maissi, nopeakasvuinen puu, monisatoiset kasvit)

Mädäte lannoitukseen (ravinteiden kierrätys)

Kiinteät biopolttoaineet

1) Biomassan tiivistäminen (densification) kuivaamalla (torrefaction) tai hiiltämällä

2) Jäännös sähkön ja/tai lämmön tuotantoon

Puu, vilja, kuiva kotitalousjäte, muu biohajoava jäte

 

Bioetanoli

Sellulolyyttisen biomassan monivaiheinen hajotus; sis. hydrolyysin ja fermentaation

Lignoselluloosa-biomassa: vehnän olki, maissin lehdet ja rangat, puu, energiapitoiset kasvit (sokeriruoko)

 

Biodiesel ja räätälöidyt biopolttoaineet (vety, metanoli, 2,5-dimetyyli-furaani, dimetyylieetteri, alkoholiseokset)

Vähän kosteutta sisältävien (alle 20%) biomassojen kaasutus tuottaa synteesikaasua (CO, H2, CH4, hiilivetyjä), josta valmistetaan nestemäisiä polttoaineita ja peruskemikaaleja

Lignoselluloosa-biomassa: puu, olki, sekundääriraaka-aineet (muovijäte)

Fischer-Tropsch -synteesiä voidaan käyttää tuottamaan kemianteollisuuden raaka-aineita

Biodiesel, lentopolttoaineet, bioetanoli, biobutanoli

Bioreaktorit etanolin valmistukseen (voidaan yhdistää hiilidioksidin talteenotto voimalaitoksista)

Transesteröinti ja pyrolyysi biodieselin tuottamiseksi ja muita teknologioita on kehitteillä

Merien makrolevät ja lammikoissa tai bioreaktoreissa kasvatettavat mikrolevät

Proteiinipitoinen rehu, biopolymeerit, lannoitteet

Bioenergian käyttö Suomessa

Biopolttoaineita käytetään Suomessa ensisijaisesti yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa, jossa Suomi on maailman kärkimaita. Sen sijaan liikenteen biopolttoaineiden käyttö on Suomessa vähäistä.

Tilastokeskuksen mukaan energian vuosittainen kokonaiskulutus on Suomessa 2000-luvulla ollut 1300-1500 petajoulea (PJ). Biopolttoaineista tilastoidaan erikseen puupolttoaineiden käyttö, minkä osuus vuosittaisesta energian kokonaiskulutuksesta on ollut noin 20%. Metsäteollisuuden jäteliemet, kuori, sahanpuru ja puutähdehake muodostavat suurimman osan puuenergian käytöstä. Näiden jakeiden käyttö energiantuotannossa on hyvin riippuvainen metsäteollisuuden tuotantorakenteesta ja -määristä [4].

Bioenergian käytön lisääminen

Bioenergian käytön lisäämistä nykytasosta esitetään ja vaaditaan useassa sekä EU- että kansallisen tason ilmasto- ja energiapolitiikkaan liittyvässä strategiassa, selvityksessä ja raportissa. Sekä biopolttoaineiden käyttöä liikennepolttoaineina että bioenergian muuta käyttöä tulee lisätä. Asplund ym. (2005) arvioivat uusiutuvien energialähteiden edistämisohjelmassa [5] vuodelle 2010 asetettujen tavoitteiden ja vuodelle 2015 esitetyn vision saavuttamismahdollisuuksia teknis-taloudellisista lähtökohdista. Suurimmat potentiaalit arvioitiin olevan seuraavilla neljällä bioenergialähteellä [6]:

• metsähakkeen käytön lisäys (42 PJ)

• puun pienkäytön lisäys (21 PJ) (ilman metsähaketta)

• kierrätyspolttoaineiden ja biokaasun käytön lisäys (21 PJ), josta kierrätyspolttoaineet 14 PJ ja biokaasu 7 PJ, sekä

• peltobiomassojen käytön lisäys (15 PJ). 

Arvion lähtökohtana oli vuoden 2003 tilanne. Yhteenlaskettu lisäyspotentiaali 99 PJ on noin 7% Suomen vuoden 2005 kokonaisenergiakulutuksesta.

EEA:n arvion [7] mukaan Suomen suurin bioenergiapotentiaali sisältyy jätteisiin, joihin lasketaan mukaan mm. sellu- ja paperiteollisuuden jäteliemet (taulukko 2). Jäteliemet hyödynnetään jo nyt tehokkaasti energiantuotannossa, ja lisäpotentiaalia syntyy vain sellun tuotannon kasvun mukaan. Näin ollen lisäpotentiaali löytyy lähinnä maatalouden ja metsätalouden energiatuotteiden hyödyntämisestä [8].

Taulukko 2.  Bioenergiapotentiaali Suomessa [2] (modifioitu, alkuperäislähde [7].

 

2010

2020

2030

 

MtOE 1)

PJ

TWh

MtOE

PJ

TWh

MtOE

PJ

TWh

Maatalous

1,9

80

22

1,8

75

21

1,3

54

15

Metsätalous

1,7

71

20

1,8

75

21

1,8

75

21

Jätesektori

6,1

255

71

6,2

260

72

6,2

260

72

Yhteensä

9,6

402

112

9,8

410

114

9,4

394

109

1) MtOE= Million tons of oil equivalent (öljyekvivalenttia); energiamäärä, joka vapautuu kun poltetaan tonni raakaöljyä.

Bioenergian ympäristövaikutuksista

Kasvihuonekaasupäästöjen väheneminen on yksi tärkeimpiä bioenergiaa puoltavia tekijöitä. Bioenergian elinkaariketjuilla on kuitenkin monia ympäristövaikutuksia. Yhtäältä biopolttoaineet vähentävät päästöjä verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin, mutta toisaalta ne saattavat lisätä kuormitusta. Osa vaikutuksista on vielä selvittämättä. Esimerkiksi biokaasua voidaan valmistaa monista materiaaleista, ja lopullinen ympäristökuormitus riippuu raaka-aineesta. Peltoenergian ympäristövaikutukset puolestaan riippuvat muun muassa viljelymenetelmistä. Esimerkiksi suorakylvön rehevöittävät ja eroosiota aiheuttavat vaikutukset ovat pienemmät kuin tavanomaisen viljelyn [8].

Biopolttoaineiden elinkaariset ympäristövaikutukset muodostuvat pääasiassa biomassan tuotannossa ja biopolttoaineen käyttövaiheessa. Biopolttoaineen valmistusvaiheella on vähemmän merkitystä ja kuljetusten ympäristövaikutukset riippuvat kuljetusmuodosta. Pitkäkään laivamatka suurissa kuljetusyksiköissä ei yleensä aiheuta suuria ympäristövaikutuksia biopolttoaineyksikköä kohti, mutta mikäli polttoainetta kuljetetaan pienehköissä yksiköissä maanteitse, voi tämän vaiheen merkitys ilmastonmuutoksen ja muiden ilmapäästöjen suhteen nousta olennaiseksi [8].

Taulukossa 1 on kuvattu ensimmäisen, toisen ja kolmannen polven biopolttoaineita. Pääsääntöisesti biopolttoaineet voidaan jakaa ensimmäisen ja toisen sukupolven biopolttoaineisiin käyttöominaisuuksien tai raaka-aineiden mukaan. Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineilla tarkoitetaan peltokasvipohjaista etanolia ja biodieseliä, joiden käytöllä nykyisissä ajoneuvoissa on rajoitteita niiden käyttöominaisuuksien vuoksi. Toisen sukupolven biopolttoaineiksi katsotaan hyvälaatuiset hiilivetypolttoaineet, joihin ei liity merkittäviä käyttörajoitteita. Raaka-aineina voidaan käyttää esimerkiksi lignoselluloosamateriaaleja [8]. Luokittelut ja määrittelyt vaihtelevat eri raporteissa jonkin verran.

Bioenergia ja kestävä energiantuotantojärjestelmä

Energiatehokkain tapa tuottaa bioenergiaa on käyttää metsistä saatavaa puuainesta ja pelloilta saatavia energiakasveja ja biojätteitä kuten olkea suoraan esimerkiksi yhdistetyssä lämmön ja sähkön tuotannossa. Hakkuutähde, olki, pienpuu ja ruokohelpi ovat tuotettavissa pienemmillä energiapanoksilla kuin fossiiliset polttoaineet bensiini ja diesel [8].

Yleisesti ensimmäisen polven liikennebiopolttoaineiden valmistuksen energiatehokkuus on huono. Toisen polven biopolttoaineiden valmistamista pidetään huomattavasti lupaavampana mahdollisuutena tuottaa biopolttoaineita energiatehokkuuden kannalta. Biojalostamot, joissa tuotetaan muutakin kuin biopolttoaineita, ovat energiatehokkuuden kannalta lupaava mahdollisuus biopolttoaineiden tuottamiseksi [8].

Myös kustannusten kannalta tehokkain tapa vähentää kasvihuonekaasupäästöjä on puuperäisen biomassan käyttö yhdistetyssä lämmön ja sähkön tuotannossa, jos syntyvällä energialla korvataan esimerkiksi kivihiiltä. Turpeen korvaaminen hakkuutähteellä lämmön ja sähkön tuotannossa voi olla joissakin tapauksissa jopa kannattavaa. Kohtuullisiin kasvihuonekaasupäästöjen alentamiskustannuksiin päästään myös viljaetanolilla, jos olki pystytään hyödyntämään lämmön ja sähkön tuotannossa. Ilman oljen energiahyödyntämistä perinteisesti valmistetut viljaetanoli ja biodiesel eivät ole tehokkaita tapoja kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä. Puuperäisen biomassan (esim. hakkuutähteet, mustalipeä) kaasuttaminen metsäteollisuuteen integroituvissa biojalostamoissa voisi tulevaisuudessa olla yksi kustannustehokkaimmista tavoista vähentää kasvihuonekaasupäästöjä, kun valmistetaan liikennekäyttöön sopivia biopolttoaineita [8].

Ilmastonmuutos-, energiatehokkuus- ja muiden ympäristönäkökohtien lisäksi bioenergian elinkaariketjuja arvioitaessa on otettava huomioon myös muut kestävyyden ulottuvuudet, taloudellinen ja sosiaalinen kestävyys. Talouden globalisaation myötä ympäristönsuojelu kytkeytyy erottamattomasti kansainväliseen vastuuseen luonnonvarojen kestävästä käytöstä. Biopolttoaineiden tuotantovaihtoehtoja arvioitaessa tulee ottaa huomioon raaka-aineiden vaihtoehtoiset käyttötavat, kuten ruoka, kemikaalit ja metsäteollisuuden tuotteet [8].

Lähteet

  1. Motiva 2009. Uusiutuva energia http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia
  2. YM 2010. Biohajoavista jätteistä enemmän energiaa. Biojäte-energiatyöryhmän raportti. Ympäristöministeriön raportteja 3/2010. http://www.ymparisto.fi/download.asp?contentid=115599&lan=fi
  3. UNEP 2009: Towards sustainable production and use of resources: Assessing biofuels. http://www.unep.fr/scp/rpanel/pdf/Assessing_Biofuels_Full_Report.pdf
  4. Tilastokeskus 2010. Energian kokonaiskulutus väheni 6 prosenttia vuonna 2009. http://www.stat.fi/til/ehkh/2009/04/ehkh_2009_04_2010-03-24_tie_001.html
  5. KTM 2002. Uusiutuvan energian edistämisohjelma 2003–2006. Työryhmän ehdotus 5.12.2002 http://julkaisurekisteri.ktm.fi/ktm_jur/ktmjur.nsf/All/4B1BDE137F9B5121C2256CE5002B3AC1/$file/tyto5eos.pdf
  6. Asplund, D., Korppi-Tommola, J. & Helynen, S. 2005. Uusiutuvan energian lisäysmahdollisuudet vuoteen 2015. VTT, Jyväskylän yliopisto ja Jyväskylä Science Park. http://julkaisurekisteri.ktm.fi/ktm_jur/ktmjur.nsf/all/E5063805F1B754D5C22570190028414D/$file/34642005.pdf
  7. EEA 2006: How much bioenergy can Europe produce without harming the environment? Report No 7/2006 http://www.eea.europa.eu/publications/eea_report_2006_7
  8. Antikainen, R., Tenhunen, J., Ilomäki, M., Mickwitz, P., Punttila, P., Puustinen, M., Seppälä, J. & Kauppi, L. 2007. Bioenergian uudet haasteet Suomessa ja niiden ympäristönäkökohdat. Nykytilakatsaus. Suomen ympäristökeskuksen raportteja 11/2007 http://www.ymparisto.fi/default.asp?contentid=240503

Tuottajatahot