Ympäristöteknologian mahdollisuudet Peltobiomassat

1. Ympäristöteknologian mahdollisuudetPeltobiomassat Minna Päivärinta Savonia ammattikorkeakoulu AMU08

2. Merkittävimmät raaka-ainepotentiaalit • Ruokohelpi • viljelyalan kehitys on varsin nopeaa. Vuonna 2008 EU:n energiakasvituen mukainen viljelyala oli Suomessa noin 17.500 ha, kokonaisviljelyalan ollessa 20.000 ha. • Vuoteen 2010 mennessä tavoitteeksi on asetettu yhteensä 40.000 ha • Viljelyalueet keskittyvät Pohjois-ja Itä-Suomeen • Laajimmat viljelyalueet ovat käytöstä poistetuilla turvesoilla, mutta 2005 tehdyistä sopimuksista yhä suurempi osa oli tavallisilla viljelmillä sijaitsevalla peltomaalla. Kiinnostusta viljelijöiden keskuudessa on runsaasti.

3. VTT toteutti vuonna 2005 ruokohelven käyttökapasiteettiselvityksen Suomen voimalaitoksissa ja muissa mahdollisissa käyttökohteissa. Selvitys keskittyi suuriin laitoksiin, joissa käytettävä polttoaine ja polttotekniikka soveltuivat ruokohelven vaatimaan seospolttoon. Parhaiten siihen soveltuivat leijukerroskattiloilla varustetut voimalaitokset, joissa seoksessa käytettiin turvetta. Muissa kattilatyyppeissä ja seospolttoaineissa perustuva poltto ovat varauksin käyttökelpoisia

4. Selvityksen mukaan ruokohelven osuus seospoltossa pystyy olemaan max. 10 % seosmassasta • Selvityksessä tarkasteltiin myös ruokohelven käytön ja jalostuksen kehitysnäkymiä, mm. voimalaitosmäärien kehitystä ja uusia käsittelytapoja kuten pelletöintiä sekä muiden peltoenergiakasvien käyttömahdollisuuksia. • Lisäksi mahdollisten käyttökohteiden sijoittumista, joka määrää myös potentiaalisten viljelyalueiden sijoittumisen; Oulu-Vaasa-Joensuu- kolmion sisällä, missä eniten seospolttoon soveltuvat laitoksetkin sijaitsevat. Viljelyalueiden oletettiin sijaitsevan max. 70 km etäisyydellä käyttöpaikalta. Seospolttoon soveltuvia laitoksia on kuitenkin kaikkialla Suomessa. • Suurten voimalaitosten käyttökapasiteetti vastaa noin 180.000 ruokohelpihehtaarin viljelyalaa.

5. Ruokohelven biologinen kuiva-ainesato on keskimäärin 7 tonnia/ha/vuosi • Sen lämpöarvo kuiva-aineesta on noin 4,9 MWh tonnia kohti ja energiatiheys 0,3 MWh/i-m³. (palaturve 6 MWh/tn ja noin 1,45-1,50 MWh/m³) • Teoriassa hehtaarin helpisadon energiasisältö on n. 34 MWh, mikä vastaa noin 1,5 omakotitalon (140 m²) vuotuista lämmöntarvetta (sis. Käyttöveden lämmityksen 5 hlölle) • Vastaavan energiamäärän tuottamiseen tarvittaisiin n. 3.500 litraa kevyttä polttoöljyä. • Käytännössä ruokohelven energiasisältö voi olla vain 20 MWh/ha. • Ruokohelven kokonaiskannattavuus on parempi kuin rehuviljoilla, koska sillä on pienet vuotuiset kustannukset. Satoa saa jopa 10-15 vuotta. • Ruokohelven käyttö polttoaineena tukee uusiutumattomien luonnonvarojen säästötavoitteita. Lähde: Tieto Tuottamaan 115

6. Olki • Olkienergian käyttö ei ole lisääntynyt merkittävästi 2000-luvulla, mutta oljen käytön lisäämismahdollisuuksia tutkitaan eri tahoilla. • Olkea voidaan hyödyntää seospolttoaineena. Oljen tehollinen lämpöarvo n.20 % käyttökosteudessa 3,8 MWh/tn, 4,8,MWh/tn KA • Parhaiten polttoaineeksi soveltuvat vehnän ja rukiin oljet • Oljen käyttöä rajoittavat etenkin sen polttoon liittyvät tekniset ongelmat kuten savukaasujen korroosiovaikutukset, tuhkan määrän ja sulamispisteen aiheuttamat ongelmat. • Oljen tarjonta etenkin suorakylvömenetelmällä viljellyiltä pelloilta on näyttänyt olevan lisääntymässä, joten sen käyttötekniikkaa tulisi myös kehittää. • Muita mahdollisia kehityssuuntia alalla on esimerkiksi olkimassan pelletöinti- tai briketöintitekniikoiden jatkokehitys sekä oljen käyttöön soveltuvien polttolaitosten rakentaminen viljanviljelyseuduille.

7. Rypsin ja rapsin varret • Rypsin siemensadon ollessa 1600 kg on olkivarren sato 2240 kg/ha, varsisadon kosteus puintihetkellä on n. 25 % • Varsisadon tehollisen lämpöarvon 20% polttokosteudessa oletetaan olevan sama kuin viljan oljessa • Rypsin varsien käyttö energiaksi edellyttää nykyistä tarkempaa polttoaineominaisuuksien selvittämistä

8. Kuituhamppu • Varsisato on 5-10 tn KA/ha, KA-% n. 25-30%. Varastointi edellyttää kuivaamista. • Kuituhampun lämpöarvo on 4,8 MWh/tn KA • Ruotsissa viljelykustannukset ovat n. 540 €/ha. Siellä sitä on viljelty energia raaka-aineeksi v. 2003, vuonna 2005 energiahampun viljelyala oli 370 ha. • Öljyhampun varret voitaisiin myös käyttää polttoaineena. Sen määrä on kuitenkin pienempi kuin kuituhampulla.

9. Pellava • Kuitupellavan varsisato on 3000-8000 kg/ha, josta kuitujakeiden osuus on n. 30%. Loppu voidaan lukea päistäreeksi, joka on pellavan varren puuosaa. • Kuivan päistäreen tehollinen lämpöarvo on 5,6 MWh/tn KA. Varsien lämpöarvo on 5,21 MWh/tn KA. • Öljypellavan varsisato on n. 1820 kg/ha. Öljypellavaa viljellään 1000-3000 ha/v. • Varsien käyttö kuituteollisuudessa on mahdollista, mutta ne voitaisiin hyödyntää myös energiantuotannossa

10. Viljan jyvät • Viljan alhainen hinta ja ylituotanto lisäävät vaihtoehtoisten käyttömuotojen, kuten peltoenergian mahdollisuuksia. • Viljan jyvien lämpöarvo (kWh/kg) vaihtelee jonkin verran lajista, lannoituksesta, puhtaudesta ja kosteudesta. Kauralla on hieman muita viljoja parempi lämpöarvo korkeamman rasvapitoisuuden takia. Esimerkiksi Matildan energiasisältö on 7 % korkeampi kuin muiden. Matildan jyväkilo sisältää energiaa n. 4,8 kWh. Kauran lämpöarvo 4,2 MWh/tn ja ohran 4 MWh/tn • Energiasisältö on sitä korkeampi, mitä laadukkaampaa vilja on.

11. Teoreettisesti n. 2,8 kg kauppakelpoista viljaa vastaa yhtä kiloa kevyt polttoöljyä • Työtehoseuran polttotutkimuksessa pienessä polttolaitoksessa öljynpoltolla päästään parempaan hyötysuhteeseen kuin kiinteällä polttoaineella. Tämä johtuu erilaisista polttotekniikoista. (0,8 l kevyttä polttoainetta = 3,5,kg markkinakelpoista viljaa) • Viljan polttoa on tutkittu varsin vähän, eikä tarkkoja käyttö- ja turvallisuusohjeita ole olemassa • Hakkeen ja turpeen polttoon suunnitellut stokeripolttimot soveltuvat tietyin edellytyksin myös viljalle.

12. Seospoltossa esimerkiksi hakkeen kanssa on oltava huolehdittava, ettei eri polttoaineet pääse lajittumaan. Seurauksena toimintahäiriö, kuten tulen sammuminen tai takapalo. Oikeiden säätöjen löytäminen vaatii taitoa ja huolellisuutta. • Lämmityksen vaatimaa työtä voidaan vähentää käyttämällä liikkuvaa arinaa ja tuhkatilaan sijoitettua tuhkanpoistoruuvia. • Viljojen kloori- ja rikkipitoisuudet ovat puuta suuremmat, joten joissakin tilanteissa saattaa kattilan ja hormin syöpymisriski kasvaa. Savukaasujen haitallisten päästöjen määrä voi lisääntyä, mikäli mitoitus ja säädöt eivät ole kohdallaan.

13. Kattilan tuli- ja konvektiopinnoille kertyy tuhkaa ja nokea enemmän kuin hakkeella. Nuohous- ja puhdistustarve kasvaa verrattuna pelkästään hakkeella lämmittämiseen. • Kun viljan megawattihintaa verrataan polttoöljyyn, vilja on päivän hinnasta riippuen noin kaksi kertaa edullisempaa. • Viljan hinnan on ennustettu edelleen laskevan ja toisaalta fossiilisten polttoaineiden hinnan nousevan. Näin ollen näillä hintasuhteilla viljan poltto on myös taloudellisesti kannattavaa. (Lähde: Tieto tuottamaan 115)

14. Peltobiomassan käyttö vuosina 2000–2006, tavoite 2010 ja visio 2025 Lähde: Tilastokeskus (UEO 2003–2006 mukaisesti)

15. Peltobiomassojen käytön laajenemisen esteet ovat tuotteen loppukäyttöön lämpö- ja voimalaitospäässä liittyvät tuotantotekniset ongelmat: • Kevään hankalat korjuuolosuhteet • suuri sadonhävikki • keveiden ruokohelpipaalien kuljetuksen kannattavuusongelmat • sadon varastoinnin järjestäminen • Helpin murskaus- ja sekoitustekniikoiden puutteellisuus Suomessa on tällä hetkellä vain muutama lämpölaitos, missä paalit voidaan polttaa kokonaisina. • Suurissa voimalaitoksissa voidaan ruokohelpeä polttaa vain seospolttoaineena enintään 5-10 %:n osuuksina kokonaismassasta polttoteknisten ominaisuuksien vuoksi. Tämä johtuu lähinnä raaka-aineen korroosiovaikutuksista, keveydestä ja alhaisesta kosteuspitoisuudesta.

16. Peltoenergian tulevaisuus • Arvioitu käyttö vuonna 2004 0,15 TWh • Asetettu tavoite vuoteen 2010 0,60 TWh • Teknis-taloudellinen käytettävissä oleva 10 TWh • Lopputuotteen hinnan tulee olla kilpailukykyinen fossiilisiin polttoaineisiin sekä muuhun elintarviketuotantoon tuotetun raaka-aineen hintaan verrattuna • Tämä edellyttää kaikkien bioenergiaraaka-aineiden valmistuksen osalta riittävän tehokasta ja kustannuksiltaan kilpailukykyisen tuotantoteknologian kehittämistä. (TEM:n toimialaraportin mukaan)

17. KM 6/2008: Ruokohelpibriketit osaksi biopolttoaineiden tuotteistamista • Kuortaneella pilottihankkeessa kyettiin tekemään hyvälaatuista ruokohelpibrikettiä, jonka kiintotiheys oli yli kuusinkertainen ruokohelpipyöröpaalien kiintotiheyteen verrattuna. • Tiheyden nousu pienentää varastotilan tarvetta sekä alentaa kuljetuskustannuksia. • Ruokohelpi soveltui hyvin briketöitäväksi myös puunjalostusteollisuuden sivutuotepurujen kanssa. • Murskaus- ja briketöintilaitteistot kalliita, käytettävä ympäri vuoden ja vuorokauden ympäri • Totesivat, että selvittämistä vaatii mm. päästöt ja tuhkan käyttäytyminen sekä yleistettäessä on huomioitava alueelliset erot mm. kasvuolosuhteissa, työlajien taksoissa, konekalustossa ja EU-tuissa. • Lisätietoja: www.seamk.fi/bioenergiahanke

18. Energiapaju • Pajun ja poppelin lyhytkiertoviljelyä energiatarkoituksiin ja sen tutkimusta tehdään Euroopassa Ruotsin ja Suomen lisäksi erityisesti Puolassa, Iso-Britanniassa, Virossa ja Tanskassa. • Ruotsissa pajun viljelyala on n. 15 000 ha, kun muualla lyhytkiertoviljely ei ole saavuttanut kaupallista mittakaavaa. • Suurin osa aikaisemminkin maataloustuotannossa olleista pelloista soveltuu pajunviljelyyn. Viljelmän perustamistoimenpiteet ovat samat kuin maatalouskasveilla

19. Pajun istutustiheys 13000-18000 pistokasta/ha. Satoa saadaan 3-5 vuoden välein n. 25 vuoden ajan. • Viljelyyn soveltuvat hyvin salaojittamat pellot pajun suuren vedentarpeen vuoksi. Salaojittamattomien peltojen osuus v. 2002 oli koko maassa 57 % peltoalasta • Tuottavimmaksi ja kestävimmäksi pajulajiksi peltomaalla on osoittautunut Salix swerinii • Kuiva-ainesato em. Ovat olleet n. 6-8 tn/ha/v ensimmäisellä korjuukiertoajalla ja 8-14 tn/ha/v toisella ja sitä seuraavilla korjuukiertoajoilla.

20. Pajun korjuukosteus on n.50 %, tästä syystä se on kuljetettava suoraan poltettavaksi tai kuivattava ennen varastointia. Kuivaus ja varastointi tehdään keskitetysti voimalaitoksella. • Rankana korjattava paju voidaan tarvittaessa kuivata kasassa käyttökosteuteen ja hakettaa joko tien varressa tai voimalaitoksella. • Pajun tehollinen lämpöarvo on 50%:n kosteudessa 8,5 MJ/kg eli sama kuin puulla yleensä.

21. Pajun viljelyllä on positiivisia ympäristövaikutuksia; kasvinsuojeluaineiden käyttö vain perustamisvuonna, lannoitustarve on pienempi kuin viljakasveilla ja maaperä sekä kasvusto pystyvät sitomaan ja hyödyntämään lannoitteet tehokkaasti, mikä vähentää P ja N huuhtoumia, eroosioriskiä • Lisäksi monien pajulajien on todettu sitovan raskasmetalleja maaperästä, pitkäaikainen kasvipeite parantaa maan rakennetta ja lisää humusta • Energialaitoksissa puuhakkeen korvatessa turvetta, jolloin hiilidioksidipäästöt vähenevät.

22. Jäteveden hyödyntämistä energiapajun lannoituksessa tehdään Ruotsissa 10 kunnallisen jäteveden puhdistamon harmaalla vedellä • Yhdyskuntavesien biologisesti käsitelty jätevesi l. harmaa vesi, josta ei ole vielä kemiallisesti poistettu fosforia, sisältää ravinteita kasvun kannalta tasapainoisessa suhteessa. • Myös Suomessa on saatu rohkaisevia tuloksia jäteveden käytöstä. Jätevesilannoituksen on arvioitu antavan Itä-Suomen oloissa 2-2,5 tonnin vuotuisen kasvulisän.

23. Jätevesikastelua puoltaa myös se, että uudet haja-asutusalueiden jätevesisäännökset velvoittavat käsittelemään kaikki jätevedet siten, ettei ympäristö kuormitu. • Jätevesilannoituksen käyttö peltoenergiakasvien tuotannossa vaatii kuitenkin lisätutkimusta, esimerkiksi käytettävyyden ja kustannusten kannalta ja perusteellista ympäristövaikutusten arviointia. • Lähde. Tieto Tuottamaan 115