Biomassi kasutuse arengusuunad Ülo Kask Tallinna Tehnikaülikooli soojustehnika instituut

1. Biomassi kasutuse arengusuunad Ülo Kask Tallinna Tehnikaülikooli soojustehnika instituut Sügisakadeemia, Tallinn 14.11.2009

2. Teemad • Olulised mõisted • EL ja Eesti olulisi bioenergiaalaseid dokumente • Bioenergia lähteressursid • Bioenergia kasutus Eestis • Tehnoloogiad • Biomassi produktiivsus • Biomass oht keskkonnale • Biomassi piisavusest

3. Mõisted • Biomass – bioloogilist päritolu materjal v.a see, mis on kinnistunud geoloogiliste formatsioonide käigus ja muutunud fossiilseks (vähem kasutatav osa). Biomassiks loetakse põllumajanduse, metsanduse ja nendega seotud tööstusharude tooteid, jäätmeid ja jääke (s.h taimne ja loomne aines), nagu ka tööstuslike ja olmejäätmete biolagunevat osa (EL, Eesti Elektrituru seaduse kontekst).

4. Mõisted II • Biomass (US) – Any organic matter that is available on a renewable or recurring basis, including agricultural crops and trees, wood and wood residues, plants (including aquatic plants), grasses, animal residues, municipal residues, and other residue materials. Biomass is generally produced in a sustainable manner from water and carbon dioxide by photosynthesis. There are three main categories of biomass - primary, secondary, and tertiary (USAs kasutatav definitsioon).

5. Mõisted III • Biokütus – biomasskütus. Kütus mis on toodetud otseselt või kaudselt biomassist. Kütus võib olla läbinud mehaanilise, keemilise või bioloogilise töötluse (muundamise) või eelneva kasutuse. Biokütuse hulka kuuluvad nii tahked, vedelad kui gaasilised biomassist pärinevad (biomassi põhised) kütused.

6. Mõisted IV • Bioenergia – biokütustest saadav energia. Useful, renewable energy produced from organic matter - the conversion of the complex carbohydrates in organic matter to energy. Organic matter may either be used directly as a fuel, processed into liquids and gases, or be a residual of processing and conversion (USA).

7. Mõisted V Energiakultuurid – on Euroopa nõukogu määruse (EÜ) nr 1782/2003, millega kehtestatakse ühise põllumajanduspoliitika raames kohaldatavate otsetoetuskavade ühiseeskirjad ja teatavad toetuskavad põllumajandustootjate jaoks, artikli 88 kohaselt kultuurid, mida tarnitakse peamiselt järgmiste energiatoodete tootmiseks: • - biokütusena käsitatavad tooted; • - biomassist toodetud elektri- ja soojusenergia. Energiakultuuridena käsitatavate kultuuride loetelu võib piiritleda liikmesriik.

8. Euroopa Komisjoni strateegia säästva, konkurentsivõimelise ja turvalise energiamajanduse tagamiseks • Kliimamuutuste leevendamine, • Energia varustuskindluse tagamine, • Konkurentsivõime tugevdamine. • Oluline on suurendada energiatõhusust, • Arendada taastuvate energiaallikate kasutuselevõtmist, Sellega täidetakse korraga mitut eesmärki: • vähendatakse heitmeid, • vähendatakse sõltuvust impordist, • saadakse stabiilsem turg, • tõuge tehnoloogia arenguks Euroopas.

9. Olulisi dokumente, EL • Euroopa Komisjon kutsus oma 7. detsembri 2005. aasta teatises „Biomassi Tegevuskava” (KOM 2005) 628 liikmesriike üles koostama siseriiklikke biomassi tegevuskavasid. • Lisaks biomassi tegevuskavale esitas Euroopa Komisjon 8. veebruaril 2006. aastal Euroopa Liidu biokütuste strateegia.

10. Olulisi dokumente, Eesti • Põllumajandusministeeriumis töötati välja biomassi ja bioenergia kasutamise edendamise arengukava (valmis jaanuariks 2007 - “Biomassi ja bioenergia kasutamise edendamise arengukava aastateks 2007-2013”). • Juuliks 2010 peab valmima Eesti bioenergiastrateegia.

11. EL suundumused • Euroopa Komisjoni kliima- ja energeetikapakett Taastuvenergia direktiiv • Direktiivi eesmärk juhindub 2007 märtsi ülemkogul kinnitatud sihtidest: • tagada, et aastal 2020 20% energia tarbimisest kaetakse taastuvate energiaallikate baasil (s.h biomass) • tagada, et aastal 2020 10% transpordis tarbitavast kütusest on toodetud taastuvatest energiaallikatest

12. EL suundumused • Eesmärk aastaks 2030: 25% transpordis tarbitavast kütusest on toodetud taastuvatest energiaallikatest. • Hinnatakse, et 4 kuni 13% kogu ELi haritavast maast vajatakse lähemaks eesmärgiks seatud koguse biokütuse tootmiseks (5,75% 31.12.2010, Directive 2003/30/EC). • Eesmärk liikuda taastuva elektri tootmises 14%lt (1997) 21%ni aastaks 2010 EU 25 (22.1% EU 15). Directive 2001/77/EC.

13. EL eesmärk Eestile Eesmärgid Eestile: • tagada, et 25% energia tarbimisest kaetakse taastuvate energiaallikate baasil aastal 2020 • tagada, et 10% transpordis tarbitavast kütusest oleks toodetud taastuvatest energiaallikatest.

14. Tänu bioenergia ohtrale kasutamisele on Rootsi suutnud KHG vähendada 9%, võrreldes 1990 aastaga. 2008 Rootsis on viimase 20 aasta jooksul bioenergia kasutamise kasvutempo olnud 3,3 TWh/a. see on ekvivalentne 6400 m3 fossiilse kütteõli kasutamisega nädalas.

15. Mida annaks biomassi kasutuselevõtmise laiendamine energia ja materjalide tootmises? • • aitab tagada energiaga varustamise kindlust (varustuskindlus); • • vähendab sõltuvust imporditavast energiast ja selle hinnakõikumistest; • • loob põllumajandustoodangule uued turuväljundid, võimaldades otsetoetuste vähenemise kompensatsiooniks teenida asendus- või lisasissetulekut; • • aitab vähendada reostussurvet keskkonnale, eriti energeetikasektori keskkonnakoormust; • • aitab tagada sisemajanduse kogutoodangu kasvu või stabiilsust; • • avaldab positiivset mõju kaubandusbilansile; • • võimaldab luua uusi töökohti või säilitada olemasolevaid (eriti maapiirkondades); • • mitmekesistab põllumajandustoodangu ja energiaressursside nomenklatuuri; • • aitab hajutada energia tootmist; • • aitab tagada põllumajandus- ja metsamaa hooldatust (ka looduslikud rohumaad).

16. Biomassi lähteressursid Eestis • Maaressurss - 300 - 400 tuhat hektarit kasutamata põllumajandusmaad. • Metsaressurss - Raieprognoos aastateks 2001- 2010 annab optimaalseks aastaseks kasvava metsa raiemahuks (ilma sanitaar- ja valgustusraieta) 12,6 miljonit tm ehk 5,6 tm ühe hektari metsamaa kohta. Eesti metsamaa pindala 2,27 miljonit ha.

17. Biomassi lähteressursid Eestis II • Puit on kõige suurema majandusliku potentsiaaliga biokütus nii soojuse kui ka elektri tootmiseks Eestis. Vastavalt kütuse- ja energiamajanduse pikaajalisele riiklikule arengukavale aastani 2015 on puidu kogu võimalik majanduslik aastane primaarenergia kogus 5,72 TWh.

18. Eesti maaressurss

19. Biomassi lähteressursid Eestis III • Energiakultuuride ressurss - Eestis seniste uurimistulemuste najal seni perspektiivseimateks peetud energiakultuuride liikide nimekiri, mis on jagatud nende mõnede ühistunnuste alusel gruppideks: • Õlirikkad kultuurid: raps, rüps, valge sinep, tuder, õlikanep, • Kiirekasvulised puuliigid: paju, hall lepp, kask, haab, • Kiirkasvulised rohttaimekultuurid: päideroog, kiukanep, roogaruhein, ida-kitsehernes (galeega), • Etanoolikultuurid: nisu, rukis, tritikale, kartul, suhkrupeet, • Looduslikud heintaimed: niidetav biomass püsirohumaadelt ning (pool)looduslikelt kooslustelt, märgaladelt (pilliroog).

20. Biomassi lähteressursid Eestis III • Jäätmete ressurss - Olmejäätmeid jäätmekütusena kasutatakse energia tootmisel praegu vähe - kuni 30 tuh tonni jäätmeid ASs Kunda Nordic Cement, kus sellega asendatakse fossiilkütuseid. Eesmärk aastaks 2010 kuni 100 tuh t. • Põhimõtteliselt saab jäätmepõletuse jagada tehniliselt kaheks lahenduseks: masspõletamine ja koospõletamine (nn RDF - jäätmekütuse põletamine). • Põllumajanduse, tööstuse, olme ja kaubanduse biolagunevad jäätmed – biogaas - kütus, energia.

21. Biomassi kasutamine Eestis. Puitkütus • Eestis on biomass (halupuude ja hagude näol) kasutusel juba tuhandeid aastaid hoonete kütmiseks ja toiduvalmistamiseks. • Kaasaja Eestis on biomassi (puitu) kasutatud kütusena põhiliselt soojust tootvates katlamajades ja kodumajapidamistes (väikemajad). • Praegu on valminud ja ehitatakse ja projekteeritakse puidu- ja turbaküttel põhinevaid soojus- ja elektri koostootmisjaamu (CHP). • Võrreldes tahkete kütustega on biomassi konkurentsivõimet suurendanud soodustariifid ja kauplemine saastekvootidega. • Puitgraanulite tootmine algas Eestis 1990ndatel aastatel ja peaaegu kogu toodang läheb ekspordiks, põhiliselt Skandinaavia riikidesse. Hetkel on ainult mõned väiksemad katlamajad muudetud puitgraanulite kütet kasutavateks. • Puitgraanulite ekspordi peapõhjuseks on graanulite kõrge hind ja puuduv vajalik infrastruktuur.

22. Puitkütuse kasutus Eestis (halupuu)

23. Puitkütuse kasutus Eestis (hakkpuit)

24. Puitkütuse kasutus Eestis (presspuit)

25. Võimalikud biokütusel soojuse- ja elektri koostootmisjaamad Eestikaugküttesüsteemides [2] Soojusvõimsus 70 MWs on seotud nn. suitsugaaside pesuri ehk kondensatsioon ökonomaiseri rakendamisega. [3] Erinevad variandid Tartu ja Pärnu puhul on seotud eraldiasuvate soojusvõrkude ja omanikega.

26. Küttepuude tootmine Eestis 2004-2007, tuh tm

27. Eesti osakaal EL-27 küttepuidu toodangus oli 1,2%, elaniku kohta aga suurim.

28. Biokütuste toodang, väliskaubandus ja tarbimine energiana 2005-2007

29. Kokkuvõte biokütuste tootmisest • Kui kõik Eestis toodetud biokütused arvestada ümber energiaks, siis 2007. aastal toodeti biokütuseid kokku ~30 PJ (8,3 TWh, 15,5% rohkem kui 2006). • Toodetud biokütuste energia pärines 98,8% puit-biokütustest, 0,2% agro- ja transpordi biokütustest ning 1% muudest biokütustest sh biogaasist ja mustast leelisest. • 2007. aastal tarbiti Eestis 80,6% kohapeal toodetud biokütuste energiast (~24 PJ ehk 6,7 TWh). • 2007. aastal Eestis tarbitud biokütuste energiast moodustas 99,1% puit-biokütuste energia.

30. Kokkuvõte II

31. Biokütuste tootmine Eestis III (Eesti Konjunktuuriinstituut, 2007) • Tahked biokütused (3,4% EL 25 küttepuu toodangust, 2004) - Küttepuu, puitjäätmed, raiejäätmed – (2,87 + 6,79 + 2,27TWh) - Puitpelletid (üle 300 000 tonni, 1,32 TWh, 2006. Koduturul 3,5%) - Puitbriketid (~9000 t, 39,6 GWh, 2006) - Puusüsi (4885 t, e 41 GWh, 2006. Tooraineks küttepuu) - Põhk ja muu rohtne biomass (900 t,~3-4 GWh, 2007) • Vedelad biokütused - Biodiislikütus (~5300 t, 2006) – potentsiaal 100000 t • Biogaas - Prügilagaas - Põllumajanduslik biogaas Tahked biokütused kokku ~12 TWh (Puitjäätmetest osa ~2 TWh ehitusmaterjaliks)

32. EU25 biomassi tootmise potentsiaal (primaarallika energiasisaldus, Mtoe).Allikad: 2003 EUROSTATi andmed; projektsioon 2010, 2020 ja 2030 aastaks -European Environmental Agency.Allikas:Biofuels in European Union. A vision for 2030 and beyond.

33. Biokütuse tootmise ja kasutamise ahel

34. Biomassi vedelateks ja gaasilisteks biokütusteks muundamise kaasaja tehnoloogiad Ethyl-tertio-butyl-ether Fatty Acid Methyl Ester Compressed Synthetic Natural Gas

35. Vedelate biokütuste liigitus • Esimese põlvkonna biokütused: • Bioetanool suhkrust ja tärklisest.Tooraineks on suhkruroog, mais, nisu jt teraviljad, suhkrupeet, kartul; • Biodiislikütus rapsiõlist, sojaõlist, palmiõlist jt.

36. Vedelate biokütuste liigitus II • Teise põlvkonna biokütused: • Bioetanool lignotselluloosist (õled, puit jne). Bioetanool ja biodiislikütus toodetud Fisher-Tropsch tehnoloogiaga. • Bio-DME. • Biometanool. • Biodiislikütus. • Biodiislikütus, toodetud HTU (Hydro Thermal Upgrading) tehnoloogiaga. Sisaldades keskmiselt 42% tselluloosi ja 21% hemitselluloosi on ühest grammist puidust teoreetiliselt võimalik saada 0,32 grammi etanooli.

37. Biokütuse tehas, kus toimub toorme integreeritud biokeemiline ja termokeemiline muundamine

38. Eeldatav tehnoloogiline areng

39. Vedelate biokütuste liigitus III • Kolmanda põlvkonna biokütused Tooraineks (tootjad) vetikad, tsüanobakterid • Biodiislikütus • Bioetanool jt • Vesinik

40. Biomassi produktiivsus. Taimede kasv (g/m2).(Vaclav Smil. Energy in Nature and Society. London.2008) • Maksimaalsed päevased (juurde)kasvud on – • 50 – mais, 40 suhkruroog (opt FS 30-45°C juures); • 35 – riis ja kartul; • 20-25 – enamus kaunvilju • 20 – nisu • Ideaalsetes tingimustes olevad taimelehed võivad ööpäevas anda 1,7 t/ha fütomassi (adsorbeerivad 250 kJ/dm2) ja kui selline kasv toimuks aasta läbi saaks 620 t/ha. • Reaalne lühiajaline juurdekasv oleks 33% eelmisest, väga heal aastal erilistes tingimustes oleks juurdekasv 20-25% ideaalsest ja pikaajalise keskmisena 10% ideaalsest.

41. Fotosünteesi kasutegur • Väga optimaalsetes kasvutingimustes (valgus, toitained, niiskus, temperatuur) võib ulatuda taimekasvu kasutegur 4-5%ni. Üldjuhul optimaalseid tingimusi ei eksisteeri ja 4%line kasutegur ei ole saavutatav. • Tavalisel viljapõllul muundub põllule langevast päikese kiirgusest vaid 0,1% viljaterade keemiliseks energiaks (FSi käigus kasutatakse 10% langevast kiirgusest, palju kadusid).

42. Biomassi produktiivsus(NPP – net primary productivity) • Kõige tõenäolisem ülemaailmne NPP oli 20 saj lõpus 100-110 Gt C/a, so 220-245 Gt kuiva fütomassi ja 3,3-3,6 ZJ (energiavoog 105-114 TW). See kasvab koos CO2 emissiooni kasvuga. • Eelmisest kogusest tuleb keskmiselt 56,4 Gt C/a maise biomassi arvele ja 48,5 Gt C/a ookeanide (ja merede) arvele. • Keskmiseks energiatiheduseks saame 450 mW/m2 jäävaba maismaa kohta ja 130 mW/m2 ookeanide pinna kohta. • Söekaevanduses on saadava energia tihedus: • Allmaakaevandamisel – 1-2 kW/m2 • Karjääri kaevandamisel kuni 20 kW/m2. • Nafta tootmisel 10-20 kW/m2. 10% sellest kulub mitteenergeetiliseks vajaduseks. • Parima energiataime energiatihedus jääb alla 1 W/m2.

43. Fossiilkütus - biomass • 7,5 Gt fossiilse süsiniku (fossiilkütuses sisalduva C) põletamine 2005. aastal vajas esialgu 50 Tt muistset fütomassi. See on ekvivalentne 500 aasta jooksva NPP (105 Gt C/a). • Eeldatavalt sisaldab maine fütomass 500 – 600 Gt süsinikku • Me oleme igal aastal kasutanud fossiilset fütomassi koguses, mis on võrdne 80-100 kordse planeedi kogu tänase fütomassi varuga.

44. Metsade ja maade produktiivsus • Maailma keskmise jätkusuutliku metsanduse reeglite kohase raiega on biomassi produktiivsus 4 GJ/ha troopilistes tingimustes ja kuni 20 GJ/ha Põhja-Ameerika ja Skandinaaviamaade okaspuumetsades. • Kuivades piirkondades kasvava vilja ja kaunviljade saagikus on alla 2 tKA/ha, troopilise suhkruroo saagikus aga 50 tKA/ha. Iowa maisi teri ja Hollandi nisuteri saab 8-9 t/ha ja kogu taime 19-22 t/ha (koristuskaalus). • Suhkruroo kõrgeim fikseeritud saagikus on olnud Jaava saarel – 94 tKA/ha (keskm ~9,2 kg/m2, 160 MJ/m2 , ~17,5 MJ/kg). • Rohumaade keskmine saagikus jääb vahemikku 1 – 2 kgKA/m2.

45. Metsade ja maade produktiivsus • Kõige produktiivsemad ökosüsteemid on märgalad – tavaliselt 1,5% päikesekiirgusest muundatakse fütomassiks • Heade rohumaade efektiivsus on - 1,2% • Alpiaasadel - 0,05- 0,15% • Parasvöötme metsadel kuni 1,5% • Troopilistel vihmametsadel - 1% • Küpsetel okas- ja lehtpuumetsadel – 0,4 - 0,9% • Planeedi keskmine NPP on 15 MJ/m2 (1,5 GJ/ha) ja fotosünteesi kasutegur on 0,3%. Ookeanide keskmine fütoplanktoni NPP on 3 MJ/m2 ja fotosünteesi kasutegur 0,06%.

46. Tüüpilised energia-tihedused taastuvate energia-allikate muundamisel ja energia tarbimises moodsas ühiskonnas

47. Biokütused - oht keskkonnale • “Biokütuste tootmise põhieesmärk peaks olema võimalikult väike oht maailma kliimale ning elustiku mitmekesisusele,” ütles ühe uurimuse juhtautor Martha Groom Washingtoni ülikoolist. Ta soovitab edaspidi pigem kasvatada vetikaid ja kiirekasvulisi puid, sest nende puhul on kasu kulunud maa pindala kohta kõige suurem. • “Teine uuring kinnitab, et paljude biokütustega kaasnevad suured kahjud keskkonnale, eriti käib jutt maisist, suhkruroost ning palmiõlist valmistatud biokütustest,” ütles Andy Tait Greenpeace’ist (hävitatakse vihmametsi).

48. Biokütused - oht keskkonnale • Uuritud kahekümne kuuest biokütusest kahekümne ühe kasutamisel paisatakse õhku üle 30 protsendi võrra vähem süsinikdioksiidi kui bensiini põletades, kuid 12 biokütuse kasutamine on Zah’i (Rainer Zah Šveitsi Empa uurimisinstituudist) meetodi järgi keskkonnale kahjulikum kui bensiin. • Nende seas on muuhulgas USA maisietanool, Brasiilia suhkruroost toodetud etanool, sojadiisel ning Malaisia palmiõlidiisel. • Parema hinde said jäätmetest toodetud kütused, näiteks kasutatud küpsetusõlist toodetud kütus ning biomassist tehtud etanool.

49. Biokütused - oht keskkonnale • Arvutuste kohaselt tasub loodusliku rohumaa muutmine põllumaaks end ära kasvuhoonegaaside vähendamise mõttes summaarselt alles 93  aastaga ning lähima 93 aasta jooksul me tegelikkuses hoopis suurendame emissioone. • Biokütuste tootmise käigus tekib samuti palju CO2. • Näiteks võib öelda, et arvestades tuumajaama ehitust ja käigushoidmist, tekib seal ühe toodetud energiaühiku kohta umbes 3 korda vähem CO2 kui fossiilsete kütuste põletamisel.

50. Kuidas edasi? • Globaalsete arengute valguses pole riigi rikkuse indikaatoriteks enam mitte SKP inimese kohta ning majanduskasvu protsent, vaid allesjäänud ja taastuvate ressursside hulk inimese kohta. • Inimesed, kes sünnivad aastail 2030-2050, näevad oma elu jooksul naftaajastu langust. Inimesed, kes sünnivad aastal 2100, elavad maailmas, kus nafta majanduselus ei domineeri.