TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkö-ja tietoliikennetekniikan osasto Bioinformaatioteknologian koulutusohjelma
Mikko Laiterä
Raaka-aineiden valinta triasyyliglyseroleja tuottavaan bioprosessiin
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 31.7.2008.
Valvoja Professori Simo Laakso
Ohjaajat Diplomi-insinööri Jukka-Pekka Nieminen Diplomi-insinööri Esa Aittomäki
Alkusanat
Haluan kiittää opinnäytetyöni valvojaa professori Simo Laaksoa, joka alun perin johdatti minut biokemian jännittävään maailmaan ja myöhemmin auttoi minua
löytämään kiinnostavan ja haastavan lopputyöpaikan.
Työni ohjaajia Jukka-Pekka Niemistä ja Esa Aittomäkeä on kiittäminen sekä johdatuksesta kasvavalle, mielenkiintoiselle alalle että tutustuttamisesta muihin asiantuntijoihin ja eri hankkeisiin. Jukka-Pekka ja Esa löysivät myös aina kiireiltään aikaa opinnäytetyölleni. Linjaesimieheni Markku Patajoki oli alun perin valitsemassa minua tekemään opinnäytetyötä yritykseen. Hän uskalsi antaa minun kantaa vastuun työni edistymisestä ja oli myös osaltaan rakentamassa tulevaisuuttani yhtiössä.
Edellä mainittujen henkilöiden lisäksi työhöni ovat merkittävästi vaikuttaneet Teknillisen korkeakoulun Ossi Pastinen ja Ilkka Lehtomäki. Olen myös kiitollinen professorien Olli Dahl ja Jouni Paltakari avusta. Yhtiömme henkilöstöstä työhön ovat osallistuneet Markun ja Jukka-Pekan lisäksi Steven Gust, Perttu Koskinen, Olli Mustonen, Johan-Fredrik Selin, Jussi Suomi, Tapani Taka, Pauliina Uronen sekä Henrik Erämetsä, jolta opin vielä varmasti paljon.
Rinteknolta työhön osallistui Esan lisäksi erityisesti Pertti Karinen.
Neste-Jacobsilta kiitän Riikka Vuotia sekä Sebastian Johanssonia ja Valconilta Reijo Tanneria. Stora Ensolta sain apua Jukka Kilpeläiseltä ja Veikko Jokelalta, joiden kanssa oli inspiroivaa vaihtaa ajatuksia. Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskuksesta sain opastusta Oiva Niemeläiseltä, Katri Pahkalalta, Ari Rajalalta sekä Marketta Rinteeltä. Esitän kiitokseni myös Geologian tutkimuskeskuksen Antti Kahralle ja Maanmittauslaitoksen Antti Myllymäelle.
Viimeisimpänä, muttei vähäisempänä, haluan mainita puolisoni Veeran, jolta olen oppinut eniten.
Espoossa 27.6.2008
[Midte
Mikko Laiterä
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Abstract of Master’s Thesis
Author: Mikko Laiterä
Title: Selection of feed stocks for a bioprocess producing triacylglycerols
Date: 31.7.2008 Number of pages: 119+11
Department: Department of Electrical and Communications Engineering Professorship: Kem-30 Applied Biochemistry
Supervisor: Professor Simo Laakso
Instructors: M.Sc. Jukka-Pekka Nieminen, M.Sc. Esa Aittomäki
Skyrocketing crude oil prices have created a significant impetus to develop alternative fuels for transportation. New concepts must offer high production volumes efficiently and be sustainable. These goals can be met only by designing new cost-effective processes and discovering renewable feed stocks that can be acquired inexpensively in large quantities.
This Master’s thesis clarifies Finland’s most significant lignocellulose feed stocks for production of renewable fuels and examines their character and usability. In addition, a few species convertible by techniques still being developed are brought up. Based on this analysis, a recommendation is made for the choice of a feed stock for a bioprocess converting carbohydrates to triacylglycerols. The product (i.e. the lipids) can be refined to diesel fuel.
The second part of this thesis examines an aerobic bioprocess, in which a micro organism assimilates carbohydrates to triacylglycerols. Most significant challenges recognized were the energy intensive biomass hydrolyzation and product acquisition. Calculation with approximate process values suggested a product yield inferior to ethanol fermentation and Fischer-Tropsch process.
However, the energy balance of this process was approximately similar to that of the ethanol process. Production cost of triacylglycerols, i.e. the crude fuel, was estimated significantly higher than that of Fischer-Tropsch diesel and approximately same as ethanol fuel.
Keywords: biodiesel, biomass, biofuel, ethanol, fat, feedstock, Fischer- Tropsch, renewable energy, renewable fuel, triacylglycerol, triglyceride
TEKNILLINEN KORKEAKOULU Diplomityön tiivistelmä
Tekijä: Mikko Laiterä
Työn nimi: Raaka-aineiden valinta triasyyliglyseroleja tuottavaan bioprosessiin
Päivämäärä: 31.7.2008 Sivumäärä: 119+11
Osasto: Sähkö-ja tietoliikennetekniikan osasto Professuuri: Kem-30 Soveltava Biokemia
Työn valvoja: Professori Simo Laakso
Työn ohjaajat: DI Jukka-Pekka Nieminen, DI Esa Aittomäki
Öljyn hinnan raju nousu on luonut huomattavia paineita kehittää vaihtoehtoisia liikennepolttoaineita. Uusien tuotantokonseptien on mahdollistettava suuret volyymit ja ratkaisujen on oltava tehokkaita sekä ekologisia. Nämä tavoitteet saavutetaan vain löytämällä uusiutuvia raaka-aineita, joita voidaan hankkia suuria määriä edullisesti sekä suunnittelemalla kustannustehokkaita prosesseja näiden hyödyntämiseksi.
Tässä diplomityössä selvitetään Suomen merkittävimmät lignoselluloosa- pohjaiset, uusiutuvia polttoaineita tuottavaan prosessiin soveltuvat biomassat ja tarkastellaan näiden kunkin ominaispiirteitä ja käytettävyyttä. Analyysin pohjalta laadittiin suositus sellaisen bioprosessin syötteiksi, joka tuottaa lignoselluloosan hiilihydraateista dieseliksi jalostettavissa olevia triasyyliglyseroleja.
Laskennallinen osa tarkastelee aerobista bioprosessia, jossa mikrobi konvertoi syötteen hiilihydraatit triasyyliglyseroleiksi eli lipideiksi. Merkittävimmiksi haasteiksi tunnistettiin biomassan hydrolysointivaihe sekä solujen hajotusoperaatio ja tuotteen keruu. Käytetyillä prosessiarvoilla menetelmän massasaanto on selvästi etanolifermentaatiota ja Fischer-Tropsch -prosessia huonompi. Energiatase ja tuotantokustannukset ovat kuitenkin etanolifermentaation kanssa suunnilleen yhtä suotuisat, joskin Fischer-Tropsch -prosessia heikommat.
Avainsanat: biodiesel, biomassa, biopolttoaine, etanoli, Fischer- Tropsch, raaka-aine, rasva, triasyyliglyseroli, triglyseridi, uusiutuva energia, uusiutuva polttoaine
Sisällysluettelo
1. Johdanto... 1
KIRJALLINEN OSA... 4
2. Keskeisimmät vaihtoehtoiset prosessit... 4
2.1. Aerobinen mikrobiprosessi...4
2.2. Biokaasutus metaaniksi... 5
2.3. Etanolifermentaatio...6
2.4. Terminen kaasutus ja Fischer-Tropsch -prosessi...7
3. Keskeisimmät raaka-ainevaihtoehdot... 8
3.1. Mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotteet...9
3.1.1. Puun ja metsäteollisuuden sivutuotteiden ominaisuudet... 11
3.1.2. Tuotanto ja markkinat... 13
3.1.3. Korjuu, kuljetus ja käyttö... 16
3.2. Ruokohelpi... 18
3.2.1. Ruokohelven ominaisuudet... 18
3.2.2. Tuotanto ja markkinat... 19
3.2.3. Kuljetus ja käyttö...22
3.3. Rypsi ja rapsi sekä niiden sivutuotteet...24
3.3.1. Rypsin ja rapsin ominaisuudet...24
3.3.2. Tuotantoja markkinat...25
3.3.3. Kuljetus ja käyttö...28
3.4. Turve... 29
3.4.1. Turpeen ominaisuudet...29
3.4.2. Määrä, hyväksyttävyys ja markkinat... 31
3.4.3. Kuljetus ja käyttö...35
3.5. Viljan tuotannon sivutuotteet...36
3.5.1. Oljen ja akanan ominaisuudet...37
3.5.2. Tuotanto ja markkinat...38
3.5.3. Kuljetus ja käyttö...40
3.6. Yhdyskunta-ja toimistojäte...42
3.6.1. Tuotantoja ominaisuudet...42
3.6.2. Hinnat...45
3.6.3 Käyttö... 46
4. Muita raaka-ainevaihtoehtoja...49
4.1. Auringonkukka...49
4.2. Eläinperäiset jätteet... 50
4.3. Energiapaju... 51
4.4. Lietteet ja mustalipeä... 52
4.5. Nurmikasvit... 54
4.6. Pellava... 55
4.7. Sokerijuurikas... 56
5. Raaka-ainevaihtoehtojen yhteenveto...57
5.1. Konverssihinta... 57
5.2. Raaka-aineiden vertailua...60
5.3. Kartoituksen yhteenveto...64
LASKENNALLINEN OSA... 66
6. Menetelmät... 66
6.1. Hienonnus, hydrolyysi ja laimennus...68
6.2. Hydrolysoimattomien tähteiden erotus, pesuja polttaminen...71
6.3. Neutralointi... 73
6.4. Kipsin erotus... 74
6.5. Bioprosessit... 75
6.6. Solujen keruu... 78
6.7. Solujen hajotus... 79
6.8. Autolysoidun solumassan erotus ja kuivaus...79
6.9. Kuivatun solumassan puristus ja tuotteen talteenotto... 80
7. Tulokset... 81
7.1 Massatase... 81
7.2. Energiatase... 84
7.3. Kustannukset... 86
8. Vertailu muihin prosesseihin...89
8.1. Etanolifermentaatio... 89
8.2. Terminen kaasutus ja Fischer-Tropsch...91
8.3. Vertailu... 92
9. Johtopäätökset... 94
10. Jatkotutkimusehdotukset...99
10.1. Raaka-aineisiin liittyvät tutkimusehdotukset...99
10.2. Aerobiseen bioprosessiin liittyvät tutkimusehdotukset... 100
11. Viitteet... 102 Liiteet....
LIITE 1.
LIITE 2.
LIITE 3.
120
Symbolit ja lyhenteet
Ac-CoA Asetyylikoentsyymi-A
ARcdw Kasvatuksen ilmastusnopeus (vvm) ATP Adenosiinitrifosfaatti
ADP Adenosiinidifosfaatti ja orto fosfaatti
b Hedlundin-Johanssonin -menetelmän (2000) mukaisen regressiosuoran vakiotermi (J/(g-K))
bbl Barreli (158,987 1) on yleisesti öljymarkkinoilla käytetty tilavuuden yksikkö, jolle öljyn hinta esitetään
c Selluloosan osuus biomassasta (-)
c
5 PentoosiC6 Heksoosi
CAPEX Capital expense, pääomakustannus (€/ttrg)
Cd Hedlundin-Johanssonin -menetelmällä (2000) määritetty ominaislämpökapasiteetti (J/(kg- K))
CDW Cell Dry Weight, vedettömien solujen massa
CF Vuotuinen vaadittu pääoman takaisinmaksuja tuotto (€/a) cH20,g Vesihöyryn ominaislämpökapasiteetti (J/(kg-K))
CH20.I Nestemäisen veden ominaislämpökapasiteetti (J/(kg-K))
CTMP Chemithermomechanical pulp; kemiallisin, termisin ja mekaanisin menetelmin kuidutettu lignoselluloosamassa
DAF Dry Ash Free, palamislämpömääritys, jossa palamislämpö lasketaan tuhkattomalle kuiva-aineelle
DHAP Dihydroksiasetonifosfaatti
dm/dt Lajin tai prosessivaiheen i massavirta (Wa) F6P Fruktoosi-6-fosfaatti
FAME Fatty Acid Methyl Ester, rasvahapon metyyliesteri
FT Fischer-Tropsch
glu Glukoosi
giy Glyseroli
GTK Geologian tutkimuskeskus
H Vaiheen i palamisen tai lämmittämisen entalpia (MJ) h Hemiselluloosan osuus biomassasta (-)
HS-Coa Koentsyymi-A (vapaa) / Investoinnin hinta (€)
i Luonnollinen luku
i-m3 Ilmakuutio eli tiivistämätön 1 m3:a suuruinen tilavuus IRR Internal rate of return, sisäinen korkokanta eli investoinnin
tuottovaatimus (-)
к Hedlundin-Johanssonin -menetelmän (2000) mukaisen regressiosuoran kulmakerroin (J/(g-K))
1 Ligniinin osuus biomassasta (-)
мтт
Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskusт Boolen algebran alkio, joka on tosi kun raaka-aine on metsäbiomassa
т, Lajin tai prosessivaiheen / massa (La) п Investoinnin pitoaika (a)
NADH Nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi
NADPH Nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatti ОРЕХ Operative expense, käyttökustannus (€/ttrg)
Р Ehjien solujen kuiva-ainepitoisuus (-) palm Palmitiinihappo tai palmitaatti
Pi Ortofosfaatti
pyr Palorypälehappo eli pyruvaatti Qbiom Biomassan palamislämpö (MJ/kg) Q H20, q Vedenhöyrystymislämpö (MJ/kg) Я Biomassan kuiva-ainepitoisuus (-)
r Autolysoitujen solujen kuiva-ainepitoisuus (-)
Vapaiden, liukoisten hiilihydraattien osuus biomassasta (-) s
T Lämpötila (°C) t Tonni eli 1000 kg
ti Liukoisen tuhkan osuus biomassasta (-)
ts Liukenemattoman tuhkan osuus biomassasta (-) trig palmitaattitriglyseridi
Vcui Kasvatusliuoksen alkutilavuus (m3) VTT Valtion tieteellinen tutkimuskeskus
vvm Ilmastuskaasun tilavuusvirtaus suhteessa kasvatusliuoksen tilavuuteen minuutissa (m3/(m3-min))
Ycdw Solumassan saanto käyttökelposista lähtöaineista kasvatuksessa (g/g) Yka Kiintoaineeseen jäävän biomassan osuus hydrolyysissä (g/g)
Ysep Erotettavan rasvan osuus solujen triglyserideistä (g/g)
Y ing Triglyseridien saanto käyttökelpoisista hiilihydraateista prosessin rasvantuottovaiheessa (g/g)
Kreikkalaiset symbolit
r Prosessin sykliaika eli välituotteiden ideaalinen viipymä yhdessä prosessin vaiheessa (a)
П Lignoselluloosa-sivutuotteen polttoenergian käytön hyötysuhde (-)
Alaindeksit
acid
base
biom
CH20
CH20, all
С02
comb
cyt d
dil
disc
feed
gen
gyp
harv
hydr
Happo, tässä rikkihappo (H2SO4)
Emäs, tässä kalsiumhydroksidi (Ca(0H)2) Biomassa
Käyttökelpoiset hiilihydraatit Kaikki liuokset hiilihydraatit Hiilidioksidi
Combustion, tässä polttoon menevä hydrolysoitumaton lignoselluloosa
Sytosoli Denaturaatio
Dilute, tässä laimea happo
Discard, tässä kasvatuksen jälkeen poistettava vesi Feed, alkuperäiset raaka-aineet
Kasvatuksessa syntyvä Gypsum, kipsi (СаЗО^НгО) Harvesting, solujen keruu Hydrolyysi
init Initial, kaikki lähtöaineet (ml. kierrätetyt solut)
ka Kuiva-aine
02 Happi
matrix Mitokondrion matriksi pre Precipitate, tässä saostuva sol Solvent, liuottimena toimiva
teor Stoikiometrisiin yhtälöihin perustuva teoreettinen arvo trig Tri(asyyli)glyseridi
1. Johdanto
Suomi sekä muut kehittyneet yhteiskunnat on rakennettu halvan öljyn varaan.
Erityisesti kotimaassamme intensiivinen ulkomaankauppa, pitkien välimatkojen kuljetus ja matkustus sekä jossain määrin myös lämmittäminen perustuvat öljyyn.
Yhteiskuntarakenteemme saattaa kuitenkin olla muutoksen edessä - asiantuntijat (Speight, 2007) varoittavat, että halvan öljyn aika on pysyvästi ohi (kuva 1).
Toukokuussa 2008 Brent-laatuisen raakaöljyn hinta ylitti 130 $/bbl (Crude oil Marketwire, 2008) eikä paluuta vuosituhannen alun hintoihin ole odotettavissa.
Kuva 1. Brent-laatuisen öljybarrelin kuukausittaiset hintakeskiarvot tammikuusta 1987 toukokuuhun 2008 (Crude oil Marketwire, 2008)
Öljyn hinnan nousu, ympäristönäkökulman korostuminen sekä monien länsimaiden riippuvuus epävakaasta Lähi-idästä, on lisännyt kiinnostusta uusiutuvia polttoaineita kohtaan. Tilanne on myös saanut päättäjät asettamaan erilaisia lakeja ja asetuksia: EU:n ns. biopolttoainedirektiivin (2003/30/EY) mukaan liikenteen biopolttoaineiden osuus käyttöenergiasta on nostettava 5,75 %:iin vuoteen 2010 ja 10 %:iin 2020 mennessä.
Yhdysvallat on noussut maailman bioetanolituotannon kärkeen ohi sokeriruokoa raaka-aineena käyttävän Brasilian (Ethanol Industry Statistics, 2007), kun taas Euroopassa on panostettu biodieseliin. Biopolttoainetuotannon kannattavuus edellyttää kuitenkin verotuksellista etua öljyyn nähden tai erityisen suotuisia kasvuolosuhteita biomassan tuottamiseksi. Huomattava ongelma on myös, että tyypillisimmät markkinoilla jo olevat tuotteet mm. rasvahappojen metyyliesterit ovat käyttöominaisuuksiltaan perinteisiä polttoaineita huonompia (Rantanen et ai, 2005). Lisäksi kriitikot uskovat biopolttoainetuotannon parantavan hiilidioksiditasetta fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna vain vähän, jos lainkaan, sekä tuhoavan luonnon monimuotoisuutta ja nostavan ruuan hintaa syrjäyttämällä ruokakasvien viljelyä. Lainsäätäjät pyrkivätkin uusista käytännöistä päätettäessä mahdollisimman kattavasti ottamaan huomioon biopolttoaineiden tuotannon yhteiskunnalliset ja ekologiset vaikutukset.
Kirjallisuusosassa on selvitetty potentiaalisia biomassoja uusiutuvan dieselin raaka-aineeksi. Tarkastelussa keskitytään sellaisiin kotimaisiin biomassoihin, jotka ovat mikrobien avulla konvertoitavissa triglyserideiksi tai etanoliksi.. Osana selvitystyötä tarkasteltiin myös ulkomaisen palmuöljy- ja Jatropha curcas - tuotannon sivutuotteita, mutta näiden prosessointi Suomessa on kannattamatonta pitkän kuljetusmatkan vuoksi, mistä syystä ne jätettiin lopullisen tarkastelun ulkopuolelle.
Kokeellisessa osassa arvioidaan käyttökelpoisimpien raaka-aineiden kannattavuutta uusiutuvan dieselin valmistuksessa. Kartoituksen perusteella potentiaalisimpien biomassojen prosessoinnin massa- ja energiataseet sekä kustannukset laskettiin sellaiselle bioprosessille, joka perustuu hiilihydraattien (sokereiden) aerobiseen konversioon triasyyliglyseroleiksi (rasvoiksi). Myös kustannuksia arvioitiin. Tarkastelu kattaa koko prosessoinnin esikäsittelystä triglyseridiksi sekä tulosten vertailun etanolifermentaation ja Fischer-Tropsch - prosessin vastaaviin ominaisuuksiin.
Diplomityö antaa perustellun näkemyksen aerobisen mikrobiprosessin soveltuvuudesta osaksi uusiutuvan dieselin tuotantoketjua sekä arvion Suomen biomassojen soveltuvuudesta tämän prosessin syötteeksi. Lisäksi käsitellään etanolifermentaation sekä termisen kaasutuksen ja Fischer-Tropsch -prosessin kannattavuutta. Opinnäytetyö tunnistaa ja kuvaa myös, mitkä ovat ylipäätään juuri ne maamme biomassat, jotka ovat nykyisellä tekniikalla, teollisessa mittakaavassa jalostettavissa liikennepolttoaineiksi.
KIRJALLINEN OSA
2. Keskeisimmät vaihtoehtoiset prosessit
Tässä luvussa esitellään lyhyesti kolme potentiaalista prosessia biomassan jalostamiselle liikennepolttoaineiksi. Lisäksi käsitellään ns. biokaasutusta, joka ei tuota nestemäistä polttoainetta mutta soveltuu erityisesti jätteiden tai erilaisten j äännösbiomassoj en käsittelemiseen. Tarkastelun ulkopuolelle on jätetty metyyliestereihin perustuvat biodiesel-prosessit, sillä niiden tuotteet eivät ole laadultaan kilpailukykyisiä opinnäytteen tilanneen yhtiön synteettisen dieselin kanssa (Rantanen et ai, 2005).
2.1. Aerobinen mikrobiprosessi
Aerobisella prosessilla tarkoitetaan tässä tarkastelussa sellaista yksisoluprosessia, jossa aerobinen mikrobi muuttaa kasvatussubstraatin energiantuotannossaan hiilidioksidiksi ja varastoi ylijäämäenergian triasyyliglyseroleiksi (triglyserideiksi) eli rasvoiksi. Prosessin kannattavuuden vuoksi on tärkeää, että organismi voi käyttää hiilenlähteenään pentooseja, jolloin myös suurin osa kasvimateriaaleissa yleisestä hemiselluloosasta konvertoituu esikäsittelyn ja bioprosessoinnin seurauksena triglyserideiksi.
Prosessoitava biomassa hienonnetaan mekaanisesti. Lähtöaineen polysakkaridit hydrolysoidaan hienonnuksen jälkeen (peltobiomassat) tai samanaikaisesti (metsäbiomassat) pentooseiksi ja heksooseiksi. Operaatiossa käytetään rikkihappoa (H2SO4), jota on saatavilla suuria määriä edullisesti (Boyd, 2008).
Lisäksi rikkihappoa voidaan säilyttää ja käsitellä pienemmällä korroosioriskillä kuin toista yleistä teollisuushappoa vetykloridia (suolahappo, HC1).
Hydrolyysin ja hydrolysoimattomien kiintoaineiden erotuksen jälkeen seos neutraloidaan. Neutralointikemikaalin valintaan vaikuttavat tavoitteet syntyvän
suolan ominaisuuksista. Suolan pitäisi olla mahdollisimman helposti erotettavissa seoksesta - sen pitäisi saostua. Lisäksi suola ei saa aiheuttaa ympäristöongelmia.
Parhaimmassa tapauksessa suolalla on myös jälleenmyyntiarvoa. Emäksenä on oletettu käytettävän kalsiumhydroksidia Ca(OH)2. On kuitenkin todennäköistä, että laajamittaisen tuotannon sivuvirtana syntyvä kipsi (CaS(V2H20) saturoi markkinat, jolloin sen hävittäminen muodostuu kustannukseksi.
Hiilihydraatit sisältävä liuos johdetaan bioprosessiin. Raaka-ainevalintojen mukaan prosessiin voidaan uusia soluja tuotettaessa joutua lisäämään myös typpeä tai fosforia. Rasvahapposynteesi vaatii aerobisia olosuhteita, jolloin kasvatus ja rasvantuotto edellyttävät ilmastusta sekä sekoittamista. Bioprosessien jälkeen solut hajotetaan (Pastinen, 2008d) ja kiintoaineet sekä triglyseridit kerätään erilleen. Saatua solumassaa voidaan käyttää ravinteiden ja hiilen lähteenä kasvatuksessa, myydä rehuna tai polttaa lämmön ja prosessihöyryn tuottamiseksi.
2.2. Biokaasutus metaaniksi
Biokaasutuksessa anaerobisten organismien sekapopulaatio tuottaa orgaanisesta aineksesta metaania (CH4) ja hiilidioksidia (CO2) jättäen jäljelle mädätetyn biomassan. Metaani on tavallisesti kaasuseoksen pääkomponentti ja sen määrä vaihtelee yleensä välillä 55-75 % hiilidioksidin kattaessa 25-45 % kaasusta (Alakangas, 2000 ja de Mes et ai, 2003). Lisäksi eri lähtöaineilla voi muodostua rikkivetyä (H2S) 0-2 %, typpeä 0-25 % sekä mahdollisesti pieniä määriä kloori- ja fluoriyhdisteitä (Alakangas, 2000).
Koska hiilidioksidi on inertti yhdiste ja metaanikin käytännössä vain hapettuu, soveltuu biokaasu lähinnä polttamiseen. Seoksen tehollinen lämpöarvo vaihtelee välillä 4-6 kWh/m3 (14,4-21,6 MJ/m3), mikä on selvästi alempi kuin noin 98 % metaania sisältävällä maakaasulla (35,6 MJ/m3 eli n. 9,9 kWh/m3) (Alakangas, 2000). Biokaasua voidaan käyttää myös ajoneuvoissa, mutta tämä edellyttää 1) kaasulle sopivaa moottoria, 2) paineistettuja polttoainesäiliöitä sekä kaasun
tuotantolaitoksella 3) laitteistoa metaanin rikastamiseksi ja 4) todennäköisesti rikinpoistoprosessia. Lisäksi, jotta biokaasun laajamittaiselle hyödyntämiselle olisi aitoja kannustimia, pitäisi tuotannon olla volyymillisesti merkittävää ja jatkuvaa.
Biokaasutuksen kannattavuutta parantaa se, että usein lähtöaine, esimerkiksi lietelanta tai jätevedenpuhdistamon liete, sisältää valmiiksi tarvittavan mikrobiflooran. Lisäksi de Mes et ai. (2003) korostavat biokaasutuksen kuluttavan vain vähän energiaa, pienentävän tehokkaasti jätteen tilavuutta ja usein mahdollistavan paljon typpeä, fosforia ja kaliumia sisältävän jäännöksen lannoitekäytön.
2.3. Etanolifermentaatio
Etanolifermentaatio edellyttää vastaavaa esiprosessointia kuin edellä käsitelty aerobinen prosessi triglyserideiksi. Raaka-aine hienonnetaan ja sen sisältämä selluloosa, hemiselluloosa ja muut polysakkaridit hydrolysoidaan. Olosuhteet, jotka ovat riittävän ankarat hydrolysoimaan selluloosan, hajottavat myös muut kasvien sisältämät polysakkaridit monomeereikseen. Näin ollen selluloosaa hyödyntävä prosessi voi, mikäli organismi valitaan sopivasti, käyttää myös muita kasvin hiilihydraatteja.
Toisin kuin aerobisen prosessin triglyseridit, etanoli erittyy solujen ulkopuolelle.
Merkittäviä prosessiteknisiä seurauksia on myös sillä, että etanolifermentaatio on anaerobinen ja triglyseridien tuotto aerobinen prosessi. Prosessoinnin kannalta on etu, ettei fermentaatiota tarvitse ilmastaa. Toisaalta, valmistettaessa etanolia liikennepolttoaineeksi on se tislattava erilleen fermentaatioliuoksesta ja tämän jälkeen väkevöitävä (von Weymam, 2007).
Fermentoiva organismi ei pysty tuottamaan tehokkaasti yhtä pelkistyneitä yhdisteitä kuin happea käyttävä mikrobi. Tästä erosta huolimatta energiantuottotapojen hyötysuhteet ovat likimain samat (Laakso, 2007), joskin
aerobisessa prosessissa eristettävälle tuotteelle, triasyyliglyserolille, kertyy huomattavasti korkeampi energiatiheys: etanolin palamisen tehollinen eli alempi lämpöarvo on noin 26,8 MJ/kg (Li et ai, 2005), kun taas glyserolin tripalmitiiniesterillä se on 39,5 MJ/kg ja vastaavalla trioleiinilla 39,9 MJ/kg (Grudnikov ja Gregor, 2006).
2.4. Terminen kaasutus ja Fischer-Tropsch -prosessi
Terminen kaasutus ja sitä seuraava Fischer-Tropsch -prosessi ei sisällä mikrobeja tai biologisia katalyyttejä. Prosessi perustuu nk. synteesikaasun (H2 + CO) valmistukseen kaasuttamalla lähtöainetta korkeassa lämpötilassa ja puhdistetun synteesikaasun puristamiseen raakadieseliksi katalyytin avulla.
Kuten edellä esitetyt biologiset prosessit, myös terminen kaasutus edellyttää lähtöaineen murskaamista tai silppuamista, joskin kaasutuksessa voidaan hyväksyä ensin mainittuja suurempi raekoko. Taloudellinen kosteuden yläraja kaasuttimessa on suunnilleen 15 %. (Gust, 2008a).
Kaasuttimessa kiertää syötteeseen nähden ylimäärä hienojakoista lämmönsiirtohiekkaa (ns. kiertopeti) 850-900 °C lämpötilassa (Gust, 2008a).
Kierto saadaan aikaan puhaltamalla höyryä ja puhdasta happea kierto virtauksen tangentin suuntaisesti. Operaation toimivuus on herkkä biomassan typen pitoisuudelle: Leppälahden (1994) mukaan biomassan typpi tuottaa kaasutuksessa huomattavasti syövyttävää ammoniakkia (NH3) sekä myrkyllistä vetysyanidia (HCN).
Korkeassa lämpötilassa ja tarkkaan säädetyllä hapen määrällä syötön happi reagoi hiilen (C) kanssa hiilimonoksidiksi (CO) ja tämä eksoterminen reaktio ylläpitää prosessia. Reaktio esitetään usein hiilellä, mutta monimutkaisen ja tavallisesti hyvin heterogeenisen biomassan tapauksessa esitys on yksinkertaistava:
2 C + О 2 —^ 2 СО . со
Itse synteesikaasu muodostuu endotermisessa reaktiossa kuumasta höyrystä (H2O) ja hiilestä:
C + H20^>CO + H2. (2)
Biomassan vedystä tulee vetykaasua ja vettä. Lisäksi kaasutuksen tuotteena saadaan tervaa, korkean hiilipitoisuuden omaavaa alitetta. Tervan määrä pyritään minimoimaan, sillä kaasutuksessa tavoitellaan mahdollisimman korkeaa konversiota hiilivetyjen rakennusaineena käytettäväksi synteesikaasuksi. Kuten yhtälöstä (1) on pääteltävissä, hapen käytöllä pyritään myös irrottamaan tervasta lisää hiilimonoksidia.
Muodostetusta kaasuseoksesta erotetaan sivutuotteet ja synteesikaasu johdetaan puristettavaksi varsinaiseen Fischer-Tropsch -prosessiin. Synteesikaasu konvertoituu vesihöyryksi ja hiilivedyiksi, lähinnä albaaneiksi :
iCO + (2i +1 )H2 -> C,H2i+2 + iH20. (3)
Edellä esitetyssä reaktiossa i on kokonaisluku eli hiilivetyketjun pituutta ei ole määritelty. Prosessin termodynaamiset olosuhteet valitaan siten, että hiilivetyjen kokojakauma ja saanto ovat optimaaliset jatkojalostukselle 1 iikennepo 1 ttoaineeksi.
3. Keskeisimmät raaka-ainevaihtoehdot
Tässä luvussa käsitellään kirjallisuusselvitykseen ja asiantuntija-arvioihin perustuen merkittävimmät kotimaiset lignoselluloosapitoiset biomassat, joista suurin osa soveltuu mikrobiprosessien lisäksi myös termiseen kaasutukseen ja Fischer-Tropsch -prosessiin. Kuten jäljempänä esitettävistä laskelmista sekä
arvioista käy ilmi, on koostumukseltaan harvaa raaka-ainetta järkevää kuljettaa vain melko lyhyitä matkoja, jolloin katsaus kotimaisiin biomassoihin sisältää yleisemminkin sellaiset biomassat, joita Suomessa kannattaa prosessoida.
Suomessa syntyy huomattavasti erilaisia biomassoja, jotka soveltuvat bioprosessin raaka-aineeksi. Tarkastelussa on kuitenkin pitäydytty volyymillisesti merkittävimmissä vaihtoehdoissa. Ehkä haastavimman, hyödyntämisen kannalta rajatapausten ryhmän muodostavat eri teollisuudenalojen lietemäiset jätteet (luku 4.4.), joista osa sisältää edullisia, käymiskelpoisia hiilihydraatteja.
3.1. Mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotteet
Suomen pinta-alasta 78 % on metsätalousmaata ja vähintään yhden kuutiometrien puuta hehtaaria kohden vuodessa tuottavaa alaa eli metsämaata on laskentaorganisaatiosta riippuen 20,2-22,5 Mha. Puustosta noin 50 % on mäntyä (Pinus sylvestris), 30 % kuusta {Picea abies) ja 16 % koivua (hieskoivu, Betula pubes cens ja rauduskoivu, Betula pendula syn. Betula verrucosa) (Metsäntutkimuslaitos, 2007). Puuston tilavuus hehtaaria kohti eri alueilla Suomessa käy ilmi kuvasta 2.
Puuston tilavuus m3/ha
0-10
11-50 51-100 101-150 151-200
>200
Pilvi
1
RakennettumaaVesiPelto
Kuva 2. Suomen metsien puuston tilavuus. Vesi / peltomaski © Maanmittauslaitos, lupanro 51/MM L/08.
Puu voidaan jakaa eri ryhmiin sen käyttötarkoituksen tai käsittelyn mukaan.
Raakapuu voidaan jaotella tukkipuuhun ja kuitupuuhun. Kuitupuu sisältää 1) jo alhaalta rungosta huomattavan oksittuneet puut, 2) kuolleet ja sairastuneet puut, 3) tukkipuiden irtileikatut latvukset ja 4) tukeiksi liian pienet puut.
Muut ryhmät käsittävät sivutuotteita. Tukkipuun sahauksessa syntyy sahanpurua, jota käytetään voimalaitoksilla ja sellun valmistuksessa. Myös kuori on tällainen sivutuote. Hakkeita taas syntyy joko korjuun ja sen välittömän puun käsittelyn yhteydessä tai haketettaessa puuainesta esim. huonekalu-, saha- ja vaneriteollisuudessa. Ensimmäisen tapauksessa puhutaan metsätähdehakkeesta, joka koostuu oksista, latvuksista, ohuista jäännöspuista ja lumpeista, jälkimmäisen
osalta teollisuuden puutähdehakkeesta.
3.1.1. Puun ja metsäteollisuuden sivutuotteiden ominaisuudet Tässä kappaleessa käydään läpi puun rakennetta sekä tärkeimpien metsäteollisuuden sivutuotteiden ominaisuuksia. Mänty on maamme yleisin puulaji (Metsäntutkimuslaitos, 2007) ja taulukkoon 1 on koottu sen puuaineksen sekä hyödyntämisen tärkeimpien sivutuotteiden tiheyksiä. Raaka-aineen tiheys vaikuttaa sen kuljetuskustannuksiin.
Taulukko 1. Männyn ja sen muokkauksen tärkeimpien sivutuotteiden kuivatuoretiheydet (kg/i-m3) (Lindblad ja Verkasalo, 2001 sekä Wilén et ai., 1996).
Ainespuu Kuorihake Puuhake Metsätähdehake Sahanpuru
(kg/i-m3) (kg/i-m3) (kg/i-m3) (kg/i-m3) (kg/i-m3)
Mänty 390-445 219 229 293 150
Taulukossa 1 käytetty kuivatuoretiheys on puun kuivamassa jaettuna tuoreella tilavuudella ja puuhake tarkoittaa mitä tahansa kokonaisesta puusta tehtyä haketta, kun taas metsätähdehake koostuu ennen kaikkea kannoista, latvoista ja oksista.
Lindblad ja Verkasalo (2001) osoittivat, että kasvualueen maantieteellinen sijainti vaikuttaa puun tiheyteen. Tiheintä puu oli Etelä-Suomessa (esim. mäntysahapuu keskimäärin 435 kg/m3) ja harvinta Pohjois-Suomessa (esim. mäntysahapuu keskimäärin 407 kg/m3). Taulukossa olevat tiheyden vaihteluvälit selittyvät siis osin maantieteellisellä sijainnilla, toisaalta myös sillä, ettei edellä eritelty männyn kuitu- ja tukkipuuta.
Matalia kuivatuoretiheyksiä selittää puun korkea kosteuspitoisuus. Tuoreen puun painosta 40-60 % on vettä ja kosteuteen vaikuttavat useat seikat, kuten puulaji, kasvupaikka, puun ikä ja tarkasteltava puun osa. Myös ajalla on merkittävä vaikutus: esim. annettaessa hakkuutähteen kuivahtaa pari kesäkuukautta sen kosteus laskee 50-60 %:sta 20-30 %:iin. (Alakangas et ai, 1999).
Prosessoinnin kannalta on olennaista tietää kosteuden lisäksi puun yleisimpien makromolekyylien suhteelliset osuudet: kuivapainosta on ligniiniä 18-35% ja
hiilihydraatteja 65-75 %. Nämä hiilihydraatit muodostuvat edelleen pääosin selluloosasta, jota on noin 40-50 % sekä hemiselluloosasta, jota on vastaavasti 25- 35 % puun kuivapainosta (Pettersen, 1984). Puussa on myös pieniä määriä, yleensä alle 5 % kuivapainosta, ns. uuteaineita. Näihin kuuluu mm. alkaaneja, rasva-alkoholeja, rasvahappoja ja niiden johdannaisia (rasvat ja vahat), terpeenejä sekä fenolisia yhdisteitä (Kaipainen, 2003).
Kaipaisen (2003) pro gradu-työssä on esitetty männyn, kuusen ja koivun eri osien kuiva-aineen koostumukset. Taulukossa 2 on esitetty kokopuun selluloosa- hemiselluloosa-, ligniini- ja uuteainepitoisuudet näille kolmelle puulajille.
Termisen kaasutuksen kannalta tärkeä typen pitoisuus on kaikissa havupuun osissa tavallisesti alle 0,5 % (Taipale, 1996).
Taulukko 2. Männyn, kuusen ja koivun kokopuun keskimääräinen koostumus (Kaipainen, 2003)
Selluloosa (%)
Hemiselluloosa (%)
Ligniini (%)
Uuteaineet (%)
Epäorgaaninen aines (%)
Mänty 41 22 25 7 0,9
Kuusi 38 24 25 8 1,4
Koivu 35 28 23 6 U
Kaipaisen (2003) mukaan kuoren selluloosapitoisuus on matala (männyllä 13- 22 % ja kuusella 19-28 %) ja uuteaineiden erittäin korkea (männyllä 11-22 % ja kuusella jopa 21-40%). Tulokset neulasille olivat samankaltaisia. Koivun osalta vaikuttaa kuoren pitoisuuksien laskelmiin se, käsiteltiinkö uiko- vai sisäkuorta.
Kaipaisen (2003) mukaan myös tuhkapitoisuus määräytyy puun osan mukaan:
viiden puulajin keskiarvona laskettu neulasten ja lehtien tuhkapitoisuus on 4,97 %, kuoren 2,97 %, kuorettomien oksien 1,52 % ja puuaineen 0,46 % kuiva- aineesta. Kokopuun tuhkapitoisuus oli 0,8-1,3 %. Ominaisuuksien riippuvuus puun osasta vaikuttaa eri puubiomassojen käytettävyyteen, sillä esimerkiksi tuhkaa ja uuteaineita sisältävän kuoren suhteellinen osuus kasvaa oksan koon
pienentyessä.
Edellä esitetyt arviot kuoren ja neulasten sisältämien komponenttien pitoisuuksille tekevät hakkeen bioprosessoinnin suunnittelusta riskialtista: syöteaineen ominaisuudet riippuvat siitä, minkälaista metsätähdettä hakkeessa on käytetty. Jos tähde on koottu hyvin pienistä oksista eikä neulasten ole annettu varista (puun kuivattaminen ennen korjuuta), ovat materiaalin bioprosessointiominaisuudet odotusarvoisesti heikot.
3.1.2. Tuotantoja markkinat
Vuonna 2005 Suomessa hakattiin yhteensä 52,6 Mm3 raakapuuta ja lisäksi tuonti oli 21,5 Mm3. Maassamme käytettiin vastaavasti 29,502 Mm3 tukkipuuta ja 36,067 Mm3 kuitupuuta (Aarne, 2006). Kotimaan hakkuun aiheuttama puuaineksen poistuma käsitti kuitenkin vain 70 % puuston vuotuisesta kasvusta (Metsäntutkimuslaitos, 2007).
Kuorta ja hakkeita käytettiin vuonna 2005 energian tuotantoon 7,6 Mm3 ja 3,6 Mm3 vastaavasti (Aarne, 2006), mutta käyttötehokkuus metsätähdehakkeen kohdalla ei ollut erityisen hyvä suurimman osan materiaalista jäädessä metsään:
Kokkosen ja Hytösen (2006) mukaan Maa- ja metsätalousministeriön tavoitteena on, että metsätähdehaketta kerättäisiin talteen noin 8 Mm3 vuodessa. Taulukkoon 3 on koottu Suomessa vuonna 2005 käytetyn puuaineksen volyymit miljoonina kuutioina.
Taulukko 3. Tärkeimpien puuaineksien käyttö Suomessa 2005 (Aarne, 2006).
Kuitupuu Tukkipuu Kuori Metsätähdehake Sahanpuru Teollisuuden puutähdehake
Käyttö MraJ 36,067 29,502 7,625 2,606 1,721 1,008
Metsätilastollisen vuosikirjan 2007 (Aarne, 2007) mukaan tukkipuu on dieselin raaka-aineeksi liian kallista, eikä sitä näin ollen tarkastella enempää. Myös kuitupuu on arvokasta (Aarne, 2007), joskin sen polttoainekäyttö saattaa olla, ainakin hyvin lyhyillä kuljetusmatkoilla, kannattavaa. Tarkastelussa pyritään
kuitenkin lähtökohtaisesti löytämään halvempia raaka-aineita. Potentiaalisia ovat siten erityisesti kuori, metsätähde- ja teollisuushake sekä sahanpuru.
Metsätähdehakkeella on myös se etu, että sen tarjonta on melko joustavaa: kun kysyntä kasvaa, hake otetaan paremmin talteen. Tällöin hinta ei kysynnän kasvaessa nouse yhtä aggressiivisesti kuin esimerkiksi tehokkaasti hyödynnetyn tukkipuun tapauksessa (Aarne, 2006). Kiinteiden sivutuotteiden hintakehitys vuosina 2003-2005 on kuvattu alla olevassa taulukossa 4. Metsäntutkimuslaitos on sittemmin lopettanut seurannan.
Taulukko 4. Puun tähteiden hinnat keskimäärin käyttöpaikoilla irtokuutiota kohden (Aarne, 2006).
2003 (€/i-m3) 2004 (€/i-m3) 2005 (€/i-m3)
Kuori 4,60 4,80 5,15
Metsähake 7,90 7,60 8,95
Sahanpuru 4,55 4,95 5,35
Teollisuuden
5,90 6,35 6,80
puutähdehake
Taulukosta 4 nähdään, että kuori on halvinta. Yksikkönä esiintyvä irtokuutio on pakkaamaton, tiivistämätön kuutiometrin suuruinen tilavuus. Kuoren edullisuus selittyy sen heikolla laadulla: kuoren uuteainepitoisuus on korkea (Kaipainen, 2003). Poltto energiaksi on kannattavaa, sillä heikkolaatuinen aines ei ole pois vaihtoehtoisesta käytöstä. Lisäksi, koska karsitussakin puissa on luonnostaan kuori, tulee se passiivisesti kuljetettua tehtaalle arvokkaamman aineksen mukana.
Sahanpuru on toiseksi halvin polttoaine. Sahanpuru on tavallisesti peräisin tukkipuusta ja näin se on muihin mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotteisiin nähden korkealaatuista. Lisäksi se on biopolttoainetarkoituksiin valmiiksi silputtua, joskin heikkoutena voidaan mainita sen tavallisesti korkea 50-55 % kosteus (Pajuja Alakangas, 2001). Purua tai siitä valmistettuja pellettejä kuitenkin käytetään voima- ja lämpölaitoksissa sekä lämmitysöljyn lisänä tai korvikkeena kotitalouksissa. Vaikeasti ennakoitavan kysynnän lisäksi voivat suhdanneherkän sahateollisuuden tuotantomuutokset aiheuttaa muutoksia tarjontaan.
Teollisuuden puutähdehakkeen sahanpurua korkeampi hinta selittyy sen korkeammalla kuiva-ainetiheydellä (taulukko 1). Muuten biomassat ovat samankaltaisia. Neljännen sivutuotteen, metsähakkeen, hinnat ja tuotantokustannukset ovat vähemmän suhdanneherkkiä mutta melko tapauskohtaisia. Pienellä hakkuualueella murskain- tai hakkuukoneiston ja muiden tarvittavien välineiden sekä osaamisen tuominen paikalle kohdistuu pienemmälle tuotetun hakkeen määrälle, jolloin hake on kalliimpaa. Yhtälailla, jos metsä on harvaa tai puusto tuottaa vähän oksia, kantoja ja latvoja suhteessa tukkipuun määrään (esim. hyvin hoidettu mäntymetsä), joudutaan hakkuutähteen ainekset keräämään syntyvän hakkeen määrään nähden laajalta alueelta, mikä nostaa kustannuksia.
Taulukoiden 1 ja 4 tiedoista saadaan hinta-arviot puun sivutuotteiden kuiva- aineelle. Koska Suomessa käytetystä kuitupuusta oli 13 Mm3 mäntyä ja 10,4 Mm3 kuusta (Aarne, 2006), oletetaan kuoresta olevan 56 % mäntyä, 44 % kuusta.
Kuusen kuorihakkeen kuiva-aineen tiheys on noin 274 kg/m3 (Wilén et ai, 1996).
Oletetaan toiseksi, että hakkeet sekä sahanpuru ovat mäntyä. Kolmantena, arvioidaan teollisuuden puutähdehakkeen tiheyttä kokopuuhakkeella. Saadut arviot on koottu taulukkoon 5. Alimmalla rivillä on lisäksi kuluttajahintaindeksien avulla nykyarvostetut hinnat (Tilastokeskus, 2008).
Taulukko 5. Puun sivutuotteiden arvioidut keskimääräiset hinnat kuiva-ainetonnia kohti käyttöpaikalla vuoden 2005 hintatasolla sekä vuoden 2008 tammikuulle nykyarvostettuna
Kuori Metsähake Sahanpuru Teollisuuden
puutähdehake
Hinta 2005 (€/tka) 21 31 36 30
Hinta-arvio 2008 (€/tka) 23 33 39 32
Taulukosta 5. havaitaan, että vaikka sahanpuru oli taulukossa 4 halpa polttoaine, niin kustannus kuiva-ainetta kohti on kuitenkin korkea. Tämä on odotettua, sillä sahanpuru on valmiiksi silputtua ja hyvälaatuista. Kuori on edelleen edullisinta (vrt. taulukko 4).
3.1.3. Korjuu, kuljetus ja käyttö
Metsähakkeen tuoton kustannukset on myös yleistetty ja laskelma on koottu taulukkoon 6. Kustannusten nykyarvostamisessa on käytetty tilastokeskuksen laskemaa 18,1 %:n hintojen nousua tammikuusta 1999 tammikuuhun 2008 (Tilastokeskus, 2008) ja euron arvona sen käyttöönoton mukaista valuuttakurssia 5,94573 mk/€.
Taulukko 6. Hakkuutähteen tuotantokustanukset (Alakangas et ai., 1999)
Työvaihe Kustannus
€/i-m3
Kustannus
€/MWh
Hakkuutähteen korjuuoikeuden hankinta 0,40 0,60
Hakkuutähteiden kasaus 0-0,60 0-0,79
Hakkuutähteiden metsäkuljetus 1,19-1,60 1,60-1,99
Hakkuutähteiden tienvarsihaketus 1,99-3,18 2,58-3,97
Hakkuutähdehakkeen kaukokuljetus 50 km 2,58 3,18
Hankinnan ja toimituksen organisointi 0,60 0,60
Yhteensä 6,76-8,96 8,56-11,13
Taulukon 6 mukaiset arvot (Alakangas et ai, 1999) ovat samansuuntaisia taulukon 4 tulosten kanssa, mutta polttoainekustannusten voimakkaan nousun vuoksi luultavasti hieman liian matalia. Taulukon 6 laskelmista on myös luettavissa hinta-arvioksi 4,18-6,38 €/i-m3 (5,38-7,95 €/MWh) ilman kuljetusta käyttöpaikalle. Vaihtoehto edellä tarkastellulle tilanteelle on, että hakkuutähde käsitellään murskaamalla se käyttöpaikalla tuottopaikalla hakettamisen sijaan.
Murskauksen kustannus on noin 1,19 €/i-m3 (1,59 €/MWh), mutta käsittelemätön hake on harvempaa ja kuljetuskustannuksiksi 50 km:n matkalle arvioitiin 3,97 €/i-m3 (4,97 €/MWh) (Alakangas et ai, 1999), joka on yli puolitoistakertainen summa tienvarsihakkeen kuljetukseen nähden.
Murskaaminen on siis edullisempaa, mutta murskeen kuljettaminen sen matalammasta tiheydestä johtuen kalliimpaa. Kokonaiskustannusten ero on pieni 50 kilometrin matkalla (edellä esitetyillä arvoilla 0 ± 0,60 €/i-m3), mutta kasvaa
rahdattaessa raaka-ainetta kauemmas. Näin ollen murskaus on kannattavaa lyhyillä rahtausmatkoilla, sillä tällöin kuljetuskustannusten osuus kokonaiskustannuksista on pieni. Vastaavasti tienvarsihaketus eli hakettaminen ennen kuljettamista kannattaa yli 50 kilometrin kuljetuksille.
Taulukon 6 arvoista saadaan metsätähdehakkeen kuljetuskustannuksiksi 5,16 c/(m3-km) eli noin 17,6 c/(tka-km) taulukon 1 tiheyden avulla. Mustosen (2008) mukaan metsähakkeen ja sahanpurun kuljetuskustannukset ovat 15- 20 c/(tka‘km), mikä on yhdenmukainen arvio Alakankaan et ai (1999) nykyarvostettuj en laskelmien kanssa.
Alakangas et ai. (1999) tarkastelivat hakkuutähteen korjuun haittoja ja hyötyjä.
Mahdollisen taloudellisen tuoton lisäksi metsähakkeen keruu pienentää ravinnehuuhtoumaa vesistöihin, helpottaa mahdollista maanmuokkausta sekä luonnontaimien istutusta. ”Siivotulla” hakkuualueella myös tavallista pienempinä istutettavat taimet saavat riittävästi valoa ja selviävät. Lisäksi esitettiin metsänuudistamiskustannusten pienenevän ja metsän uudistumisen nopeutuvan.
Myös virkistyskäyttömahdollisuudet parantuvat.
Hakkuutähteiden korjuulla on varjopuolensa: Luonnollisesti metsähakkeen keruu poistaa orgaanista ainetta ja muita ravinteita ekosysteemistä, mihin liittyen myös maata suojaavan humuksen määrä vähenee. Ainemäärän väheneminen lisää maaperän happamoitumisen riskiä. Mainitut haittatekijät voivat yhdessä johtaa pitkän aikavälin kasvutappioihin (Alakangas et ai, 1999).
Yhteenvetona metsähakkeen keruun on oltava vastuullista. Jo pelkästään lyhyenkin aikavälin taloudellisesta näkökulmasta vähän selluloosaa sisältävät pienet oksat sekä neulaset kannattaa jättää metsään. Jälkimmäinen edellyttää muutaman kuukauden kuivattamista, mikä myös vähentää puun kosteutta (Alakangas et ai, 1999).
Puu on lähtökohtaisesti raaka-aine termiseen kaasutukseen sekä hiilihydraatteja käyttävään mikrobiprosessiin. Kuitenkin, vaikka puu sisältää huomattavasti polysakkarideja (kappale 3.1.1.), on se haastava hydrolysoitava (luku 7.2.), minkä vuoksi saatavien monosakkaridien käyttö on jäänyt vähemmälle huomiolle. Tästä huolimatta edellä tarkasteltuja metsäteollisuuden kiinteitä sivutuotteita pidetään tässä tarkastelussa potentiaalisina dieselin raaka-aineina niiden suuren tuotantomäärän ja matalan hinnan ansiosta.
3.2. Ruokohelpi
Ruokohelpi (Phalaris arundinacea) on Suomessa luonnonvaraisena kasvava, monivuotinen heinäkasvi, jota esiintyy pohjoisimpaan Lappiin saakka.
Ruokohelven luontaisia kasvupaikkoja ovat makeiden ja suolaisten vesialueiden rannat sekä ojat ja tienpientareet. Luonnontilassa ruokohelpi kasvaa 1,5-2,0 metrin korkuiseksi. (Pahkala et ai, 2005). Nopea kasvu, hyvä satoisuus sekä korkea selluloosapitoisuus (kappale 3.2.1.) tekevät helvestä potentiaalisen raaka-aineen biopolttoaineprosessiin.
3.2.1. Ruokohelven ominaisuudet
Ruokohelpi on Suomessa uusi tulokas, sillä sen viljely on aloitettu vasta 1990- luvulla. Kasvi menestyy hyvin niukkaravinteisessa maaperässä ja sitä onkin kaavailtu istutettavaksi turvetuotannosta poistetuille alueille (Kirkinen et ai, 2007a ja 2007b). Myös ylijäämäpellot soveltuvat ruokohelven viljelyyn. Näin ollen, ruokohelven lannoitetarvekin on vaatimaton (Pahkala et ai, 2005). Lisäksi kasvin käyttöä puoltaa myös se, että sen havaittiin MTT:n tutkimuksissa (Pahkala et ai, 2005) vielä 15 vuoden viljelyn jälkeenkin tuottavan peräti 98%
alkuperäisestä satotasosta.
Pahkala et ai (2005) taas käyttivät ruokohelven oletusarvoisena satotasona arvoa 6 tka/ha. Kasvin biomassan kuiva-ainepitoisuus vaihtelee huomattavasti vuodenajan mukaan ollen kesän ja syksyn aikana 17-50 % ja keväällä 84-91 %
(von Weymam, 2007). Koska kuiva-aineen osuus on korkeampi keväällä, tapahtuu korjuu tuolloin heti kun pelto kestää korjuukoneiston käytön (Pahkala et ai, 2005). Taulukossa 7 on esitetty ruokohelven selluloosa-, hemiselluloosa- ja silikaattipitoisuudet (von Weymam, 2007) sekä ligniinin, yleisimpien oligosakkaridien (Pahkala ja Kontturi, 2008) ja typen (Kätterer et ai, 1998) osuudet.
Taulukko 7. Ruokohelven kuiva-aineen koostumus painoprosentteina (Pahkala ja Kontturi, 2008, von Weymarn, 2007 ja Kätterer et ai, 1998)
Selluloosa (%)
Hemiselluloosa (%)
Ligniini (%)
Tuhka (%)
Silikaatti, SiO>
(%)
Typpi (%)
Glukoosi ja Fruktoosi
(%)
Sakkaroosi (%)
44-49 25-32 6-15 5-12 3,7-7,9 0,9-5,9 0,5-5,5 0-2,6
Taulukon 7 perusteella ruokohelpi sisältää huomattavasti fermentaatiokelpoisia hiilihydraatteja, joiden määrä tosin vaihtelee huomattavasti. Lisäksi helven tuhkapitoisuus on korkea ja kasvi sisältää merkittävästi typpeä sekä erittäin paljon silikaattia.
3.2.2. Tuotanto ja markkinat
Ruokohelven viljelyala oli vuonna 2007 Suomessa noin 10 000 ha (Kirkinen et ai, 2007a). Helpeä pidetään potentiaalisena energiakasvina sähkön ja lämmön tuotantoon, sillä sen tehollinen lämpöarvo on korjuukosteudessakin voimalaitospolttoon riittävä: Flyktmanin (2000) polttokokeissa kevätkörjatun, ll,7%:n kosteudessa olevan mokohelven tehollinen lämpöarvo oli 17,48 MJ/kg eli 4,86 kWh/kg. Koska korkea satoisuus voidaan saavuttaa vähäisellä lannoituksella (Pahkala et ai, 2005), on tuotannon lisäykselle edellytyksiä.
Maa- ja metsätalousministeriön työryhmä on asettanut tavoitteeksi ruokohelven viljelyalan lisäämisen 100 000 hehtaariin vuoteen 2015 mennessä (Maa- ja metsätalousministeriö, 2006c). Tämän lisäksi suomalainen turve- ja energiayritys Vapo Oy pyrkii sopimusviljelijöiden toimesta lisäämään kasvin viljelyalan
40 000-60 000 hehtaariin vuoteen 2010 mennessä (Feit ja Niemi, 2006). Maa- ja metsätalousministeriön pellonkäytön työryhmä esitti vuonna 2006, että Suomessa olisi 500 000 hehtaaria lisää käytettäväksi energiakasvien viljelyyn ilman ravintokasvituotannolle aiheutuvia haittoja (Korkeaoja, 2006).
Korjuussa helpi niitetään, karhotaan, paalataan ja varastoidaan. Kuljetuksen haasteena on syntyvien paalien pieni tiheys: tiivistämättömän ruokohelpikuorman tiheys on vähän yli 90 kg/m3 (noin 70 kgka/m3) (Lindh et ai, 2000) ja paalauksellakin tiheys on vain 160 kgka/m3 (Laurila, 2006).
Pahkala et ai. (2005) laskivat ruokohelven viljelyn ja korjuun kustannuksiksi 559,55 €/ha, sillä oletuksella, että satotaso on 6000 kgka/ha. Tämä on nykyarvostettuna, yhteensä 7,62 %:n hintojen nousulla (Tilastokeskus, 2008), 602,18 €/ha tai 100,36 €/tka vastaavasti. Ruokohelven viljely saa kuitenkin myös vuosittaista maataloustukea (taulukko 8).
Taulukko 8. Ruokohelven saamat maataloustuet tukialueittain (Maa-ja metsätalousministeriö, 2007a ja 2007b, Maaseutuvirasto, 2007).
Tukialue A (€/ha) В-Cl (€/ha) C2-C4 (€/ha)
Energiakasvituki 42,75 42,75 42,75
Tilatuki 234,27 186,05 145,04
Ympäristötuki ja
vaivattomat lisätoimenpiteet 126 126 126
Luonnonhaittakorvaus 150 200 210
Tuet yhteensä 553,0 554,8 523,8
Tukina on käytetty moduloituja vuoden 2007 arvoja (Maa- ja metsätalousministeriö, 2007a ja 2007b). Tilatuen edellytyksenä on, että viljelijä on hakenut viljelemälleen energiakasville energiakasvitukea ja viljelyala on määritelty non food -sopimus- tai -sitoumusalaksi. Taulukossa 8 kolmas viljelijän saama tuki on ympäristötuki, jonka suuruus ns. perustoimenpiteet noudattamalla on energiakasveille 93 €/ha sekä suhteellisen vaivattomin ns. lisätoimenpitein
(lannoitusta vähentämällä ja tarkentamalla) 33 €/ha mainitun perusosan lisäksi (Maaseutuvirasto, 2007). Suomen tukialueet on esitetty olevassa kuvassa 3.
Tukialueet
□ A
□ В ] C1
■ C2
□ C2P
□ C3
■ C4
Kuva 3. Suomen tukialueet (Maa- ja metsätalousministeriö, 2006b)
Tukien vaikutukset sekä 15 %:n korvaus viljelijälle tuettomasta kustannuksesta eli tuottajan voitto, on laskettu taulukkoon 9. Ruokohelven kuiva-ainetonnin tuettu tuotantokustannus on 8,2 €/tka, 7,9 €/tka ja 13,1 €/tka A-, В-Cl- sekä C2- C4 -alueille (kuva 3) vastaavasti. Mikäli viljelijä saa kustannuksilleen 15 %:n katteen, ovat hinnat ostajalle 23,3 €/tka, 23,0 €/tka ja 28,1 €/tka A-, В-Cl- sekä C2- C2 -alueille vastaavasti.
Taulukko 9. Tukien ja viljelijän katteen vaikutus ruokohelven myyntihintaan (Maa- ja metsätalousministeriö, 2007a ja 2007b, Maaseutuvirasto, 2007).
Tukialue A (€/ha) В-Cl (€/ha) C2-C4 (€/ha)
Nykyarvostettu
tuotantokustannus 602,2 602,2 602,2
Tuet yhteensä 553,0 554,8 523,8
Kustannus tuottajalle 49,2 47,4 78,4
Tuotto viljelijälle (15 %) 90,3 90,3 90,3
Hinta ostajalle 139,5 137,7 168,7
3.2.3. Kuljetus ja käyttö
von Weymam (2007) on laskenut Pohjanmaalle perustettavan etanolitehtaan kustannuksia. Tarkastelussaan hän esitti kustannukset ohraoljen ja ruokohelven kuljettamiselle, von Weymam (2007) oletti, että ohraolki ja ruokohelpi voidaan pakata samaan tiheyteen, mikä on yleistettävissä muillekin korsibiomassoille, kuten nurmikasveille.
von Weymamin (2007) laskelmia sovellettiin ottaen huomioon polttoaineen hinnannousu. Kustannusten päivityksessä käytettiin apuna kuljetusyrittäjän polttoainelisän kehitystä ajan funktiona (Anon., 2008b). Taulukossa 10 on esitetty ylärivillä alkuperäiset kuljetuskustannukset (von Weymam, 2007) ja alarivillä nykyarvostetut kustannukset. Ostohintojen ja kuljetuskustannusten summana saadaan mokohelven hinnaksi tehtaalla 33,0-53,3 €/tka 10-100 kilometrin kuljetusmatkalla tukialueen mukaan.
Taulukko 10. Korsibiomassan kuljetuskustannukset von Weymarnin (2007) mukaan ja niistä nykyarvostettuna.
Matka (km) 10 25 50 75 100
Alkuperäinen kustannus
(€/tnka) 9,3 12,0 16,1 19,9 23,5
Nykyarvostettu kustannus
(€/tnka) 10,0 12,9 17,3 21,3 25,2
Taulukon 10 datassa vallitsee lähes täydellinen lineaarinen riippuvuus kuljetusmatkan ja kustannusten välillä, jolloin kuljetuskustannukset pidemmille matkoille ovat ekstrapoloitavissa. Laajennettu kuljetusalue on esitetty taulukossa 11.
Taulukko 11. Ekstrapoloidut nykyarvostetut kustannukset
matka (km) 10 25 50 75 100 125 150 175 200
kustannus
(€/tnka) 10 12,9 17,3 21,3 25,2 29,6 33,8 38 42,2
Ruokohelvessä on huomattavasti hiilihydraatteja (taulukko 7), mutta myös korkea tuhkapitoisuus ja paljon typpeä. Typen pitoisuus on korkeimmillaan kevään korjuuaikana: Kättererin et ai. (1998) mukaan typpipitoisuus on tällöin jopa 1,9-5,9% kasvin kuivapainosta ja vaihteluvälin yläpään arvot saavutetaan intensiivisellä typpilannoituksella. Typpi aiheuttaa huomattavia ongelmia termisessä kaasutuksessa: Leppälahden (1994) mukaan esimerkiksi turpeella peräti 19-30% ja vastaavasti puulla 4% typestä muodostaa kaasutuksessa ammoniakkia (NH3), joka aiheuttaa korroosiota. Yhtään vähäisempi ongelma ei ole voimakkaasti toksisen vetysyanidin (HCN) muodostuminen. Turpeessa typestä 3-5 % muodostaa vetysyanidia ja puulla vastaavasti 9-14% (Leppälahti, 1994).
Näiden edellä mainittujen typpiyhdisteiden puhdistaminen kaasusta aiheuttaisi huomattavia kustannuksia ja tarvittavista laiteratkaisuista on vielä vähän kokemusta (Gust, 2008a). Ruokohelven soveltuvuutta kaasutukseen vähentää myös sen korkea tuhkapitoisuus, joka on Pahkalan ja Kontturin (2008) mukaan 5-
12 % ja Wilénin (1996) et ai. mukaan noin 9 %.
Ruokohelpi on potentiaalinen mikrobiprosessin substraatti, jota kannattaa kuljettaa varovasti arvioiden alle sadan kilometrin etäisyyksiltä. Helven biopolttoainekäyttöä puoltaa se, että kasvia käytetään tuettuna kannattavasti sähkön ja lämmön tuotantoon. Bioprosessissa ruokohelven typpipitoisuudesta on hyötyä: kasvatukseen ei tarvita erillistä typpilisää. Myös kasvin puuta hennompi rakenne on eduksi: ruokohelven hienontaminen käy helposti. Yhteenvetona
ruokohelpi on siis potentiaalinen raaka-aine mikrobiprosessiin, mutta sen vuosituotanto on useamman vuoden aikajänteellä vielä niin vähäistä, että muitakin raaka-aineita tarvitaan.
3.3. Rypsi ja rapsi sekä niiden sivutuotteet
Rypsi (.Brassica rapa subsp. oleífera) ja rapsi {Brassica napus) tunnetaan öljykasveina. Rypsi on nauriin, rapsi eli kaalirapsi lantun alalaji. Kasvit muistuttavat läheisesti toisiaan ja kummankin siemenistä puristetaan öljyä elintarvike- sekä polttoainekäyttöön. Suomessa on perinteisesti viljelty rypsiä.
Rapsi on globaalisti suositumpi, mutta sen kasvuaika on pidempi kuin rypsin, minkä vuoksi sitä voidaan viljellä vain maamme eteläisimmissä osissa (Mäkinen et ai, 2006).
3.3.1. Rypsin ja rapsin ominaisuudet
Koska rypsiä ja rapsia on viljelty perinteisesti öljykasveina, on suurin mielenkiinto keskittynyt niiden siemeniin. Öljypitoisuudet eroavat vähän: rypsin siemenissä on öljyä noin 44-46,5 % ja rapsissa vastaavasti noin 44,5-47,5 %. Valkuaisaineita on rypsin siemenessä noin 23-24 % ja rapsissa noin 23,5-26 % (Kangas et ai, 2007).
Rapsin vuosien 1997-2007 keskimääräinen siemensato on Maa- ja metsätalousministeriön tietopalvelukeskuksen mukaan 1720 kgka/ha, mutta rypsin vain 1330 kgka/ha (Partala ja Kokkinen, 2008). Kangas et ai (2007) julkaisemien vuosien 2000-2007 virallisten lajikekokeiden tulosten perusteella rapsin siemensato oli noin 1930 kgka/ha ja rypsin noin 1710 kgka/ha. Partalan ja Kokkisen (2008) laatima valtakunnallinen tilasto eroaa selvästi Kangaksen et ai. (2007) tekemistä virallisista lajikekokeista. Kangaksen et ai (2007) lajikekokeet on tehty
”kunkin lajikkeen viljelyyn soveltuvalla alalla”, mutta on mahdollista, että nämä kokeet on tehty kullekin lajikkeelle erittäin suotuisalla alalla. Tällöin Kangaksen et ai (2007) lajikekokeet kuvaavat tuottavimpia viljelyksiä, kun taas Partalan ja Kokkisen (2008) havainnot edustavat valtakunnallista keskiarvoa.
Mäkisen et al. (2006) mukaan keräämällä rypsin korret talteen, saadaan niitä tuhatta siemenkiloa kohti kuivattuina noin 1 400 kg (Mäkinen et ai, 2006).
Tämän biomassan polttoainekäytöstä ei ole vielä tutkimuksia. VTT on kuitenkin selvittänyt korsibiomassan käyttöä paperin kuituna: Lemisen et ai. (1996) tulokset rapsin oljen koostumuksesta on koottu taulukkoon 12.
Taulukko 12. Rapsin korren koostumus (Leminen et ai, 1996 ja Taipale, 1996).
Selluloosa (%) Hemiselluloosa (%) Ligniini (%) Tuhka(%) Uuteaineet (%) Typpi(%)
40-45 32-34 19 9 1,9 0,64-0,88
Rypsille ei ole saatavissa vastaavaa selvitystä, mutta sen korresta on määritetty alkuainekoostumukset (Taipale, 1996), joiden vaihteluväleihin rapsin ominaisuudet lähes poikkeuksetta mahtuvat. Erona on, että rapsin tuhkapitoisuus on 6,7-14,0 %, kun taas rypsin vain 2,4-2,9 %. Osin vastaava ja kompensoiva ero löytyy haihtuvien aineiden pitoisuuksista (Taipale, 1996). Koska yhtäläisyys on muutoin merkittävää, on arviona rypsin koostumuksesta käytetty rapsin koostumusta.
3.3.2. Tuotantoja markkinat
Eduskunnan Maa- ja metsätalousvaliokunnan mietinnön 7/2006 mukaan vuonna 2005 Suomessa prosessoitiin noin 210 000 tonnia rypsin ja rapsin siemeniä kotimaisen tuotannon ollessa noin 110 000 tonnia. Maamme rypsin ja rapsin tuotannon keskeisimmät luvut on koottu taulukkoon 13.
Taulukko 13. Rapsin ja rypsin keskisato, viljelyala ja odotusarvoinen sato (Partala ja Kokkinen, 2008)
Keskisato 1997-2007
(t/ha)
Viljelyala 2007 (1000 ha)
Odotusarvoinen sato vuoden 2007 suuruiselle alalle
(kt)
Rapsi 1,72 11,1 19
Rypsi 1,33 78,7 105
Taulukon 13. perusteella rapsin viljely on vähäistä maassamme. Suomen vuosien 2000-2005 ns. öljykasvistrategia tavoitteli rypsin ja rapsin yhteenlasketun viljelyalan nostamista 100 000 hehtaariin (Vihma et ai, 2006), siinä kuitenkaan onnistumatta. Tilanne on sittemmin muuttunut: Rypsiöljyn hinta on noussut vuodesta 2005 lähes kaksinkertaiseksi (Anon., 2008a). Kuvassa 4 on esitetty toteutuneen rypsiöljyvaihdannan kauppahinnat 1.3.2001-25.2.2008 euroissa tonnilta siten, että noteeraus viittaa aina lähimpänä tulevaisuudessa tapahtuvaan toimitukseen. Kuvan 4 perusteella rypsiöljy on niin arvokasta, että tarjonnan voi odottaa kasvavan.
Rypsiöljyn hinta (€ /1) 1.3.2001-25.2.2008
300 4
o o o
CM CM CM CO CO CO CO
CMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCM
Kuva 4. Rypsiöljyn hinta 1.3.2001 -25.2.2008 (Anon., 2008a).
Edellä kuvatun rypsiöljyn markkinahinnan nousun lisäksi Vihma et ai. (2006) ovat tunnistaneet myös vaikeammin rahassa mitattavia kannustimia viljelyalan lisäämiselle: Rypsin viljely vähentää viljan ylituotantoa, parantaa valkuaisainerehun omavaraisuutta sekä viljelysmaan kasvukuntoa ja tarjoaa ravintoa monille linnuille sekä mehiläisille. Rypsipeltoja pidetään myös osana suomalaista maalaisidylliä.
Rypsiviljelyn saamilla maataloustuilla (luku 3.2.), jotka hieman eroavat ruokohelvestä (Maa- ja metsätalousministeriö, 2006d), muuttuvat tuotantokustannukset ovat selvästi alle rypsisiementen markkinahinnan (Itä- Suomen energiatoimisto, 2004 ja Tilastokeskus, 2008) eli rypsin viljely on ainakin lyhyellä aikavälillä kannattavaa.
Rypsin ja rapsin oljilla ei ole vakiintunutta käyttöä, vaikka vähäistä keskustelua niiden energiakäytöstä esim. polttamalla (esim. Itä-Suomen energiatoimisto, 2004 sekä Alakangas, 2000) on käyty. Yleinen linja on ollut todeta, että korsien käyttö on houkuttelevaa, mutta jättää asia sen jälkeen sikseen (esim. Mäkinen et ai, 2006). Seuraavassa kappaleessa on esitetty arvioihin perustuva laskelma korren arvolle.
Ohran oljen korjuulle on laskettu kustannukset (von Weymam, 2007).
Karkottamisen, paalauksen, pellon reunaan siirtämisen ja peittämisen yhteenlasketut kustannukset ovat 29,5 €/tka. Tästä summasta kuitenkin puuttuu ns.
lannoitearvo eli korvaus siitä, että viljelijä menettää korsien mukana ravinteita pellosta. Rypsille tätä lannoitearvoa ei ole määritetty. Mäkinen et ai. (2006) esittivät rypsiviljelysten vuotuiseksi lannoituskustannukseksi 104 €/ha, mikä on nykyarvostettuna vuoden 2008 tammikuulle 110,6 €/ha. Jos arvioidaan lannoitetarpeen jakautuvan kasvissa tasaisesti, poistuu korren mukana lannoitteesta 58,3 %. Tällöin lannoitusta pitäisi lisätä vastaavalla määrällä eli 64,5 €/ha tai kerättyä kortta kohti 34,6 €/tka olettaen kortta syntyvän 1,4-kertaisesti siementen määrään nähden (Mäkinen et ai, 2006) ja siementen satotason olevan 1,33 tka/ha (Partala ja Kokkinen, 2008). Näin ollen arvioksi rypsin ja rapsin korjuun kustannuksiksi saadaan 64 €/tka. Lisäksi, jos viljelijä saa korsista 15 %:n katteen, on myyntihinta 74 €/tka.
Korren hinta on korkea edellä esiteltyihin metsäteollisuuden kiinteisiin sivutuotteisiin (kappale 3.1.2.) ja ruokohelpeen (kappale 3.2.2) verrattuna. Koska korsien typpipitoisuus, toisin kuin siementen, on matala (Taipale, 1996), on
mahdollista, että lannoitearvo on huomattavasti esitettyä matalampi. Lisäksi osa rypsin viljelyyn perehtyneistä asiantuntijoista, kuten Mäkinen et ai. (2006), käyttää Partalan ja Kokkisen (2008) tilastoja korkeampaa arvoa rypsin satoisuudelle. Jos edellä esitetyssä laskelmassa olisi käytetty 1 600 kg/ha (Mäkinen et ai., 2006) siemensatoisuutta, jolloin kortta syntyy 2 240 kg/ha, olisi korsibiomassan myyntihinnaksi saatu 67,0 €/tka.
3.3.3. Kuljetus ja käyttö
Rypsipuristeen hinta 130 €/t (Tuominen et ai, 2008) on liian korkea biodieselin raaka-aineeksi. Sivutuotteen hinta selittyy sen hyvillä rehuominaisuuksilla: puriste on hyvä typen lähde ja siinä on lisäksi energiapitoista kasviöljyä. Rypsipuristeen rehukäyttö herättää myös kuluttajissa positiivisempia mielikuvia kuin esim.
teurasjätteiden lisääminen maitokarjan rehuun. Globaalissa mielessä lihatuotteiden kysyntä kasvaa elintason nousun myötä, joten rypsipuristerehun menekin voi odottaa säilyvän vahvana myös tulevaisuudessa. Rypsipuriste ei siis ole suositeltava uusiutuvan dieselin raaka-aine.
Korsibiomassat ovat potentiaalinen biopolttoaineprosessin syöte, sillä niillä ei ole vaihtoehtoista käyttöä. Edellä esitetyn kustannuslaskelman mukaan niiden hyödyntäminen on kuitenkin kallista. Huomioiden lisäksi kappaleessa 3.2.3.
lasketut korsibiomassan kuljetuskustannukset, saadaan rypsikörren hinnaksi 10-100 kilometrin kuljetuksella 83,8-99,0 €/tka.
Taipaleen (1996) mukaan rypsin ja rapsin korren typpipitoisuus on matala.
Toisaalta, rapsissa on huomattavasti tuhkaa, jonka sulamisprofiilia ei tunneta.
Tuhkan sulaminen kiinni termisen kaasutuksen kiertopetiin pudottaa epäorgaanista ainesta kaasuttimesta, mikä heikentää prosessin toimivuutta tai pahimmassa tapauksessa estää sen.
Yhteenvetona rypsin ja rapsin korsibiomassa on potentiaalinen uusiutuvan dieselin raaka-aine. Nämä kasvinosat kuitenkin tunnetaan sekä prosessiominaisuuksiltaan että lannoitevaikutukseltaan liian heikosti ja niiden korjuuseen liittyvät kustannuslaskelmat puuttuvat kokonaan. Edellä esitetyn arvion perusteella korren hyödyntäminen on kallista, mutta täysi varmuus saadaan vain käytännön tutkimuksella. Koska korsibiomassan kuljettaminen on yleisesti kannattavaa vain lyhyillä matkoilla (von Weymam, 2007), on rypsin ja rapsin oljen hyödyntäminen laajamittaisessa polttoainetuotannossa rajoitettua.
3.4. Turve
Turve on eloperäinen maalaji, joka syntyy kasvimateriaalin hajotessa suon kosteissa, anaerobisissa olosuhteissa: määrittely turpeeksi edellyttää, että 75 % maa-aineksen koostumuksesta on eloperäistä. Turpeessa korostuvat kasvimateriaalien hitaasti hajoavat komponentit sekä erilaiset mikrobitoiminnan aikaansaamat kemialliset yhdisteet. Sekä Geologian tutkimuskeskus (GTK) (Virtanen et ai, 2003) että Kauppa- ja teollisuusministeriö (2005) arvioivat maassamme käytettävän vähemmän turvetta kuin sitä muodostuu.
3.4.1. Turpeen ominaisuudet
Energian tuotannossa käytetään palaturvetta ja jyrsinturvetta. Palaturvetta tuotetaan nostamalla suosta 30-60 cm syvyydeltä turvetta, joka muokataan suunnilleen 200-500 cm3 -kokoisiksi paloiksi, ja joita kuivataan turvekentällä.
Jyrsinturvetta jyrsitään suon pinnasta ja sitä kuivataan kentällä ohuina kerroksina ns. jyrsöksinä ennen kuljetusta käyttöpaikalle.
Turpeen kuiva-ainepitoisuus vaihtelee maatumisasteen mukaan ja on tavallisesti välillä 51-107 kg/suo-m3. Valtakunnallinen keskiarvo on 87 kg/suo-m3 (Virtanen et ai, 2003). Alakankaan (2000) kokoamat ominaisuudet jyrsin-ja palaturpeelle on koottu taulukkoon 14.
Taulukko 14. Jyrsin-ja palaturpeen kosteuspitoisuus, tiheys sekä kuiva-aineen määrä (Alakangas, 2000).
Kosteuspitoisuus, Tilavuuspaino Kuiva-ainetiheys,
% saapumisti lassa, kg/m3 kg/m3
Jyrsinturve 46 341 180
Palaturve 40 387 234
Eri turvelaatuja luokitellaan maatumisasteen mukaan von Postin huminositeetillä (Hl-10). Huminositeetti Hl tarkoittaa käytännössä maatumatonta kasviainesta ja HIO maa-ainesta, jossa kaikki kasvimateriaali on täysin hajonnut (Alakangas, 2000). Taulukossa 15 on esitetty turpeen kuiva-aineen koostumus maatumisasteen mukaan (Arpiainen et ai, 1986). Maamme turpeiden keskimaatuneisuus on 5 ja hajonta pientä.
Taulukko 15. Turpeen koostumus maatumisasteen mukaan (Arpiainen et ai., 1986).
Vähän maatunut, H1-2,
%ka
Keskimaatunut, H5-6,
%ka
Maatunut, H9-10,
%ka
Selluloosa 15-20 5-15 0
Hemiselluloosa 15-30 10-25 0-2
Ligniini ja sen kaltaiset
aineet 5-40 5-30 5-20
Humus 0-5 20-30 50-60
Vahat ja hartsit 1-10 5-15 5-20
Typpipitoiset aineet 3-14 5-20 5-25
Taulukon 15 perusteella turpeen koostumus poikkeaa tuoreista biomassoista ja ero on merkittävä jo keskimaatuneissa kerroksissa. Anaerobisissa olosuhteissa tapahtuva, hitaan hajoamisen aikaansaava mikrobitoiminta tuottaa humusta, vahoja, hartseja sekä muita, erityisesti typpeä sisältäviä yhdisteitä (Arpiainen et ai, 1986). Näiden käyttäytymisen ja hyödynnettävyyden arvioiminen bioprosessissa on haastavaa. Sen seurauksena vain turvekentän pintakerroksen vähän maatunut aines on potentiaalinen biopolttoaineprosessin syöte.
Maatumisaste vaikuttaa myös turpeen alkuainekoostumukseen ja näin sen
