Pieniläpimittaisen puun tulevaisuudet

(1)

Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta

Faculty of Science and Forestry

PIENILÄPIMITTAISEN PUUN TULEVAISUUDET Tuomas Mauno

METSÄTIETEEN PRO GRADU

ERIKOISTUMISALA METSÄEKONOMIA JA -POLITIIKKA JOENSUU 2021

(2)

Mauno, Tuomas. 2021. Pieniläpimittaisen puun tulevaisuudet. Itä-Suomen yliopisto, luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta, metsätieteiden osasto. Metsätieteen pro gradu, erikoistumisala metsäekonomia ja -politiikka. 71 s. + liitteet

TIIVISTELMÄ

Suomessa pienpuun pääasiallinen käyttökohde on energiantuotannossa. Pieniläpimittaisella puulla voi kuitenkin olla rooli tulevaisuuden uusissa biopohjaisissa tuotteissa ja suomalaisten toimijoiden yhteisen toimintaympäristön muutoksissa. Vaikka pieniläpimittaisen puun hakkuutapoja ja toimitusketjuja on tutkittu, ei uusia tulevaisuuden tuotteita, innovaatioita ja toimintamalleja sekä toimintaympäristön muutoksia ennakoivia tulevaisuudentutkimuksia pieniläpimit- taisesta puusta olla juurikaan aikaisemmin Suomessa tehty. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kolmen tutkimuskysymyksen avulla pieniläpimittaisen puun mahdollisia tulevaisuuksia Suomessa. Tutkimuskysymykset olivat: 1) Millaisia ominaisuuksia pieniläpimittaisesta puusta löytyy, joita voi hyödyntää tulevaisuuden tuotteissa ja innovaatioissa? 2) Minkälaisia suomalaisten toimijoiden yhteisen toimintaympäristön muutoksia, jotka luovat mahdollisuuksia ja esteitä, pieniläpimittainen puu kohtaa tulevaisuudessa? sekä 3) Millaisia mahdollisia taloudellisia ja logistisia toimintamalleja pieniläpimittaiselle puulle voi mahdollisesti löytyä tulevaisuuden liiketoiminnassa? Tässä tutkimuksessa tulevaisuudentutkimuksen kannalta tärkeän ny- kytietämyksen tutkimisen tarkoituksena oli ymmärtää pieniläpimittaisen puun asema Suomessa sekä jäsentää pieniläpimittaisen puun ominaisuuksia ja tulevaisuuden mahdollisuuksia liiketoiminnassa ja toimintamalleissa. Vastaavasti tulevaisuudentutkimukseen soveltuvalla kaksikierroksisella Delfoi-menetelmällä oli tarkoituksena selvittää pieniläpimittaisen puun toimintaym- päristön muutoksiin vaikuttavia tekijöitä sekä mahdollisia pieniläpimittaisen puun tulevaisuuskuvia valikoidun asiantuntijapaneelin kannanotoista. Lopullisten tulevaisuuskuvien luomiseksi laadittiin tulevaisuustaulukko ja skenaariot liiketoimintamalleille, joissa voi hyödyntää pienilä- pimittaista puuta Suomessa vuonna 2040. Kaiken kaikkiaan tämän tutkimuksen Delfoi-mene- telmän tulokset vastasivat asetettuihin tutkimuskysymyksiin. Tulosten perusteella pieniläpimit- taisten puiden ominaisuuksia tulevaisuuden uusissa tuotteissa ja innovaatioissa voi mahdollisesti hyödyntää ligniinipohjaisissa tuotteissa, kuoresta valmistettavissa tuotteissa, biopolttoai- neissa, lastuja kuitulevyjen raaka-aineena sekä piha- ja ympäristörakentamisessa. Vastaavasti asiantuntijapaneelin mukaan suurimpina toimintaympäristön muutoksia aiheuttavina tekijöinä koettiin markkinat, ilmastopäätökset ja sen mukanaan tuoma regulaatio sekä uudet energian- tuottamistavat tulevaisuudessa. Lopuksi Delfoi-menetelmän tulosten perusteella rakentui tulevaisuustaulukko kolmelle liiketoimintamalliskenaariolle, joissa voi mahdollisesti hyödyntää pieniläpimittaista puuta tulevaisuudessa. Liiketoimintamalliskenaariot olivat: 1) Integroidun biojalostamo -mallin yleistymisen ja 2) Teollisuuspuistomallin yleistymisen -skenaariot sekä 3) Sahoista biotuotetehtaita tulevaisuudessa -skenaario. Pieniläpimittaisen puun liiketoiminnan näkökulmasta todennäköisimpänä asiantuntijapaneeli piti integroidun biojalostamo -mallin yleistymistä. Vaikka pieniläpimittaisen puun liiketoiminnan kannalta integroidun biojalostamo -mallin yleistyminen näyttää nykyhetkessä todennäköisimmältä, tämän tutkimuksen tulokset tulevat ennen kaikkea toimimaan tulevaisuuden tekemisen sovellettavana pohjana pieniläpimit- taisen puun alhaisen käytön aseman parantamiseksi.

Avainsanat: pieniläpimittainen puu, tulevaisuudentutkimus, ennakointi, Delfoi-menetelmä

(3)

Mauno, Tuomas. 2021. The Futures of Small-diameter Wood. University of Eastern Finland, Faculty of Science and Forestry, School of Forest Sciences. Master’s thesis in Forest Science, specialization Forest Economy and Policy. 71 p. + appendices

ABSTRACT

Small-diameter wood is primarily used in energy production in Finland. However, small- diameter wood can play a role in new bio-based products and in the changes of the common operational environment of Finnish actors in the future. Although logging methods and supply chains for small-diameter wood have been studied, neither new future products, innovations, and operating models nor anticipated changes in the operational environment of small-diameter wood have been studied in Finland earlier. The aim of this study was to clarify the possible futures of small-diameter wood in Finland with three research questions. The research questions were: 1) What kind of properties can be found in small-diameter wood that can be utilized in the products and innovations of future? 2) What kind of changes, which create opportunities and obstacles, small-diameter wood may encounter in the common operational environment of Finnish actors in the future? and 3) What possible economic and logistical operating models for small-diameter wood could possibly be found in the business of future? The purpose of this study was to understand the position of small-diameter wood in Finnish forestry and to structure the properties of small-diameter wood and future opportunities in business and in operating models. In this study, the purpose of the two-round Delphi method was to determine the factors which are influencing changes in the operational environment of small-diameter wood, as well as possible future images of small-diameter wood from the statements of the selected panel of experts. To create the final future images, the futures table and scenarios were prepared for business models that can utilize small-diameter wood in Finland in 2040. Overall, the results of the Delphi method answered the research questions. Based on the results, the properties of small-diameter wood in the new products and innovations of future can potentially be utilized in lignin-based products, bark products, biofuels, as a raw material for chipboard and fiberboard, and in environmental construction. According to the panel of experts, the biggest possible factors causing changes in the operational environment in the future are markets, climate decisions and the possible regulations, as well as the new energy production methods of future. Finally, based on the results of the Delphi method, the futures table was built for three business model scenarios in which small-diameter wood could potentially be utilized in the future. The business model scenarios were: 1) the generalization of the integrated biorefinery model, 2) the generalization of the industrial park model, and 3) the scenario for sawmills for bioproduct factories in the future. In conclusion, from the perspective of small-diameter wood, the panel of experts considered the generalization of the integrated biorefinery model to be the most probable future progression in the future. Although the integrated biorefinery model for the small-diameter wood seems to be the most possible progression at the present, the results of this research will serve as an applicable basis to improve the low-use status of small-diameter wood.

Keywords: small-diameter wood, futures studies, foresight, Delphi-method

(4)

ALKUSANAT

”Pieniläpimittaisen puun tulevaisuudet” on oppimismatkani tutkimuksen tekemiseen, epätäy- dellisen täydellinen kuin pieniläpimittainen puu itsessään. Samoin kuin pienpuun korjuu myös tämän tutkimuksen tekeminen on tarvinnut tukea. Tästä tuesta haluan esittää kiitoksen.

Ensimmäisenä haluan kiittää pääohjaajaani professori Teppo Hujalaa asiantuntevasta ja laaduk- kaasta ohjauksesta aina kandidaatintutkielmani ohjaamisesta asti. Haluan kiittää myös tämän tutkimuksen ohjauksessa mukana olleita apulaisprofessori Antti Haapalaa ja professori Ossi Turusta Itä-Suomen yliopistosta sekä erikoistutkija Henrik Heräjärveä Luonnonvarakeskuk- sesta. Kiitokset asiantuntijoille, jotka osallistuivat Delfoi-paneeliin ja jotka ovat omalla panok- sellaan vaikuttaneet koko tutkimuksen valmistumiseen. Kiitos myös Ahlström Capitalille, joka on rahoituksellaan tukenut tämän tutkimuksen toteutumista. Suurimman kiitoksen tuesta haluan kuitenkin esittää perheelleni, rakkaimmilleni. Kiitos rohkaisevan ja kannustavan opiskeluym- päristön mahdollistamisesta tämän oppimismatkan aikana.

Tämä tutkimus on tehty yhteistoiminnassa kansainvälisen SMALLWOOD-hankkeen kanssa.

Tutkimuksen anonymisoitu empiirinen aineisto on löydettävissä Itä-Suomen yliopiston eRepo- tietoarkiston kautta. Avoimen tutkimuksen periaattein toivon tämän epätäydellisen täydellisen tutkielman avaavan keskustelua ja jatkotutkimuksia aiheesta. Oppimismatkani on yhteinen.

Joensuussa 20.5.2021 Tuomas Mauno

(5)

SISÄLLYS

1 JOHDANTO ... 6

1.1 Pieniläpimittaisen puun asema Suomessa ... 6

1.2 Tutkimuksen tavoitteet ... 10

2 NYKYTIETÄMYS JA TEORIATAUSTA ... 11

2.1 Pieniläpimittaisen puun käyttö ja ominaisuudet ... 11

2.2 Biojalostamot ja liiketoimintamahdollisuudet ... 16

2.3 Teknologiset valmiustasot... 21

2.4 Nykytietämyksen synteesi... 24

3 AINEISTO JA MENETELMÄT ... 28

3.1 Delfoi-menetelmä osana tulevaisuudentutkimusta ... 28

3.2 Ensimmäinen Delfoi-kierros: Asiantuntijahaastattelut ... 30

3.3 Toinen Delfoi-kierros: Verkkokysely ... 34

4 TULOKSET ... 39

4.1 Tulevaisuuden tuoteryhmät pieniläpimittaisesta puusta ... 39

4.2 Toimintaympäristön muutokset tulevaisuudessa... 43

4.3 Tulevaisuuden liiketoimintamallit pieniläpimittaiselle puulle ... 48

5 TULOSTEN TARKASTELU ... 54

5.1 Pieniläpimittaisen puun tulevaisuusnäkökohdat ... 54

5.2 Arviointi, virhelähteet ja rajoitukset ... 59

5.3 Johtopäätökset ja jatkotutkimustarpeet ... 61

KIRJALLISUUS ... 63

LIITTEET ... 72

Liite 1: Haastattelurunko (asiantuntijahaastattelut)... 72

Liite 2: Webropol-verkkokysely ... 73

(6)

1 JOHDANTO

1.1 Pieniläpimittaisen puun asema Suomessa

Suomessa pienpuu, tarkemmin pienpuuhake, on energiantuotannossa paljon käytetty raaka- aine. Kuitenkin pieniläpimittainen puu on alikäytetty metsävaranto monissa Euroopan maissa ja Suomessakin sen pääasiallinen käyttökohde on vain energiantuotannossa. Tulevaisuudessa biokemikaalien ja biopohjaisten polttoaineiden sekä tulevaisuuden puupohjaisten uusien tuotteiden odotetaan olevan kasvussa (Hietala & Huovari 2017, Kääriäinen 2019). Näistä uusista tuotteista voi löytyä loppukohde pienpuulle. Pieniläpimittaisella puulla voikin olla vahva potentiaali edistää kestävän metsäpohjaisen biotalouden rakentamista tulevaisuudessa.

Uusien puupohjaisten tuotteiden lisäksi pieniläpimittaisella puulla voi olla merkittävä rooli suomalaisten toimijoiden yhteisen toimintaympäristön muutoksissa. Esimerkiksi energiantuotannon rakenteen muuttuminen ja kehittyminen tulevaisuudessavoi vaikuttaa pieniläpimittaisen puun käyttöön ja asemaan energiatuotannossa (Salokoski 2017). Myös hiilensidonnan mukanaan tuoma regulaatio niin kansallisella kuin kansainvälisellä tasolla voi vaikuttaa pieniläpi- mittaisen puun käyttöön (Ekholm ym. 2015). Tulevaisuuden toimintaympäristön muutoksiin varautumisessa on tärkeää tunnistaa pieniläpimittaisen puun nykytilanne ja asema osana ennakointia ja tulevaisuudentutkimusta.

Nykytilanteessa pienpuuta kertyy pääsääntöisesti nuoren metsän kunnostuksista ja ensiharvennuksista, joissa kerätään energiapuuta (Saksa ym. 2012, Koistinen ym. 2016). Pienpuu on ainespuun vähimmäiskokoa pienempää puutavaraa, jossa minimiläpimitta latvasta on tyypilli- sesti alle 6–8 cm (Metsäkustannus 2006). Tässä tutkimuksessa pieniläpimittaisena puuna käsi- tellään energiapuun lisäksi myös osittain ainespuun mitat täyttävää puutavaraa, sillä ensiharvennuksista energiapuun lisäksi saatavaa ainespuuta ei voi runsaan resurssin ja liiketoiminnan kannalta jättää tämän tutkimuksen ulkopuolelle.

Ensiharvennusten lisäksi pienpuuta korjataan myös varttuneista taimikoista (Anttila ym. 2013, Koistinen ym. 2016). Vuonna 2017 taimikoita ja nuoria metsiä käsiteltiin yhteensä 189 000 hehtaaria, joista nuoren metsän hoidon pinta-ala oli 43 000 hehtaaria (Kortesmaa & Salo-Kaup- pinen 2018). Nuoren metsän hoidossa on kyseessä metsän perkaus ja harvennus, joka tehdään laiminlyödyn taimikonhoidon vuoksi heikkolaatuiseksi kehittyneeseen metsään (Kortesmaa &

Salo-Kauppinen 2018). Heikkolaatuisiksi kehittyneitä metsiä on myös turvekankailla ja suo- metsissä, joissa pieniläpimittaisen puun osuus on suuri (Salomäki ym. 2012). Ensiharvennus- ten, varttuneiden taimikoiden ja turvekankaiden sekä suometsien lisäksi pieniläpimittaista

(7)

puuta voidaan korjata myös esimerkiksi peltojen reunoilta, teiden varsilta ja sähkölinjojen alta (Fernandez-Lacruz ym. 2013).

Pieniläpimittaisen puun pääasiallinen hakkuukohde on kuitenkin nuori metsä (Saksa ym. 2012).

Nuoriksi metsiksi luokitellaan nuoret ja nuorehkot kasvatusmetsät, jotka ovat harvennusvai- heessa (Kuusipalo 1996). Nuorissa kasvatusmetsissä vallitsevan jakson rinnankorkeusläpimitta on yli 8 cm, mutta puusto ei ole vielä tukkipuukokoa ja rinnankorkeusläpimitta on näin ollen alle 16 cm (Kuusipalo 1996, Äijälä ym. 2014). Tämän lisäksi nuorissa kasvatusmetsissä puuston valtapituus on havupuuvaltaisissa metsissä yli 7 m ja koivuvaltaisissa yli 9 m (Kuusipalo 1996, Äijälä ym. 2014). Kuusipalon (1996) mukaan nuoriksi kasvatusmetsiksi luokitellaan myös metsät, joiden ikä on 40–80 % suosituskiertoajasta. Varttuneiksi taimikoiksi luokitellaan sen sijaan kookkaat taimikot, joissa taimien valtapituus on yli 1,3 m ja joissa keskiläpimitta rinnankorkeudella on ale 8 cm (Kuusipalo 1996, Äijälä ym. 2014).

Pienpuun pääasiallinen käyttökohde on energiantuotannossa. Nuoren metsän hoidosta ja ensi- harvennuksesta saatava pieniläpimittainen kuitupuun minimikokoa pienempi runkopuu on energiantuotannon metsähakkeen tärkein raaka-aine, jota käytettiin neljä miljoona kuutiometriä puupolttoaineena vuonna 2017 (Viitanen & Mutanen 2018). Sen sijaan ensiharvennuksista kor- jattua pieniläpimittaista puuta, jotka täyttävät kuitupuun vaatimukset käytetään pääasiassa sel- lun raaka-aineena sekä pienissä määrin saha-, kuitu- ja lastulevyteollisuudessa (Jylhä 2011).

Toisin sanoen, puun komponentit ja varret, jotka eivät täytä teollisen pyöreän puun mitta- ja laatuvaatimuksia käytetään lämmön- ja energiantuotantoon (Hakkila 2004).

Pieniläpimittaisesta puusta suurin energiapuun lähde vuosittain on mänty (Pinus sylvestris L.) (2,5–5,0 milj.m³) (Anttila ym. 2013). Vuosina 2014–2016 lähes puolet lämpö- ja voimalaitosten kuluttamasta metsähakkeesta valmistettiin pienpuusta eli karsitusta ja karsimattomasta rangasta (Ylitalo 2015, Strandström 2017). Esimerkiksi Ylitalon (2015) mukaan tämä summa oli 3,7 miljoonaa kuutiometriä vuonna 2014. Vastaavasti vuonna 2017 lämpö- ja voimalaitosten ku- luttama pienpuun summa oli 3,6 miljoonaa kuutiometriä, joka kertoo osaltaan sen, että energiapuun kauppa on säilyttänyt asemansa puukaupassa (Kortesmaa & Salo-Kauppinen 2018).

Vaikka pieniläpimittainen ainespuun mitat täyttämätön puu on säilyttänyt asemansa energia- puukaupassa, se on muuten alikäytetty metsävara. Suurimmat syyt pieniläpimittaisen puun al- haiseen käyttöön Suomessa ovat vähäinen korjuun tuottavuus sekä korkeat käyttökustannukset ja pieniläpimittaisen puun alhainen nykyinen markkinahinta (Verkasalo 2001, Laitila ym. 2004, Laitila ym. 2010, Peltola ym. 2019). Korkeat korjuukustannukset ensiharvennuskohteissa ovat olleet tiedossa jo pitkään (Hakkila ym. 1995, Boren 2000,Verkasalo 2001, Laitila ym. 2004).

(8)

Esimerkiksi Hakkilan ym. (1995) mukaan korkeat korjuukustannukset aiheutuvat puun pienestä koosta, kasvamaan jätettävän puuston suuresta runkoluvusta sekä alhaisesta kertymästä hehtaaria ja leimikkoa kohti.

Kuitenkin uudemmissa tutkimuksissa pieniläpimittaisen puun korjuuta ja pienpuuhakkeen toimitusketjuja on tutkittu pieniläpimittaisen puun aseman parantamiseksi (esim. Karttunen ym.

2016, Väätäinen 2018,Fernandez-Lacruz 2019). Myös näissä tutkimuksissa suurimmat syyt nykyiseen pieniläpimittaisen puun alikäyttöön ovat korkeat korjuukustannukset.Hakkuiden on tutkittu olevan toimitusketjun suurimmat kustannuskomponentit, jossa rungon koko selittää kustannustehokkuutta (Laitila ym. 2004, Laitila ym. 2010). Hakkuukustannukset lasketaan rungon koon mukaan esimerkiksi kuutiodesimetreinä, kun taas toimituskustannukset metsästä teh- taalle esitetään yleensä etäisyyden tai hankintojen määrän funktiona (Laitila ym. 2010, Jylhä ym. 2010, Nivala ym. 2015).

Kaiken kaikkiaan pieniläpimittaisen puun korkeat korjuukustannukset ovat niin manuaalisessa kuin koneellisessa korjuussa, sillä sekä miestyönä tuotettavan, että konetyönä tuotettavan korjuun kokonaistuottavuus on pieni ja siksi työ on kallista (Korpilahti & Örn 2002). Kuitenkin nykytilanteessa korjuun koneellistumisasteen ollessa 99,98 % on tarkasteltava koneellisen korjuun yksikkökustannuksia (Strandström 2019). Vuonna 2018 koneellisen korjuun yksikkökus- tannukset olivat 10,76 €/m³ (Strandström 2019). Vastaavasti ensiharvennusainespuun yksikkö- kustannukset olivat 16,96 €/m³ (Strandström 2019). Toisin sanoen kuitupuukokoa pienemmän pienpuun korjuun yksikkökustannukset ovat vielä tätäkin suuremmat.

Alhainen markkinahinta ja korkeat korjuukustannukset vaikuttavat metsänomistajien ja teollisuuden intresseihin pieniläpimittaista puuta kohtaan. Alhainen kantohinta mänty- ja koivupien- puussa sekä korkeat korjuukustannukset harvennusmetsissä ja pienet kertymät vähentävät met- sänomistajien kiinnostusta harvennushakkuisiin (Heräjärvi ym. 2012). Vastaavasti pienpuun tavallista heikommat raaka-aineominaisuudet vähentävät sahateollisuuden mielenkiintoa pieni- läpimittaista puuta kohtaan (Heräjärvi ym. 2012).

Vaikka nykyisin pieniläpimittaisen puun käyttö on vähäistä muussa kuin energiantuotannossa, tulevaisuudessa uusien biotalouden tuotteiden ohjaavana tekijänä pieniläpimittaisen puun koh- dalla voidaan pitää Euroopan unionin (EU) biomateriaalin kaskadikäyttöä. Kaskadikäyttö kuvaa puun jalostusta tuotteisiin, tuotteiden uudelleenkäyttöä, kierrättämistä ja loppukäyttöä, tarkoituksena pyrkiä saamaan biomateriaalista mahdollisimman suuri hyöty ennen hävittämistä (Odegard ym. 2012, Sokka ym. 2015, Koistinen 2016, Raitanen ym. 2017, Hietala & Huovari

(9)

2017). Kaskadikäytössä tavoitteena on biomassan asteittainen käyttö, jossa biomassaa käyte- tään uudelleen tai kierrätetään ainakin kerran tai useita kertoja ennen sen käyttöiän loppua (Odegard ym. 2012, Koistinen 2016, Raitanen ym. 2017). Euroopan unionin kaskadiperiaatteen mukainen tärkeysjärjestys puuraaka-aineen käytölle on järjestyksessään puupohjaiset tuotteet, puupohjaisten tuotteiden käyttöiän pidentäminen, uudelleenkäyttö, kierrätys, bioenergia ja lopuksi hävittäminen (Euroopan komissio 2013,Koistinen 2016).

Vaikka puuraaka-aineen kaskadikäytölle on luotu käytön mukainen tärkeysjärjestys, biomassan kaskadikäytölle ei ole vakiintunutta määritelmää (Koistinen 2016, Raitanen 2017). Vakiintu- neen määritelmän puuttuessa myös kaskadikäytön toteutumisen mittaamiseen ei ole yleisesti hyväksyttyjä määritelmiä (Koistinen 2016). Kuitenkin Mantaun (2012) laatimakaskadikerroin (Cascade factor) kertoo, kuinka paljon tuotetta on voitu valmistaa puuraaka-aineyksikköä kohti.

Kaskadikerrointa kasvattaa udelleenkäyttö sekä raaka-aineiden kierrätys (Mantau 2012, Sokka ym. 2015). Näinkaskadikertoimella voidaan kuvata valmistuksen, kierrätyksen ja uudelleen- käytön määrää.

Biomassan kaskadikäyttö on toimintaa, jonka kestävyyttä voidaan mitata (Koistinen 2016).

Koistisen (2016) mukaan puun suora energiakäyttö kaskadikäytössä vähentää kestävyyttä, mutta se voi kuitenkin olla perusteltua taloudellisesti sekä ympäristösyistä. Esimerkiksi pieni- läpimittaisen puun arvo jalostuksessa voi olla huono, mutta energiakäytöllä sillä voidaan kor- vata fossiilisia polttoaineita (Koistinen 2016). Kaiken kaikkiaan kaskadikäytön yleisenä lähtö- kohtana on tuottaa biomassasta mahdollisimman korkean lisäarvon tuotteita ennen lopullista käyttöä energiantuotannossa (Odegard ym. 2012, Sokka ym. 2015, Koistinen 2016, Hietala &

Huovari 2017).Biomassan asteittainen käyttö, jossa biomassaa käytetään uudelleen tai kierrä- tetään useita kertoja ennen sen käyttöiän loppua, on biojalostamoille mahdollista toteuttaa (Pie- sala 2011). Biojalostamoista voikin löytyä kohde pieniläpimittaiselle puulle kaskadikäytön periaatteiden mukisesti.

Uusien biojalostamoissa tuotettujen kaskadikäytön mukaisten puupohjaisten tuotteiden lisäksi pieniläpimittaisella puulla voi olla tärkeä rooli suomalaisten toimijoiden yhteisen toimintaym- päristön muutoksissa (Ekholm ym. 2015, Salokoski 2017). Vaikkakorkeat korjuukustannukset ensiharvennuskohteissa ovat olleet tiedossa pitkään ja pieniläpimittaisen puun hakkuutapoja sekä toimitusketjuja on tutkittu (esim. Karttunen ym. 2016, Väätäinen 2018, Fernandez-Lacruz 2019), ei uusia tulevaisuuden tuotteita ja innovaatioita sekä toimintaympäristön muutoksia ennakoivia tutkimuksia pieniläpimittaisesta puusta olla juurikaan aikaisemmin Suomessa tehty.

Nykyhetkessä tarve pieniläpimittaisen puun tulevaisuudentutkimuksille lisääntyy, jotta tulevai- suuteen ja toimintaympäristön muutoksiin osataan varautua.

(10)

1.2 Tutkimuksen tavoitteet

Suomessa pieniläpimittainen puu on energiantuotannossa paljon käytetty raaka-aine. Tois- taiseksi pieniläpimittaisen puun käyttö muussa kuin energiantuotannossa on kuitenkin ollut vä- häistä niin Suomessa kuin muualla Euroopassa. Pieniläpimittaisen puun kestävän käytön kannalta on tärkeää löytää ja kehittää uusia liiketoiminta- ja toimintamalleja pieniläpimittaisen puun aseman parantamiseksi. Tulevaisuudessa toimintaympäristöjen muutokset esimerkiksi teknologiassa, markkinoissa sekä tuotteissa ja palveluissa voivat mahdollistaa esimerkiksi aiemmin kannattamattomien tai muutoin soveltamattomien käyttötapojen muuttuvan pieniläpi- mittaiselle puulle soveltamiskelpoisiksi. Lähitulevaisuudessa onkin tärkeää saada lisätietoa pie- niläpimittaisen puun mahdollisista tulevaisuuden käyttötavoista ja käyttökohteista.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää pieniläpimittaisen puun mahdollisia tulevaisuuksia Suomessa. Pieniläpimittaisella puulla voi olla osuus tulevaisuuden uusissa puupohjaisissa tuotteissa ja uusien käyttökohteiden kautta pieniläpimittaiselle puulle voi löytyä uusi asema osana kestävää biokiertotaloutta tulevaisuudessa. Tulevaisuudentutkimuksen kannalta tärkeän nyky- tietämyksen ja teoriataustan tutkimisen tarkoituksena on ymmärtää pieniläpimittaisen puun asema ja nykytilanne Suomessa sekä jäsentää nelikenttämenetelmällä pieniläpimittaisen puun ominaisuuksia sekä tulevaisuuden mahdollisuuksia liiketoiminnassa ja toimintamalleissa uusien tuotteiden rakennusaineena. Tulevaisuudentutkimuksen menetelmin kaksikierroksisella Delfoi-menetelmällä on tarkoituksena selvittää pieniläpimittaisen puun tulevaisuuden mahdollisuuksia ja selventää pieniläpimittaisen puun mahdollisia 2040-luvun tulevaisuuskuvia valikoidun asiantuntijapaneelin kannanotoista.

Tässä tutkimuksessa on kolme tutkimuskysymystä. 1) Millaisia ominaisuuksia pieniläpimittai- sesta puusta löytyy, joita voi hyödyntää tulevaisuuden tuotteissa ja innovaatioissa? 2) Minkä- laisia suomalaisten toimijoiden yhteisen toimintaympäristön muutoksia, jotka luovat mahdollisuuksia ja esteitä, pieniläpimittainen puu kohtaa tulevaisuudessa? sekä 3) Millaisia mahdollisia taloudellisia ja logistisia toimintamalleja pieniläpimittaiselle puulle voi mahdollisesti löytyä tulevaisuuden liiketoiminnassa? Tämä tutkimus tulee toimimaan sovellettavana pohjana tarkem- pia tulevaisuudentutkimuksia varten. Tämän lisäksi tutkimuksen tulosten soveltamismahdolli- suudet tulevat toimimaan pieniläpimittaisen puun alhaisen käytön aseman parantamiseksi.

(11)

2 NYKYTIETÄMYS JA TEORIATAUSTA

2.1 Pieniläpimittaisen puun käyttö ja ominaisuudet

Alhaisen korjuun tuottavuuden sekä korkeiden käyttökustannusten vuoksi pieniläpimittaisen puun käyttöaste on pysynyt matalana Suomessa vuosikymmeniä (Hakkila 1995, Boren 2000, Verkasalo 2001, Laitila ym. 2004, Laitila ym. 2010, Peltola ym. 2019). Vahvin käyttöpotenti- aali pienpuulla on metsähakkeena ja pieniläpimittaisen puun asemaa onkin ennen kaikkea tar- kasteltu metsähakkeen näkökulmasta 1950-luvulta lähtien (Hakkila ym. 2001). Vuosikymmen- ten aikana pieniläpimittaisen puun ominaisuuksia ja käyttöä on tutkittu ja se on synnyttänyt myös tutkimusohjelmia (Hakkila 1989, Voipio & Laakso 1992, Nurmi 1993, Boren 2000, Hak- kila ym. 2001, Verkasalo 2010).

Hakkilan (2001) mukaan metsähakkeen valmistus ja käyttö polttoaineena aloitettiin 1950-luvulla, kun öljy syrjäytti halkojen käytön lämmöntuotannossa. 1950-luvulla katsottiin, että puu säilyttäisi asemansa polttoaineena parhaiten vain, jos sen käsittely pystyttäisiin automatisoi- maan, jolloin metsähake nähtiin korvikkeena polttohaloille (Hakkila ym. 2001). 1960-luvulla koivukuitupuusta tuli haluttu raaka-aine selluteollisuudessa ja samanaikaisesti kuitu- ja lastule- vyteollisuuden toiminta laajeni, jolloin pienpuun käyttöaste kasvoi (Hakkila ym. 2001, Verka- salo 2010). 1960-luvulla öljyn hinta kuitenkin laski ja metsähakkeen käyttö kääntyi kymmenen vuoden laskuun (Hakkila ym. 2001).

Metsähakkeen näkökulmasta pieniläpimittaisen puun käyttö lähti uudelleen nousuun 1970-luvun energiakriisien seurauksina (Hakkila ym. 2001, Verkasalo 2010). Kuitenkin kun öljyn hinta laski kriisien päätyttyä, myös metsähakkeen käyttö vähentyi (Hakkila ym. 2001). 1990-luvulla metsähakkeen käytön kuitenkin nosti kotimainen talouslama, pienpuun vajaakäytöstä aiheutu- neet metsänhoidolliset ongelmat sekä huoli ilmaston lämpenemisestä, jolloin kannustimia käy- tettiin muun muassa elinkeinoelämän toipumiseen ja teollisuuden kilpailukyvyn kohentamiseen (Hakkila ym. 2001, Verkasalo 2010).

Siirryttäessä 2000-luvulle, metsähakkeen aseman parantamiseksi laadittiin muun muassa Bio- energian tutkimusohjelma vuosille 1993–1998 sekä Puuenergian teknologiaohjelma vuosille 1999–2003 (Hakkila ym. 2001, Verkasalo 2010). 2000-luvun alussa myös pikkutukin käyttö alkoi kasvaa sahatavarateollisuudessa (Verkasalo 2010). Verkasalon (2010) mukaan harven- nuspuuta oli tuolloin paljon tarjolla, sopivia lopputuotteita ja markkinoita löytyi pienelle puulle sekä suunniteltuja sahaus- ja sorvausteknologioita ja sahauslinjoja oli tarjolla.

(12)

Vaikka pieniläpimittaisena puuna tässä tapauksessa käsiteltävän pikkutukin käyttö kasvoi sahatavarateollisuudessa, pikkutukkien todellinen kannattavuus 2000-luvun alussa oli kuitenkin kyseenalainen (Verkasalo 2010). Pieniläpimittaisen puun ominaisuuksissa tekniset ja mekaaniset haasteet ovatkin olleet tiedossa jo pitkään (Boren 2000). Yleistä on, että ensiharvennuksissa saatava pieniläpimittainen puu eroaa teknisiltä ominaisuuksiltaan myöhempien harvennusten ja päätehakkuiden ainespuusta (Hakkila ym. 1995, Boren 2000).

Suurin yksittäinen erottava tekninen ominaisuus pieniläpimittaisella puulla verrattuna myö- hempien harvennusten ja päätehakkuiden ainespuuhun on suuri nuorpuun osuus (Verkasalo 2001). Hakkilan ym. (1995) mukaan ensiharvennuksista saatavan pienpuun nuorpuukuidut ovat lyhyitä ja ohutseinäisiä. Pienpuiden lyhytkuituisessa nuorpuussa on myös alhainen perustiheys (Jylhä 2011). Kaiken kaikkiaan pienpuussa nuorpuun osuus tilavuudesta on suurempi kuin jä- reässä puussa ja tämän vuoksi pienpuu kohtaa ongelmia sahatavarateollisuudessa (Ranta-Mau- nus 2000, Boren 2000, Verkasalo 2001). Esimerkiksi nuorpuussa soluseinämien mikrofibrilli- kulma on loivempi kuin normaalilla puuaineella (Senft ym. 1986 Verkasalo 2001). Senftin ym.

(1986) mukaan tämän vuoksi nuorpuu kutistuu pituussuunnassa jopa 10 kertaa enemmän kuin normaali puuaines ja voi tämän vuoksi kohdata ongelmia sahatavarateollisuudessa.

Sahatavarateollisuudessa pienempiläpimittaisella pikkutukilla on ominaisuuksiensa puolesta eroa järeään tukkipuuhun. Esimerkiksi eroja ovat muun muassa keskimääräistä alempi tiheys, nuorpuun suuri osuus, vähäinen tai olematon sydänpuun määrä ja tavallista suurempi vuosilus- ton leveys (Ranta-Maunus 1999, Boren 2000, Verkasalo 2001, Heräjärvi 2010, Jylhä 2011).

Näitä voidaan pitää puuaineen ei toivottuina ominaisuuksina sahatavarateollisuudessa ja nämä pieniläpimittaisen puun tavallista heikommat raaka-aineominaisuudet vähentävätkin sahateollisuuden mielenkiintoa pieniläpimittaista puuta kohtaan (Heräjärvi ym. 2003 Heräjärvi ym.

2012). Pienpuun mekaanista jalostusta rajoittavat myös alhainen järeys eli pieni sahatavaran saanto tukkikuutiometriä kohti sekä vähäinen oksattoman pintapuun osuus eli suuri oksapuun osuus (Heräjärvi ym. 2003, Heräjärvi 2010).

Verrattaessa pikkutukkia edelleen järeään tukkipuuhun, pieniläpimittaisella puulla on eroja ominaisuuksissa. Esimerkiksi keskimääräisesti alemman tiheyden vuoksi pikkutukin sään- ja lahonkesto-ominaisuudet ovat pikkutukilla heikommat verrattuna järeään tukkipuuhun (Herä- järvi 2010). Sen sijaan kyllästyvyys pikkutukilla on verrattain parempaa kuin järeällä tukilla (Heräjärvi 2010). Myös suuri nuorpuun osuus pikkutukilla vaikuttaa sen ominaisuuksiin. Esi- merkiksi lujuusominaisuudet sekä kutistuma ja turpoama ovat heikot järeään tukkipuuhun verrattuna (Heräjärvi 2010).

(13)

Kaiken kaikkiaan pieniläpimittainen ensiharvennuspuu ei ole ominaisuuksiensa puolesta paras mahdollinen sahateollisuuden raaka-aine sellaisenaan. Ensiharvennuksissa poistettavat puut ovat pieniä, lenkoja, mutkaisia, ja sisältävät usein myös lylyä (Boren, 2000, Verkasalo 2001, Wall 2001). Wallin (2001) mukaan sahatavaran ulkoiseen laatuun vaikuttavat myös esimerkiksi kuiva-, tuore- ja laho-oksien paksuus ja sijainti sekä muun muassa korot ja tervasroso. Heräjär- ven ym. (2003) mukaan onkin perusteltua ohjata puutuoteteollisuudessa pieniläpimittaisen puun käyttöä kohteisiin, joissa pienpuun negatiivisiksi koetut ominaisuudet kuten suuri nuorpuuosuus, epäedullinen runkomuoto ja runsasoksaisuus eivät pääse vaikuttamaan jalostukseen.

Puutuoteteollisuudessa tällaisia kohteita voivat olla esimerkiksi tuotteet, joiden valmistus perustuu lastuamiseen tai liimaamiseen (Heräjärvi ym. 2003). Nykyisin tällaisia pieniläpimittai- sen puun käyttökohteita puutuoteteollisuudessa voivat olla esimerkiksi rakennepuutuotteissa (Engineered Wood Products, EWP) (Heräjärvi ym. 2003, Heräjärvi ym. 2012).

Rakennepuutuotteet ovat puutuotteita, jotka on valmistettu liimaamalla yhteen esimerkiksi puu- lastuja, säleitä ja viiluja (Heräjärvi ym. 2003, Heräjärvi ym. 2012). Heräjärven ym. (2003) mukaan tuotteesta saadaan näin kimmoisuus-, lujuus- ja kosteuselämisominaisuuksiltaan massii- vipuuta tasalaatuisempi ja halutunlainen. Tärkeää pienpuun käyttökohteille onkin, että pienilä- pimittaisen puun epäsuotuisa runkomuoto, runsas oksaisuus ja suhteellisen suuri nuorpuuosuus eivät vaikuttaisi jalostusprosesseihin ja lopputuotteisiin (Heräjärvi ym. 2012).

Esimerkkejä pieniläpimittaisen puun kohteista rakennepuutuotteissa voivat olla esimerkiksi lastuja kuitulevyt (Oriented Strand Board, OSB), vanerit, viilu- eli kertopuu (Laminated Ve- neer Lumber, LVL) ja erilaiset liimapuutuotteet (Rämö ym. 2003, Heräjärvi ym. 2012). Osassa tuotteista voidaan hyödyntää pieniläpimittaista puuta ja jätepuuta (Rämö ym. 2003, Heräjärvi ym. 2012). Heräjärven ym. (2012) mukaan näiden rakennepuutuotteiden valmistuksessa liima- aineina käytetään muun muassa nestemäisiä ja jauhemaisia fenoleja, resorsinoleja sekä poly- isosyanaatteja.

Tarkemmin rakennepuutuotteita tarkasteltuna pieniläpimittainen puu soveltuu parhaiten pitkä- lastupuiden LSL (Laminated Strand Lumber) ja OSL (Oriented Strand Lumber) raaka-aineeksi (Rämö ym. 2003). LSL on valmistettu pitkistä havu- tai lehtipuulastuista ja sen etuina ovat alhaiset raaka-aine- ja pääomakustannukset, korkea raaka-aineen hyötysuhde sekä tuotteen hy- vät lujuus- ja jäykkyysominaisuudet (Heräjärvi ym. 2003, Rämö ym. 2003). OSL on tuotteena LSL:n kaltainen, mutta rakennusaineena oleva lastu on lyhyempää (Rämö ym. 2003). Kaiken kaikkiaan pieniläpimittainen puu on otollinen kohde pitkälastupuiden raaka-aineeksi. Rämön ym. (2003) mukaan kuitenkin markkinoiden volyymi on Suomessa pientä ja kannattava valmistus on Suomessa vaikeaa.

(14)

Rakennepuutuotteiden lisäksi pieniläpimittainen puu soveltuu heikoista teknisistä ominaisuuk- sistaan huolimatta piha- ja ympäristörakentamiseen esimerkiksi pyöreänä raakapuuna aidantei- siin, tolppiin sekä maisemointiin (Ranta-Maunus 1999, Verkasalo 2001, Penttilä 2013). Erityi- sesti tiheäsyinen kuusi (Picea abies (L.) H. Karst) sopii ominaisuuksiltaan käytettäväksi sei- päissä ja aitatarpeina (Metsälä 1998). Myös tiheäsyinen mänty sopii aitatolppien materiaaliksi.

Esimerkiksi Ruotsissa valmistetaan tiheäsyisestä pieniläpimittaisesta ensiharvennusmännystä 6–14 cm läpimittaisia aitatolppia (Octowood 2021). Vaikka pieniläpimittaisella puulla voi olla mahdollisuuksia piha- ja ympäristörakentamisessa pieniläpimittaisen raakapuun markkinat ovatpitkälastupuiden tapaan Suomessa pienet (Ranta-Maunus 1999).

Riippumatta pieniläpimittaisen puun heikoista teknisistä ominaisuuksista ja vähäisestä hyödyn- tämisestä sahatavarateollisuudessa, tulevaisuudessa biopohjaisten raaka-aineiden ja pieniläpi- mittaisen puun käyttö voi kasvaa erityisesti kemianteollisuudessa (Suomen biotalousstrategia 2014). Puubiomassa, iso- tai pieniläpimittainen puu, koostuu hiilestä (C), hapesta (O) ja vedystä (H) sekä pienissä määrin myös typestä (N) ja erilaisista mineraaliaineista (Wilén ym. 1996, Alakangas ym. 2016). Kemianteollisuudessa puubiomassan sisältäessä hiiltä ja vetyä se voidaan nähdä esimerkiksi öljypohjaisten tuotteiden korvaajana (Dahl 2020).

Merkittävien alkuaineiden, hiilen ja vedyn, jakaantumista on tutkittu pieniläpimittaisen puun osalta 1990-luvulla (Nurmi 1993). Nurmi (1993) jaotteli pieniläpimittaisten, läpimitaltaan 8–

12 cm ja pituudeltaan 5–15 metristen puiden kemiallista rakennetta alkuaineiden, hiilen ja vedyn mukaan (Taulukko 1 & Taulukko 2). Nurmen (1993) mukaan suurimmat hiilipitoisuudet pieniläpimittaisissa kotimaisten puiden rungoissa on männyllä (52,34 % kuiva-aineesta) sekä kuusella (52,43 % kuiva-aineesta) (Taulukko 1). Sen sijaan pienin hiilipitoisuus on haavalla (Populus tremula L.) (46,21 % kuiva-aineesta) (Taulukko 1). Vetypitoisuuksissa suurimmat pitoisuudet pieniläpimittaisten puiden rungoilla ovat niin ikään männyllä (6,09 % kuiva-aineesta) ja pienimmät haavalla (4,98 % kuiva-aineesta) (Nurmi 1993) (Taulukko 2).

Vaikka pieniläpimittaisen puuaineksen alkuainepitoisuudet eivät huomattavasti eroa täysikas- vuisista puista, on pieniläpimittaisten puiden kuorilla vaikutusta alkuainepitoisuuksiin (Alakan- gas 2000). Nurmen (1993) mukaan puiden kuorissa hiilen ja vedyn alkuainepitoisuudet ovat pääosin suuremmat kuin rungossa. Esimerkiksi haavan hiilipitoisuus on sekä sisä- että ulkokuoressa suurempi kuin rungossa (sisäkuoressa 48,95 %, ulkokuoressa 52,71 %) (Nurmi 1993) (Taulukko 1). Suurimmat hiilipitoisuudet kuoressa Nurmen (1993) mukaan ovat kuitenkin hies- koivun (Betula pubescens Ehrh.) rungon ulkokuoressa, jossa hiilipitoisuus on 72,64 % kuiva- aineesta (Taulukko 1). Vastaavasti suurimmat vetypitoisuudet kuoressa ovat rauduskoivun rungon (Betula pendula Roth.) ulkokuoressa (9,41 % kuiva-aineesta) (Nurmi 1993) (Taulukko 2).

(15)

Taulukko 1. Pieniläpimittaisten puiden puuaineksen ja puun kuoren eri osien hiilipitoisuuksia (C) kuiva-aineesta (k.a. p-%) (Nurmi 1993 s.29).

Puulaji Puuaines Sisäkuori Ulkokuori

Runko Oksat Runko Oksat Runko Oksat

> 5 mm < 5 mm > 5 mm > 5 mm

Mänty 52,34 53,53 50,83 40,83 52,33 55,75 56,35

Kuusi 52,43 53,36 50,37 49,70 50,20 55,56 56,10

Hieskoivu 50,97 50,97 48,39 52,20 52,49 72,64 68,37 Rauduskoivu 47,43 48,67 48,05 48,00 48,60 66,71 64,34 Harmaaleppä 49,09 48,21 49,17 49,67 48,34 64,09 60,58 Tervaleppä 46,64 47,90 48,45 50,29 50,09 58,52 62,06

Haapa 46,21 46,84 50,23 48,95 47,81 52,71 52,94

Taulukko 2. Pieniläpimittaisten puiden puuaineksen ja puun kuoren eri osien vetypitoisuuksia (H) kuiva-aineesta (k.a. p-%) (Nurmi 1993 s.29)

Puulaji Puuaines Sisäkuori Ulkokuori

Runko Oksat Runko Oksat Runko Oksat

> 5 mm < 5 mm > 5 mm > 5 mm

Mänty 6,09 6,03 5,23 6,17 6,36 5,68 6,12

Kuusi 5,86 5,61 5,14 5,59 5,62 5,85 5,77

Hieskoivu 5,86 5,80 5,15 5,79 6,10 9,37 8,43

Rauduskoivu 5,22 5,25 5,18 5,10 5,01 9,41 8,40

Harmaaleppä 5,77 5,16 5,71 6,15 5,94 8,59 7,66

Tervaleppä 5,01 5,84 5,89 5,77 5,57 6,37 7,56

Haapa 4,98 5,09 5,98 5,74 5,73 6,42 6,18

Pieniläpimittaisen puun kemiallisia ominaisuuksia on tutkittu myös muiden tärkeiden rakenne- aineiden mukaan. Esimerkiksi Voipio ja Laakso (1992) tutkivat tarkemmin pienikokoisten puiden maanpäällisen biomassan kemiallista koostumusta ja selvittivät pienikokoisten, läpimital- taan 8–12 cm, olevien puiden kokonaisuuteaine- ja monosakkaridi- (esimerkiksi glukoosi) pi- toisuuksia. Kuten Nurmen tutkimuksessa (1993) myös Voipion ja Laakson (1992) mukaan pie- niläpimittaisten puiden kuorilla on suurentava vaikutus kemiallisten aineiden pitoisuuksiin.

Voipion ja Laakson (1992) mukaan puuaineen uuteainepitoisuudet ovat erilaiset verrattuna kuoren uuteainepitoisuuksiin. Uuteainetta puuaineessa on puulajista riippuen 4–14 % kuivamassasta, kun vastaavasti kuoren uuteainepitoisuudet ovat 15–44 % puulajista riippuen (Voipio

& Laakso 1992). Voipion ja Laakson (1992) mukaan myös ohuiden oksien puuaineen uuteainepitoisuudet ovat muita puuaineen uuteainepitoisuuksia korkeampia, mikä johtuu esimerkiksi jälsikerroksen suhteellisesti suuremmasta osuudesta verrattuna esimerkiksi runkoon ja isoihin oksiin. Voipion ja Laakson (1992) mukaan myös lehtipuiden glukoosipitoisuudet kuiva- aineessa vaihtelevat (32–46 % kuiva-aineesta). Poikkeuksen tekee kuitenkin haapa, jonka puuaineen glukoosipitoisuus on välillä 40–53 % (Voipio & Laakso 1992).

(16)

Kokonaisuudessaanpieniläpimittaisen energia- ja ainespuun, teknisiä ja kemiallisia ominaisuuksia ja käyttöä eri teollisuudenalojen raaka-aineena on vuosikymmenien aikana tutkittu laa- jasti (Hakkila 1989, Voipio & Laakso 1992). Pieniläpimittainen puu ei ole ominaisuuksiensa puolesta paras mahdollinen sahateollisuuden raaka-aine ja myös selluteollisuudessa kuitupuuta selvästi pienempi raaka-aine kohtaa ongelmia esimerkiksi oksaisuuden, runsaan kuoripitoisuu- den ja pienen läpimitan vuoksi (Voipio & Laakso 1992). Kuitenkin tulevaisuudessa pieniläpi- mittaisen puun käyttö ja mahdollisuudet uusissa tuotteissa ja innovaatioissa voivat kasvaa erityisesti kemianteollisuudessa (Suomen biotalousstrategia 2014). Näitä uusia tuotteita ja innovaatioita voidaan valmistaa biojalostamoissa.

2.2 Biojalostamot ja liiketoimintamahdollisuudet

Biojalostamot ovat tärkeässä osassa uusien puupohjaisten tuotteiden kehityksessä. Biotalou- dessa puupohjaisilla uusilla tuotteilla on osansa Suomen biotalousstrategiassa. Suomen biotalousstrategiassa korostetaan biopohjaisten materiaalien merkitystä teollisuuden monipuolista- jana tulevaisuudessa (Suomen biotalousstrategia 2014). Biopohjaisten raaka-aineiden käyttö voikin kasvaa tulevaisuudessa erityisesti kemianteollisuudessa (Suomen biotalousstrategia 2014). Uusia puupohjaisia tulevaisuuden tuotteita voivat näin ollen olla niin biokemikaalit, bio- pohjaiset polttoaineet, prosessikemian sekä bioja nanoteknologian yhdistelmät, biomuovit ja -komposiitit kuin myös puupohjaiset tekstiilikuidutkin (Kangas 2014, Suomen biotalousstrategia 2014, Hietala & Huovari 2017, Kääriäinen 2019). Näitä kaikkia tuotteita voidaan valmistaa biojalostamoissa.

Biojalostamolla tarkoitetaan tehdasta tai toisiinsa yhdistettyjen laitosten muodostamaa koko- naisuutta, tuotantolaitosta, jossa jalostetaan bioperäistä raaka-ainetta, joilla pyritään korvaa- maan fossiilisia raaka-aineita (Piesala 2011, Maa- ja metsätalousministeriö 2015). Yleensä biojalostamot ovat sellutehtaita, joiden yhteydessä toimii muita yrityksiä jalostamassa selluteh- taan tuottamia jakeita (Piesala 2011). Integroiduissa biojalostamoissa raaka-aineina voivatkin olla esimerkiksi metsien ja maatalouden biomassat sekä yhdyskuntien ja teollisuuden jätteet ja sivuvirrat (Maa- ja metsätalousministeriö 2015). Kaiken kaikkiaan Suomessa puubiomassaan perustuvan biojalostamon etuina ovat raaka-aineen saatavuus ja kilpailukykyinen hinta sekä se, että puubiomassa ei kilpaile ruokatuotannon kanssa maa-alasta (Isomäki & Kokko 2018) Biojalostamokonseptissa bioperäinen raaka-aine eli biomassa fraktioidaan ja muunnetaan ener- giaksi, kemikaaleiksi tai muiksi biomateriaaleiksi, tavoitteena maksimoida biomassasta saatava

(17)

arvo ja minimoida syntyvä jäte (Tomperi 2013). Biojalostamoissa tuotetuista tuotteista esimerk- kejä ovat muun muassa sellu-, liukosellu-, ligniini- ja mäntyöljyjalosteet (Maa- ja metsätalous- ministeriö 2015). Myös biopolttoaineet kuten biodiesel, bioetanoli tai biokaasu kuuluvat biojalostamoiden tuotteisiin (Savolahti & Aaltonen 2006, Piesala 2011, Maa- ja metsätalousminis- teriö 2015). Yleistä onkin, että biojalostamoissa tuotetaan usein toiselle teollisuudenalalle raaka-aineita (Savolahti & Aaltonen 2006). Näiden lopputuotteina voivat olla esimerkiksi erilaiset kemikaalit, kosmetiikka, lääkkeet, tekstiilikuidut sekä älypakkaukset (Maa- ja metsäta- lousministeriö 2015).

Biojalostamoiden raaka-aineena toimiva lignoselluloosa on kasvin soluseinän biomassaa, joka koostuu pääasiassa selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä (Galbe & Zacchi 2002, Ala- kangas ym. 2016, Isomäki & Kokko 2018). Vuosittain lignoselluloosan tarjonta on noin 200 miljardia tonnia maailmanlaajuisesti (Maiti ym. 2018, Vega ym. 2019). Biojalostamoja pide- täänkin kestävänä prosessina, jossa muunnetaan uusiutuvat edulliset biomassat lisäarvoa tuot- taviksi biopohjaisiksi tuotteiksi (Pachapur ym. 2020). Biojalostamoissa käytettävä puubiomassa erotellaan lignoselluloosan tavoin kolmeen pääpolymeeriin: selluloosaan, hemiselluloo- saan ja ligniiniin, joiden osuus puubiomassassa riippuu muun muassa eri lajeista ja alkuperästä sekä kasvuolosuhteista (Kohli ym. 2019, Pachapur ym. 2020).

Biojalostamoissa käytettävistä puubiomassoista biomassan rakennusaineista määrällisesti tär- kein on selluloosa, jota on puulajista riippuen keskimäärin 33–52 % kuiva-aineesta(Galbe &

Zacchi 2002, Piesala 2011, Alkangas 2016, Pachapur ym. 2020). Suurimmat selluloosapitoisuudet kuiva-aineessa on havaittu puuvillassa (Gossypium L.) (95–97 %) (Sun & Cheng 2002).

Suomalaisista puulajeista suurimmat selluloosapitoisuudet kuiva-aineessa ovat männyssä (40

%), kuusessa (42 %), rauduskoivussa (41 %) sekä hieskoivussa (n.44 %) (Sun & Cheng 2002, Piesala 2011, Alakangas ym. 2016).

Selluloosan jälkeen suurin osa biomassan rakennusaineesta on hemiselluloosalla eli erilaisilla sokereilla (Pachapur ym. 2020). Hemiselluloosan osuus kuivamassasta on puulajista riippuen keskimäärin 22–35 % (Piesala 2011, Pachapur ym. 2020).Suurimmat hemiselluloosapitoisuudet on havaittu kasvien lehdissä, jota on n. 85 % kuiva-aineesta (Sun & Cheng 2002). Suoma- laisista puulajeista suurimmat hemiselluloosapitoisuudet kuiva-aineessa ovat männyssä (n. 29

%), kuusessa (28 %), rauduskoivussa (32 %) sekä hieskoivussa (29 %) (Alakangas ym. 2016).

Määrällisesti puubiomassan kolmanneksi suurin rakennusaine on ligniini, jota on puulajista riippuen keskimäärin 18–33 % kuiva-aineesta (Galbe & Zacchi 2002, Pachapur ym. 2020).

Kolmen puubiomassan pääpolymeerin lisäksi biomassa koostuu myös uuteaineista ja pienissä

(18)

määrin tuhkasta. (Galbe & Zacchi 2002, Pachapur ym. 2020). Suomalaisista puulajeista lignii- niä esiintyy eniten havupuissa, männyssä ja kuusessa, joissa sitä on n. 28 % kuiva-aineesta (Alakangas ym. 2016). Rauduskoivussa ja hieskoivussa ligniiniä on sen sijaan jonkin verran vähemmän (n. 20 %) (Alakangas ym. 2016). Tulevaisuuden tuotteiden ja innovaatioiden kannalta ligniini voi olla tärkeä raaka-aine tulevaisuuden uusissa biopohjaisissa tuotteissa erityisesti öljypohjaisten tuotteiden korvaajana ligniinin sisältäessä paljon hiiltä ja vetyä (Alakangas ym. 2016, Cao ym. 2018, Dahl 2020).

Ligniinipitoisuuksia on tutkittu myös pieniläpimittaisen puun osalta. Esimerkiksi Voipio ja Laakso (1992) sekä Nurmi (1993) tutkivat pieniläpimittaisten, läpimitaltaan 8–12 cm, olevien puiden ligniinipitoisuuksia puuaineessa, kuoressa sekä oksissa. Pieniläpimittaisissa männyissä ja kuusissa ligniinipitoisuudet eivät eroa täysikasvuisten vastaavista pitoisuuksista (Voipio &

Laakso 1992, Nurmi 1993). Sen sijaan oksissa ja kuoressa pitoisuudet vaihtelevat (Nurmi 1993). Esimerkiksi männyn ja kuusen yli 5 mm paksuissa oksissa ligniinipitoisuudet voivat olla suuremmat kuin rungon puuaineessa, noin 30 % kuiva-aineesta (Nurmi 1993).

Jotta biojalostamoissa tulevaisuuden tuotteisiin soveltuvat tärkeät raaka-aineet, kuten ligniini, saadaan käyttöön, on biojalostamoissa suoritettava biomassoille esikäsittely osana lopputuot- teiden valmistusta. (Pachapur ym. 2020). Vuosittain syntyvästä puupohjaisesta lignoselluloo- sabiomassasta suurin osa koostuu hiilihydraateista kuten selluloosasta, hemiselluloosasta, tärk- kelyksestä ja sakkaroosista (Kallioinen 2014, Kohli ym. 2019,Pachapur ym. 2020). Nämä komponentit muodostavat rakenteen, joka kestää hyvin mikrobien ja entsyymien hydrolyysiä ja siksi biojalostamoissa lignoselluloosapohjaiset raaka-aineet täytyy esikäsitellä (Kallioinen 2014).

Esikäsittely tehdään esimerkiksi valmistettaessa bioetanolia (Kallioinen 2014). Esikäsittely ai- heuttaa biomassaan muutoksia niin, että selluloosan ja hemiselluloosan hydrolyysi saavutetaan nopeammin (Mosier ym. 2005, Holm 2014). Biojalostamoissa lignoselluloosan esikäsittelyllä halutaan myös poistaa jäljelle jäänyt ligniini ja hajottaa selluloosan kiteistä rakennetta (Mosier ym. 2005, Hu ym. 2008, Holm 2014).

Biojalostamoissa lignoselluloosan esikäsittelyyn on eri vaihtoehtoja (Taulukko 3). Esikäsittely voi olla fysikaalinen esimerkiksi ultraäänikäsittely, mekaaninen esimerkiksi jauhatus, kemial- linen esimerkiksi happohydrolyysi tai näiden yhdistelmä kuten fysikaaliskemiallinen höyryrä- jäytys (Mosier ym. 2005, Hu ym. 2008, Holm 2014,Pachapur ym. 2020). Myös ioniset nesteet soveltuvat esikäsittelymenetelmiksi esimerkiksi esikäsiteltäessä selluloosaa (Böhling 2006).

(19)

Taulukko 3. Biojalostamoiden lignoselluloosan esikäsittelymenetelmien jäsentely lämpötila- olosuhteiden mukaan (Mosier ym. 2005, Hu ym. 2008, Holm 2014, Pachapur ym. 2020).

Miedot olosuhteet (Mild conditions) Lämpötila alle 120 °C

Normaalit olosuhteet (Normal conditions) Lämpötila 120–200 °C

Äärimmäiset olosuhteet (Extreme conditions) Lämpotila yli 200 °C

• Mekaaniset menetelmät (esim. jauhatus)

• Mikrobiologiset/

entsymaattiset käsittelyt

• Ultraääni-avusteinen happohydrolyysi (Ultrasound- assisted acid hydrolysis)

• Ammoniakkikuitu räjähdys (Ammonia fiber explosion)

• Kemialliset menetelmät (esim. happohydrolyysi)

• Alkalinen hydrolyysi (Alkaline hydrolysis)

• Organosolv-käsittely (Organosolv treatment)

• Pyrolyysi (Pyrolysis)

• Mikroaaltosäteily (Micro- wave radiation, MWR)

• Höyryräjäytys (Steam explosion)

• Nestemäinen kuuma vesi (Liquid hot water, LHW)

Biojalostamoiden esikäsittelymenetelmät tapahtuvat eri lämpötilaolosuhteissa (Pachapur ym.

2020). Pienissä lämpötiloissa menetelmät ovat yksinkertaisempia kuin suurissa lämpötiloissa ja energiankulutus on vähäistä (Pachapur ym. 2020). Kuitenkin suurten lämpötilamenetelmien jälkeen esimerkiksi fraktiointi onnistuu tarkemmin (Pachapur ym. 2020). Biojalostamoiden lignoselluloosan esikäsittelymenetelmät jakautuvat mietoihin alle 120 °C lämpötiloihin, normaa- leihin 120–200 °C lämpötiloihin sekä äärimmäisiin yli 200 °C lämpötiloihin (Taulukko 3).

Puubiomassojen esikäsittely biojalostamoissa on osa lopullisten tuotteiden kuten bioetanolin valmistusta (Kallioinen 2014, Pachapur ym. 2020). Bioetanolin lisäksi biojalostamoissa voidaan valmistaa myös muita tuotteita puubiomassasta. Esimerkiksi hiiltä ja vetyä sisältävästä metsäbiomassasta voidaan valmistaa muovia korvaavia tuotteita kuten kuitutuotteita ja komposiitteja (Dahl 2020). Dahlin (2020) mukaan haasteena näissä uusissa tulevaisuuden tuotteissa on kuitenkin löytää kannattavimmat ja kestävimmät valmistusreitit ja arvoketjut.

Tulevaisuudessa suuri kaupallinen potentiaali puuselluloosalla voi kuitenkin olla tekstiili- kuiduissa ja pakkausmateriaaleissa (Kääriäinen 2019). Pieniläpimittaisen puun mahdollinen tekstiilikuidun raaka-aine voi olla esimerkiksi liukosellu (Viitala 2016, Kääriäinen 2019). Liu- kosellua voidaan valmistaa esimerkiksi havupuista, koivusta tai pyökistä (Fagus L.) (Viitala 2016, Kääriäinen 2019). Lopullisena tuotteena liukosellusta voi valmistaa esimerkiksi viskoo- sia (Viitala 2016, Kääriäinen 2019). Tulevaisuuden kannalta Viitalan (2016) mukaan puusta valmistettujen tekstiilien suurimpana etuna on niiden valmistaminen uusiutuvista kuiduista.

Lähtökohtaisesti pieniläpimittainen puu sisältää paljon kuorta suhteessa kokonaistilavuuteen.

Pieniläpimittaisen puun kannalta tulevaisuuden mahdollisten uusien tuotteiden rakennusaineena puun kuorella voikin olla omat mahdollisuutensa puun kuoren sisältäessä esimerkiksi

(20)

paljon ligniiniä ja uuteaineita (Voipio & Laakso 1992, Piesala 2011, Alakangas ym. 2016, Hak- kila ym. 2020). Esimerkiksi suberiinia koivujen kuorista on tutkittu komposiiteissa ja öljyissä sekä kuusen kuoresta saatavaa stilbeenin vaikutuksia on tutkittu syövän estoon ja solun vanhe- nemiseen (Piesala 2011). Pieniläpimittaisen puun kuori ja biomassa voivatkin olla tulevaisuudessa lääketeollisuuden raaka-aineita, sillä myös betuliinia koivujen sisäkuoresta ja ulkokuo- resta voidaan käyttää lääketeollisuudessa raaka-aineena (Alakuortti ym. 2006, Piesala 2011).

Muovia korvaavien tuotteiden, liukosellun ja lääketeollisuuden lisäksi pieniläpimittaisella puulla voi olla mahdollisuuksia erityisesti luonnontuotealalla luonnontuotteiden raaka-ainetuotannossa. Luonnontuotteiden raaka-ainetuotannolla tarkoitetaan esimerkiksi luonnonmarjojen, -sienten ja -yrttien sekä erikoisluonnontuotteiden, kuten esimerkiksi mahlan, tervan, tuohen, havujen, oksien ja pajujen talteenottoa luonnosta, joka käsittää niiden puoliviljelyä ja osittain myös viljelyä (Kinnunen ym. 2014). Pieniläpimittaisen puun näkökulmasta esimerkiksi koivunkantosienen viljely saattaisi olla kannattavaa sellaisilla lehtipuuvaltaisilla kasvupaikoilla, joissa puuston hakkuu- ja korjuukustannukset nousevat korkeiksi (Issakainen & Savonen 2010, Kinnunen ym. 2014). Myös pajun käyttöä luonnontuotealalla lääkeaineissa on tutkittu Suo- messa. Esimerkiksi pajujen salisylaattipitoisuuksien potentiaalia on tutkittu ja rohdostuotteeksi on esitetty mustuvapajuja (Salix myrsinifolia Salisb.) (Ruuhola ym. 2001, Paunonen ym. 2009, Heino & Hytönen 2015).

Vaikka pieniläpimittaiselle puulle on nykytietämyksen perusteella nähtävissä mahdollisuuksia tulevaisuuden tuotteissa ja liiketoiminnoissa voivat markkinat olla epävarmoja (Hietala & Huo- vari 2017). Esimerkiksi vaikka biopolttoaineiden on arvioitu synnyttävän merkittävän uuden markkinan biomassan kaasutustekniikoille, on muutoksen arvioitu tapahtuvan hitaasti (Piesala 2011). Osa tulevaisuuden markkinoiden tuotteista voivatkin olla vasta kehitysasteella, jolloin niiden markkinapotentiaali nykyhetkessä näyttäytyy heikkona (Hietala & Huovari 2017).

Vaikka nykytilanteessa uusien biopohjaisten tuotteiden ja liiketoimintojen markkinat näyttäy- tyvät pieninä voi pieniläpimittaisella puulla olla kuitenkin tulevaisuudessa mahdollisuus liike- toimintamalleissa esimerkiksi innovaatioympäristöissä kuten teknologiapuistoissa. Euroopan talous- ja sosiaalikomitean (2006) mukaan teknologiapuistot ovat tieteen ja tekniikan sekä ta- louskehityksen kohtaamispaikkoja ja niiden tarkoituksena on tutkimuslaitosten ja yritysten yh- teistyöllä helpottaa tuotteiden markkinoille pääsyä. Teknologiapuistoille on yleistä niiden vaihtelevat nimitykset. Teknologiapuistoja voidaankin nimittää esimerkiksi tiede-, tutkimus- sekä yrityspuistoina (Euroopan talous- ja sosiaalikomitea 2006). Yhtenäistä teknologia-, yritys- ja tiedepuistoille on kuitenkin niiden toimiminen innovaatiokeskuksina (Euroopan talous- ja sosiaalikomitea 2006).

(21)

Myös tulevaisuuden kiertotaloudessa teollisuuspuistoista voi löytyä pieniläpimittaiselle puulle liiketoimintamahdollisuuksia. Esimerkiksi ekoteollisuuspuistot ovat maantieteellisesti rajattuja alueita, joissa muun muassa materiaalit, energia ja tieto kiertävät teollisuuspuistoon kuuluvien yritysten välillä (Sjöstedt 2020). Teollisuus- ja ekoteollisuuspuistot voivat rakentua eri tavoin.

Esimerkiksiekoteollisuuspuisto, jossa on useampia yrityksiä, joilla on keskeinen teollisuuslaitos yhdistävänä voimana voivat rakentaa bioja kiertotalouteen perustuvia teollisia symbiooseja (Sjöstedt 2020).

Tulevaisuuden kiertotaloutta ennakoiden myös innovatiiviset ratkaisut voivat avata pieniläpi- mittaiselle puulle mahdollisuuksia. Esimerkiksi innovatiiviset biojalostamoja demonstraa- tiohankkeet voivat luoda uusia liiketoimintamalleja ja mahdollisuuksia esimerkiksi biopoltto- aineille kuten bioetanolille ja biokaasulle (Työ- ja elinkeinoministeriö 2020). Myös yritysten kannalta tulevaisuuden uusien liiketoimintamahdollisuuksien ennakoiminen on tärkeää (Tom- peri 2013). Yrityksille tärkeää on uusien liiketoimintamallien ja tuotteiden kehittäminen, sillä ne tarjoavat mahdollisuuksia luoda uutta ja kehittää yritysten nykyistä liiketoimintaa (Tomperi 2013). Haasteen yrityksille voi kuitenkin tehdä uusien biopohjaisten tuotteiden esiteolliset ke- hitysasteet, jolloin tuotteen todellinen markkinapotentiaali voi olla epävarma (Hietala & Huo- vari 2017). Tuotteiden kehitysasteita voi kuitenkin tarkastella erityisesti tuotteiden teknologisten valmiustasojen arvioinnissa osana tulevaisuuden ennakointia.

2.3 Teknologiset valmiustasot

Technology Readiness Level (TRL) eli teknologiset valmiustasot ovat tarkastelukehikko, jolla voi arvioida tietyn tekijän teknologista valmiutta ja erityisesti kypsyystasoa perustutkimustie- dosta markkinoilla olevaksi tuotteeksi (Mankins 1995, 2009). TRL-tarkastelukehikon tasot määritellään teknologisen valmiuden arvioinnissa (Technology Readiness Assessment, TRA), jossa tutkitaan muun muassa teknologisia vaatimuksia ja demonstroituja teknologisia kykyjä (Mankins 2009). Kaiken kaikkiaan teknologiset valmiustasot perustuvat asteikoille yhdestä (1) yhdeksään (9), jossa asteikon 9. taso kuvaa kypsintä teknologiaa ja markkinavalmista tuotetta (Mankins 1995, 2009) (Taulukko 4).

Teknologiset valmiustasot kehitettiin Yhdysvaltain kansallisessa ilmailu- ja avaruushallinnossa (NASA), missä sen tarkoituksena oli mitata, kuinka kauan tekniikkaa oli levitetty avaruuteen (Héder 2017). Vuodesta 1999 lähtien Yhdysvaltain puolustusministeriö (DOD) aloitti TRL- tarkastelukehikon käytön aseiden tekniikan hankkimisessa (Schinasi, 1999). Kaiken kaikkiaan

(22)

TRL-tarkastelukehikkoa käytettiin aluksi määrittelemään rajat teknologisen kehityksen organi- satorisille ja taloudellisille muodoille (Héder 2017).

Ensimmäisen kerran NASA käytti TRL-tarkastelukehikkoa ja sen asteikkoa siviiliavaruusoh- jelman integroidussa teknologiasuunnitelmassa (OAST) Vuonna 1991 (Jenkins & Evanich 1991). Silloin TRL-asteikko sai lopullisen yhdeksäntasoisen muotonsa, kun John C. Mankins (1995) muutti alempien tasojen keskeneräisiä kuvauksia (Héder 2017) (Taulukko 4). Mankins (1995) lisäsi jokaiseen tasoon esimerkkejä teknologioista ja määritteli myös kunkin tason tyy- pilliset kustannukset (Héder 2017). Mankinsin (1995) laatimat teknologiset valmiustasot esite- tään usein taulukkomuotoisesti (Taulukko 4). Tässä tutkimuksessa teknologisten valmiustasojen lisäksi on esitetty alkuperäiset Yhdysvaltain kansallisen ilmailu- ja avaruushallinnon (NASA) määritelmät alkuperämuotoilun osoittamiseksi (Taulukko 4).

Taulukko 4. Teknologiset valmiustasot sekä Yhdysvaltain kansallisen ilmailu- ja avaruushal- linnon (NASA) alkuperäiset määritelmät (Technology Readiness Level) alkuperämuotoilun osoittamiseksi (Mankins 1995, 2009 & Héder 2017).

Taso/

Level Teknologinen valmiustaso Yhdysvaltain kansallisen ilmailu- ja avaruushallinnon (NASA) alkuperäiset mää- ritelmät (Technology Readiness Level) 1 Havaitut ja ilmoitetut perusperiaatteet. Basic principles observed and reported.

2 Teknologiakonsepti ja/tai sovellus on muotoiltu.

Technology concept and/or application formulated.

3 Teknologiakonsepti on kokeellisesti todennettu.

Analytical and experimental critical func- tion and/or characteristic proof-of-concept.

4 Teknologian toimivuus on todennettu laboratorio-olosuhteissa.

Component and/or breadboard validation in laboratory environment.

5 Teknologian toimivuus on todennettu asiaan kuuluvassa (todellisessa) ympä- ristössä.

Component and/or breadboard validation in relevant environment.

6 Teknologian toimivuus on demon- stroitu asiaan kuuluvassa (todellisessa) ympäristössä.

System/subsystem model or prototype demonstration in a relevant environment (ground or space).

7 (Järjestelmä) Prototyyppi on demon- stroitu toimintaympäristössä.

System prototype demonstration in a space environment.

8 Järjestelmä on valmis ja toimiva. Actual system completed and “flight qualified” through test and demonstration (ground or space).

9 (Järjestelmän) lopullinen toimivuus on todennettu sen toimintaympäristössä (järjestelmä on valmis ja kilpailukykyinen teolliseen valmistukseen).

Actual system “flight proven” through successful mission operations.

(23)

Teknologiset valmiustasot ovat osittain päällekkäiset. Tasojen ensimmäinen ja toinen taso kuvaavat perusperiaatteiden tutkimusta (Basic Discipline Research) (Mankins 2009). Mankinsin (1995, 2009) mukaan taso yksi (1) on teknologian kypsymisen alin taso, jossa tieteellinen tutkimus alkaa suuntautua soveltavaan tutkimukseen ja kehitykseen. Tällä tasolla voidaan tutkia esimerkiksi materiaalien perusominaisuuksia (Mankins 1995, 2009). Sen sijaan tasolla kaksi (2) voidaan tunnistaa ensimmäisen tason ominaisuuksien käytännön sovellukset (Mankins 1995, 2009). Tällä tasolla kustannukset voivat vaihdella huomattavasti tutkimusalasta tai kek- sinnöstä toiseen ja toimintaa harjoitetaan useimmiten yliopistoissa (Mankins 2009).

Tasot kaksi (2) ja kolme (3) ovat tutkimusta, jotka todentavat toteutettavuutta (Research to Prove Feasibility) (Mankins 2009). Kolmannessa TRL-tasossa aloitetaan aktiivinen tutkimus ja kehitys (Mankins 1995, 2009). Mankinsin (1995, 2009) mukaan tähän tasoon on kuuluttava sekä analyyttisiä tutkimuksia, että laboratoriopohjaisia tutkimuksia fyysisesti vahvistamaan analyyttiset ennusteet oikeiksi.

TRL-tasojen kolmas, neljäs ja viides taso ovat myös päällekkäiset ja tiivistetysti ne kuvaavat teknologian kehitystä (Technology Development) (Mankins 2009). Neljäs taso perustuu tekni- siin peruselementteihin sen varmistamiseksi, että mahdollistetaan komponenttien suoritusky- kytasot (Mankins 1995, 2009). Neljännen tason toimintoja voivat suorittaa tutkimus- ja kehi- tysorganisaatiot, mutta kasvavien kustannusten vuoksi tähän tasoon liittyy esimerkiksi valtion rahallista tukemista (Mankins 2009).

Tasot viisi (5) ja kuusi (6) ovat teknologian havainnointia (Technology Demonstration) (Man- kins 2009). Viidennellä tasolla testattavan tuotteen tai komponentin tarkkuus on huomattavasti parantunut (Mankins 1995, 2009) Mankinsin (1995, 2009) mukaan tällä tasolla sovelluksia voidaan testata simuloidussa tai jonkin verran realistisessa ympäristössä ja esittelyssä voi olla yksi tai useampi tekniikka. Erona viidennen ja kuudennen tason välillä on se, että kuudennella tasolla sovelluksia testattaisiin jo asiaankuuluvassa ympäristössä (Mankins 1995, 2009). Esimer- kiksi Mankinsin (1995, 2009) mukaan jos tuotteen tai prototyypin sen hetkinen ainoa merki- tyksellinen ympäristö olisi avaruusympäristö, prototyypin demonstraatio on osoitettava avaruu- dessa.

Tasot kuusi (6), seitsemän (7) ja kahdeksan (8) ovat jälleen päällekkäisiä ja kuvaavat järjestel- män kehittämistä (System/Subsystem development) (Mankins 2009). TRL-tasojen seitsemäs taso on jo merkittävästi siirtynyt kuudennen tason ulkopuolelle ja vaatii todellisen järjestelmän prototyypin esittelyä ympäristössään (Mankins 1995, 2009). Tällä tasolla Mankinsin (2009)

(24)

mukaan kustannukset olisivat erittäin korkeat, ja ne voivat olla merkittävä osa lopullisen järjes- telmäsovelluksen kehittämiskustannuksista.

Viimeiset tasot, kahdeksan (8) ja yhdeksän (9), kuvaavat järjestelmän testausta, levittämistä ja operaatioita (System Test, Deployment & Ops) (Mankins 2009). Mankinsin (1995, 2009) mukaan kaikki todellisissa järjestelmissä sovellettavat teknologiat käyvät läpi TRL-tasot kahdeksan ja yhdeksän. Näillä tasoilla järjestelmä on valmis ja toimiva (Mankins 1995, 2009). Kah- deksanteen kuin myös yhdeksänteen tasoon voi kuulua uuden tekniikan integrointi jo olemassa olevaan järjestelmään (Mankins 1995, 2009).

Tulevaisuudentutkimuksen ja pieniläpimittaisesta puusta saatavien uusien tuotteiden kannalta on tärkeää tutkia teknologisten valmiustasojen kolmea ensimmäistä tasoa. Ennakoitaessa tule- vaisuutta ja tulevaisuuden kehitystä pitkällä aikavälillä, valmiustasojen ensimmäisiä tasoja (TRL-tasot 1–3) voidaan pitää tärkeimpinä, sillä myöhemmät tasot kuvaisivat teknologian mah- dollisuutta saavuttaa markkinat jo lähitulevaisuudessa. Uusien innovaatioiden kannalta tärkeää ensimmäisillä valmiustasoilla 1–3 on se, että mahdollisesta tulevaisuuden muotoillusta sovel- luksesta on havaittu tutkittavan tuotteen perusperiaatteet ja teknologiakonsepti (Mankins 1995, 2009 & Héder 2017). Uusien pieniläpimittaisesta puusta saatavien tuotteiden ja innovaatioiden sekä liiketoimintamallien tulevaisuudentutkimisen lähtökohtana on kehitysasteiden ja teknologisten valmiustasojen arviointi osana tulevaisuudentutkimuksen menetelmiä.

2.4 Nykytietämyksen synteesi

Nykytietämyksellä ja nykyisyyden eri tieteenalojen teorialla on tärkeä merkitys tulevaisuuden- tutkimuksessa (Mannermaa 1993, Wilenius & Pouru 2017). Pieniläpimittaiseen puuhun ja tä- hän tutkimukseen liittyvän nykytietämyksen jäsentely ohjaa tutkimusta kohti Delfoi-menetel- mää. Tämän tutkimuksen tutkimuskysymysten mukaisesti on oleellista jäsentää pieniläpimit- taisen puun ominaisuuksia, joita voi hyödyntää tulevaisuuden tuotteissa ja innovaatioissa. Tär- keää on myös jäsentää pieniläpimittaisen puun mahdollisuuksia ja mahdollisia liiketoimintamalleja tulevaisuuden liiketoiminnassa.

Nelikenttämenetelmä eli SWOT-analyysi on yritysmaailmassa strategian luomiseen yleisesti käytetty menetelmä, jossa tarkoituksena on arvioida yrityksen sisäisiä vahvuuksia ja heikkouksia sekä ulkoisia tulevaisuuden mahdollisuuksia ja uhkia (esim. Pickton & Wright 1998, Whee- lan & Hunger 2012, Grant 2021). Yritysmaailmassa SWOT-analyysissä vahvuuksien (Strengths), heikkouksien (Weaknesses), mahdollisuuksien (Opportunities) ja uhkien (Threats) tunnistaminen johtaa analyysiin ja tämä tuottaa uusia näkökulmia ja ideoita (Pickton & Wright

(25)

1998, Grant 2021). Nelikenttämenetelmän etuna on sen helppokäyttöisyys ja sovellettavuus ar- vioidessa eri ympäristöjä (Pickton & Wright 1998).

Tässä tutkimuksessa pieniläpimittaisen puun ominaisuuksia, joita voi hyödyntää tulevaisuuden tuotteissa ja innovaatioissa sekä pieniläpimittaisen puun mahdollisuuksia ja mahdollisia liiketoimintamalleja tulevaisuuden liiketoiminnassa on jäsennelty nelikenttämenetelmän mukaisesti taulukoihin (Taulukko 5 & Taulukko 6). Tärkeää tämän tutkimuksen nelikenttämenetelmän jä- sentelyssä on ennen kaikkea luokitella pieniläpimittaisen puun ominaisuuksia ja liiketoimintamahdollisuuksia nykyhetken (vahvuudet ja heikkoudet) sekä tulevaisuuden (mahdollisuudet ja uhat) mukaisesti (Taulukko 5 & Taulukko 6). Tärkeää tämän tutkimuksen nelikenttämenetel- mässä on myös sen perustuminen nykyteoriaan. Erityisesti pieniläpimittaisen puun ominaisuuksien luokittelussa pieniläpimittaisen puun heikko soveltuminen sahatavara- ja puutuoteteolli- suuden raaka-aineeksi on huomioitu nelikenttämenetelmän taulukon heikkouksissa ja uhissa (Taulukko 5). Kuitenkin nelikenttämenetelmän taulukon mukaisesti pieniläpimittaisella puulla voi olla mahdollisuuksia ominaisuuksiensa puolesta tulevaisuudessa erityisesti tuotteissa, jotka eivät perustu pieniläpimittaisen puun mekaanisiin ominaisuuksiin (Taulukko 5).

Taulukko 5. Pieniläpimittaisen puun ominaisuudet SWOT-analyysi. Esimerkkejä pieniläpimit- taisen puun vahvuuksista, heikkouksista, mahdollisuuksista ja uhista nykytietämykseen ja teoriaan pohjautuen.

Vahvuudet/Strengths Heikkoudet/Weaknesses

• Puutuoteteollisuudessa kyllästyvyys pikkutukilla verrattain parempaa kuin järeällä tukilla (Heräjärvi 2010).

•Puubiomassa koostuu hiilestä (C), hapesta (O) ja vedystä (H) sekä pienissä määrin myös typestä (N) ja erilaisista mineraaliaineista (Alakangas ym. 2016). Pieniläpimit- taisen puun sisältäessä hiiltä ja vetyä se voidaan nähdä esimerkiksi öljypohjaisten tuotteiden korvaajana (Dahl 2020).

Heikkouksia sahatavarateollisuudessa:

• Pieniläpimittaisella puulla suuri nuorpuun osuus (esim. Boren 2000, Verkasalo 2001)

• Pieniläpimittaisella puulla nuorpuukuidut lyhyitä ja ohutseinäisiä (Hakkila ym. 1995).

• Pieniläpimittaisen puun nuorpuussa alhainen perustiheys (Jylhä 2011).

• Lujuusominaisuudet sekä kutistuma ja turpoama ovat heikot järeään tukkipuuhun verrattuna (Heräjärvi 2010)

Mahdollisuudet/Opportunities Uhat/Threats

• Pieniläpimittaisen puun käyttöä tulisi ohjata puutuoteteollisuudessa kohteisiin, joissa pienpuun negatiivisiksi koetut ominaisuudet eivät pääse vaikuttamaan jalostukseen (He- räjärvi ym. 2003).

• Kuoren mahdollisuudet. Esimerkiksi ligniini- ja uuteainepitoisuudet pieniläpimittai- sen puun kuoressa suuremmat kuin puuaineessa (esim. Voipio & Laakso 1992).

• Ligniini öljypohjaisten tuotteiden korvaajana ligniinin sisältäessä paljon hiiltä ja ve- tyä (Alakangas ym. 2016, Dahl 2020).

• Nuorpuun osuus tilavuudesta suurempi kuin järeässä puussa, tämän vuoksi pienpuu kohtaa ongelmia puutuoteteollisuudessa (Verkasalo 2001).

• Muita ongelmia vähäinen tai olematon sy- dänpuun määrä ja tavallista suurempi vuosi- luston leveys (Ongelmia sahatavarateollisuudessa) (Verkasalo 2001, Heräjärvi 2010, Jylhä 2011).

• Sahatavaran ulkoiseen laatuun vaikuttavat myös kuiva-, tuore- ja laho-oksien paksuus ja sijainti (Wall 2001).

(26)

Pieniläpimittaisen puun liiketoimintamahdollisuuksien nelikenttämenetelmän taulukossa jäsen- telyn lähtökohtana on pieniläpimittaisen puun ominaisuudet. Toisin sanoen, pieniläpimittaisen puun heikko soveltuminen sahatavarateollisuuden raaka-aineeksi on huomioitu liiketoimintamahdollisuuksien nelikenttämenetelmän taulukossa. Nykytietämyksen perusteella, tulevaisuuden mahdollisuuksia ennakoiden, pieniläpimittaisen puun liiketoimintamahdollisuudet voivatkin liittyä esimerkiksi pieniläpimittaisen puun kemiallisiin ominaisuuksiin (Taulukko 6). Kui- tenkin pieniläpimittainen puu ja sen hyödyntäminen voi kokea uhkia ja epävarmuuksia tulevaisuuden toimintaympäristössä erityisesti energiantuotannon rakenteen muuttumisen ja hiilensi- dontakysymysten kautta (Taulukko 6). Pieniläpimittaisen puun tulevaisuuden uhkakuvista huolimatta voi pieniläpimittaisella puulla kuitenkin olla mahdollisuuksia tulevaisuuden liiketoi- mintamahdollisuuksissa esimerkiksi kaskadikäytön periaatteiden mukaisesti (Taulukko 6).

Taulukko 6. Pieniläpimittaisen puun liiketoimintamahdollisuudet SWOT-analyysi. Esimerk- kejä pieniläpimittaisen puun vahvuuksista, heikkouksista, mahdollisuuksista ja uhista nykytie- tämykseen ja teoriaan pohjautuen.

Vahvuudet/Strengths Heikkoudet/Weaknesses

• Nykyisin pieniläpimittaisen puun käyttö- kohteet puutuoteteollisuudessa voivat olla rakennepuutuotteissa (EWP) (Heräjärvi ym.

2003, Heräjärvi ym. 2012)

• Puutuoteteollisuudessa pieniläpimittainen puu soveltuu pitkälastupuiden, LSL ja OSL, raaka-aineeksi (Rämö ym. 2003).

• Pieniläpimittaisessa puussa paljon kuorta suhteessa kokonaistilavuuteen. Esimerkiksi betuliinia koivun sisäkuoresta ja ulkokuo- resta voidaan käyttää lääketeollisuudessa raaka-aineena (esim. Alakuortti ym. 2006).

• Suurimmat syyt pieniläpimittaisen puun al- haiseen käyttöön Suomessa ovat vähäinen korjuun tuottavuus, korkeat käyttökustan- nukset ja pieniläpimittaisen puun alhainen nykyinen markkinahinta (esim. Verkasalo 2001, Laitila ym. 2010, Peltola ym. 2019).

• Pieniläpimittaisen puun epäsuotuisat ominaisuudet ovat vaikuttava tekijä puutuoteteollisuudessa (Heräjärvi ym. 2012).

• Suomessa pitkälastupuiden markkinat pienet ja kannattava valmistus vaikeaa (Rämö ym. 2003).

Mahdollisuudet/Opportunities Uhat/Threats

• Pieniläpimittaisella puulla mahdollisuus luonnontuotteiden raaka-ainetuotannossa, esim. koivunkantosienen viljely (Issakainen

& Savonen 2010, Kinnunen ym. 2014).

• Kaskadikäyttö: lähtökohtana tuottaa biomassasta mahdollisimman korkean lisäarvon tuotteita ennen lopullista käyttöä energiantuotannossa (esim. Odegard ym. 2012, Sokka ym. 2015, Koistinen 2016).

• Ekoteollisuuspuistot: yritykset, joilla keskeinen teollisuuslaitos yhdistävänä voimana voivat rakentaa bioja kiertotalouteen perustuvia teollisia symbiooseja (Sjöstedt 2020).

• Teknologiapuistot: tutkimuslaitosten ja yritysten yhteistyöllä helpotusta tuotteiden ja markkinoiden välille (Euroopan talous- ja sosiaalikomitea 2006).

• Energiantuotannon rakenteen muuttuminen ja kehittyminen tulevaisuudessa voi vaikuttaa pieniläpimittaisen puun käyttöön energiatuotannossa (Salokoski 2017).

• Vaikka pieniläpimittaisella puulla voi olla mahdollisuuksia piha- ja ympäristörakenta- misessa, markkinat Suomessa pienet (Ranta- Maunus 1999).

• Vaikka hiiltä ja vetyä sisältävästä puubiomassasta voidaan valmistaaliikennepolttoai- neita sekä muovia korvaavia tuotteita kuten kuitutuotteita ja komposiitteja. Haasteena on löytää kannattavimmat ja kestävimmät valmistusreitit ja arvoketjut (Dahl 2020).

• Hiilensidonnan mukanaan tuoma regulaatio voi vaikuttaa pieniläpimittaisen puun käyttöön (Ekholm ym. 2015).