Seuraa sähköpostitse

sunnuntai 11. lokakuuta 2015

Biobutanolia suomalaisesta ohrasta?

Butanolilla on useita etuja liikennepolttoaineena etanoliin verrattuna. Biobutanolin tuotantoa on tutkittu Suomessakin. Biobutanolissa ei kuitenkaan välttämättä ole mieltä Suomessa ilmastonmuutoksen torjunnan tai fossiilienergiariippuvuuden vähentämisen kannalta.


Lähde: http://www.resilience.org/stories/2013-08-11/the-social-implications-of-energy-return.


Hiljan uutisoitiin, että ohran olkea voidaan hyödyntää biopolttoaineiden tuotannossa, mikä käy ilmi Itä-Suomen yliopistossa tarkastetusta väitöskirjasta.

Pienen salapoliisityön jälkeen itse väitöskirja löytyi tämän linkin takaa. Väitöskirjassa ei pohdittu lainkaan, että kuinka paljon Suomessa tehty biobutanoli vähentäisi kasvuihuonekaasupäästöjä tai vähentäisi fossiilienergiariippuvuutta. Väitöskirjassa olisi voitu viitata esimerkiksi amerikkalaisen NREL-tutkimuslaitoksen muutaman vuoden takaiseen suhteellisen kattavaan, hyvin dokumentoituun ja avoimeen kestävyysanalyysiin biobutanolin tuotannossa, joka löytyy täältä. Käyn lyhyesti läpi tuon amerikkalaisen tutkimuksen tässä ja yritän sovittaa tuon tutkimuksen tuloksia suomalaiselle biobutanolille ja arvioida sen kestävyyskriteereitä (lähinnä energiatuottoa sijoitetulle energialle ja saavutettua CO2-päästövähenemää).

Amerikkalaisessa tutkimuksessa saatiin tulokseksi, että maissijätteestä valmistetun biobutanolin energiasaanto on 1,4-1,5 MJ/MJ eli energiantakaisinmaksukerroin (Energy Return on Energy Invested, EROI) on vain 1,4-1,5, jos sivutuotteena syntyvää sähköä ei huomioida. Mikäli sähkö huomioidaan, niin EROI nousi lukemiin 2,2-2,8 eli ei kovin korkealle silloinkaan. Näin alhaisen EROI:n varassa ei moderni yhteiskunta voisi toimia (ks. Hall ja Klitgaard, 2012). EROI-mittarin kehittäjä Charles Hall on arvioinut, että modernin yhteiskunnan (terveydenhuolto ja koulutus) tarvitaan vähintään EROI-luku 12. Jos EROI olisi 1, niin silloin talous olisi pelkkää energiantuotantoa eli eräänlainen energiaorjatalous. Korkea EROI voidaan hahmottaa vipuvarreksi, joka mahdollistaa monimutkaiseen työnjakoon perustuvan korkean elintason yhteiskunnan. Toistaiseksi halpa ja korkean energiantakaisinmaksukertoimen fossiilinen energia, kuten venäläinen öljy, subventoi alhaisen energianylijäämän biopolttoaineita eikä monien biopolttoaineiden alhainen EROI ole ongelma. Suuressa mittakaavassa ja halvan fossiilienergian ehtyessä tai ilmastosopimuksen synnyttyä tilanne voi muuttua.

Amerikkalainen tutkimus tehtiin siis maissitähteillä ja sen tärkeimmät parametrit raaka-aineen suhteen olivat  maissitähteiden saanto 5,38 kuivatonnia per hehtaari ja ravinteiden tarpeet oljen mukana poistuvien ravinteiden korvaamiseksi (9 kg typpeä, 0,99 kg fosforia ja 15 kaliumia per tonni olkea, fosfori).  Jotkut kaupalliset olkietanolin valmistajat keräävät vain 15-25 %oljesta, ilmeisesti siksi, että ravinteiden korvaustarve kasvaa epäoptimaalisen suureksi tai liiasta oljen keräämisestä on muuta haittaa. Tässä tutkimuksessa käsittääkseni oletettiin 100 prosentin korjuu (tämä oletus on eduksi suomalaiselle biobutanolille vertailussa, joten en ainakaan lähtökohtaisesti vääristä analyysiä epäedulliseen suuntaan).

Suomessa tilanne on oljen saannon kannalta olennaisesti eri kuin Yhdysvalloissa, sillä Suomessa ohranoljen kuiva-ainesaanto on keskimäärin 2 tonnia per hehtaari  eli alle puolet amerikkalaistutkimuksessa käytetystä saannosta (joskin ilmeisesti vaihtelu on suurta ja puintikorkeuden alentaminen nostaa saantoa). Eli tässä vertailussa ainakin Suomen tilanne on amerikkalaista huonompi, koska raaka-ainetta joudutaan keräämään suuremmalta alalta. Korjuusäteen täytyy siten olla vastaavasti suurempi, jolloin dieseliä kuluu enemmän korjuuvaiheessa. Typpeä poistuu ohranoljen mukana 8 kg/hehtaari eli tässä maaottelu kääntyy niukasti Suomen eduksi! Kaliumin ja fosforin poistumisesta oljen mukana en pikaisella haulla löytänyt tietoa. Arvelisin, että suuruusluokka maissitähteillä ja ohranoljella on tässä suhteessa sama eikä juuri muuta tilannetta. Arvioisin, että pintamaa Yhdysvaltain maissintuotannossa ei olekaan ainakaan vähäravinteisempi kuin ohrantuotannossa Suomessa. Lukijoiden kommentit ovat tervetulleita.

Amerikkalaisen biobutanolin CO2-päästövähenemä bensiiniin verrattuna oli 47-50 %, mikä voi kuulostaa paljolta, mutta sitä on parempi arvioida vasta kun tietää, että mitkä ovat päästövähenemän kustannukset. Vertailun vuoksi voimme todeta, että UPM:n uusiutuvalla dieselillä (BioVerno) CO2-päästövähenemä on 80 %. Uskallamme aika suurella varmuudella todeta, että suomalaisesta ohranoljesta valmistetulle biobutanolille ei ole mielekästä odottaa suuria kasvihuonekaasupäästövähemiä tai sen avulla vähennettävän merkittävästi liikenteen polttonesteiden fossiilienergiariippuvuutta, sillä sen energiantakaisinmaksukerroin lienee lähellä yhtä. Jos biobutanolin tuotanto on kallista, niin vastaavat kasvihuonekaasujen päästövähenemät lienee saatavissa edullisemmin muualta.

UPM:n uusiutuva diesel tuli jo mainituksi. Voimme pikaisesti analysoida myös UPM:n uusiutuvan dieselin eli BioVernon mielekkyyttä energiantakaisinmaksukertoimen mielessä. Samalla voimme hiukan pohtia EROI-mittarin heikkouksia. UPM ilmoittaa sivuillaan, että sen avulla päästään jopa 80 prosentin kasvihuonekaasupäästövähenemään. Oletan, että kaikki fossiilinen energia, joka tarvitaan BioVernon prosessoinnissa on öljyä ja/tai maakaasua (sähköäkin luultavasti tarvitaan, mutta sen voi olettaa olevan lähes päästötöntä vesivoimaa, ydinvoimaa, tuulivoimaa...). Haen teoreettiset ääritapaukset, jossa on käytetty vain öljyä ja toisaalta vain maakaasua, koska maakaasun CO2-päästöt ovat noin puolet öljyn päästöistä energiayksikköä kohti. Näiden tarkastelujen mielekkyys paljastuu hiukan myöhemmin.

BioVerno valmistetaan mäntyöljystä, joten siihen käytetään todennäköisesti maakaasua pelkistävän vedyn lähteenä, koska mäntyöljyssä on happea, jota lopputuotteessa ei ole. Jälleen lukijoiden palaute on tervetullutta. Maakaasun CO2-päästöt per MJ ovat noin 30 prosenttia öljyä pienemmät*, jolloin tapaus jossa koko fossiilinen energiapanos Biovernossa on maakaasua tarkoittaa EROI-lukua 3,5 (100/20*0,7). Jos kaikki energiapanokset ovat öljyä (tai dieseliä), niin silloin tupakka-askin kanteen laskettu EROI on suoraan 100/20= 5. EROI-mittarin suurimpia heikkouksia on se, että se ei erota toisistaan tai painota eri energiakantajia. *Huom. maakaasun CO2-päästöt ovat noin puolet kivihiilen päästöistä, mutta vajaa 30 % pienemmät kuin öljyn, korjaus 12.10.

EROI-luku BioVernolle on siis 5 ääritapaukselle, jossa öljyn avulla jalostettiin mäntyöljyä uusiuvuvaksi dieseliksi ja 3,5 jos käytettiin pelkästään maakaasua. Todellisuus lienee näiden ääritapausten välissä. Joka tapauksessa, vaikka BioVernon EROI olisi vain 3,5 niin tämä on harhaanjohtavan alhainen, koska maakaasun muuntamisessa dieseliksi EROI-vivulla 3,5 on järkeä koska se muuntaa edullisempaa maakaasua arvokkaammaksi ja vallitsevaan liikennepolttoaineinfrastruktuuriin sukkana solahtavaksi dieseliksi ja päästöt vähenevät samalla 80 %. Jos puolestaan yhdestä tynnyristä öljyä saadaan viisi tynnyriä uusiutuvaa dieseliä, niin tämä on huomattavasti enemmän kuin biobutanolilla näyttäisi olevan.

Eli alhainen EROI ei välttämättä yksin ole hyvä mittari. Yhdessä päästövähenemän kanssa käytettynä EROI on yleensä kuitenkin aika hyvä mittari liikennepolttoaineille, koska päästöt alenevat käytettyjen energianpanosten mukaan järjestyksessä öljy, maakaasu, sähkö (toki riippuen siitä, miten sähkö tuotetaan). Päästövähennyksessä on aina jokin vaihtoehto, joten kustannus-hyötyarvio verrattuna vaihtoehtoihin on olennainen osa päätöksentekoa esimerkiksi yhteiskunnan tukia myönnettäessä.

BioVerno on joka tapauksessa hyvä vertailukohta biobutanolille siinäkin mielessä että UPM:n tuote ei ole saanut suoria yhteiskunnan tukia (tietääkseni). BioVernon raaka-aine mäntyöljy luokiteltiin kemianteollisuuden vastuksesta huolimatta tähteeksi. Tämä tähde-status tarkoittaa, että laskennassa sen CO2-päästövähennys voidaan laskea tuplana EU-tavoitteissa, koska se valmistetaan "tähteestä". Ilman tähde-statusta UPM ei ilmeisesti olisi investoinut Lappeenrannan uusiutuvan dieselin tuotantolaitokseensa, joten aivan puhtaalla markkinalogiikalla senkään valmistus ei ilmeisesti olisi kannattavaa. Perusteltua lienee kuitenkin myös todeta, että fossiilisten polttoaineiden verotus on aivan liian alhainen, eikä esimerkiksi öljyn hinta heijasta esimerkiksi kaikkia ilmastonmuutoksen mukana tulevia markkinoiden ulkopuolisille toimijoille koituvia kustannuksia.

Mikäli Suomessa harkitaan yhteiskunnan tukia biobutanolin valmistamiseen, niin päästöksen pitäisi perustua jonkinlaiseen kokonaisharkintaan, jossa mukana on  CO2-päästövähenemäpotentiaalin ja fossiilienergiariippuvuuden vähentämisen lisäksi esimerkiksi arviointi teknologian vientipotentiaalista muihin maihin. Tässä kirjoituksessa käytetty amerikkalaistutkimus ei ainakaan lupaa kovin suuria kansainvälisiä markkinoita biobutanolille, sillä ei ymmärtääkseni juuri ole syitä olettaa, että muualla ja muista raaka-aineista valmistettu butanoli olisi kestävyyskriteereiltään ja kustannuksiltaan yhtään parempi kuin amerikkalainen vastineensa, jonka energiantakaisinmaksukerroin liikennepolttonesteenä oli lähellä yhtä eli ei juurikaan tuota energiaylijäämää.

Suomalaisessa keskustelussa ei yleensä pohdita biopolttoaineiden energiantakaisinmaksukerrointa, vaikka se on kenties tärkein mittari arvioitaessa vaihtoehtoisten polttoaineiden kestävyyttä. Esimerkiksi Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtiin viime vuonna professori Esa Vakkilaisen ohjauksessa diplomityö nimellä Biopolttoaineiden ongelmat, mutta itse työssä ei käsitelty lainkaan sitä, että minkälainen energiaylijäämä (tuotetun polttoaineen sisältämän ja tuotantoon käytetyn energian erotus, EROI) 2. sukupolven biopolttoaineilla on. Kansainvälisesti tästä asiasta on keskustelu jo vuosia (esim. täällä raportti jo vuodelta 2011), joten Suomessakin on ollut aikaa asiaan herätä. Eikö kiusallisesta asiasta haluta keskustella vai miksi keskustelu loistaa poissaolollaan? Jos EROI on esimerkiksi tuon amerikkalaisen tutkimuiksen mukainen 1,5 biobutanolille, niin saadakseen yhteiskunnan käyttöön nettona 50 energiayksikköä biobutanolia tarvitaan 150 yksikköä energiaa bruttona. Tilastoista luemme tällöin, että energiaa on tuotettu 150 yksikköä, mutta todellisuudessa yhteiskunta sai tästä toimintansa pyörittämiseen vain 50 yksikköä. CO2-päästövähenemä 50 % biopolttoaineella voi kuulostaa suurelta, mutta tämä tarkoitti tutkitulla amerikkalaisella biobutanolilla EROI-luvun arvoa 1,5. Näin alhainen luku kielii siitäkin, että kyseisen polttoaineen tuotantokustannus on hyvin herkkä fossiilisen energian kallistumiselle, jos mitään tukia ei saada, koska yli 85 % globaalista energiankulutuksesta katetaan fossiilisella energialla (BP 2015). Biopolttoaineiden alhainen EROI onkin haaste erityisesti silloin, kun energia ylipäätään kallistuu (halvan öljyn tuotanto laskee, ilmastonmuutoksen hillintä otetaan vakavasti, halutaan siirtyä tuontipolttoaineista kotimaiseen energiaan....) ja/tai biopolttoaineilla korvataan paljon fossiilisia polttoaineita.

Edellinen kappale oli kenties hiukan abstaktia asiaa, joten käytännönläheinen perunaesimerkki voi selventää asiaa. On aiva eri asia viljellä perunaa, jos siemenperunaa kohti saa 1,5 perunaa sadoksi (EROI=1,5) tai 15 perunaa satona (EROI=15). Niin ikään on aikalailla sama, jos harrasteviljelijä saa 1,5 perunaa sadoksi per siemenperuna, jos varsinainen elanto tehdään muualla (palkkatöissä). Mutta perunanviljelijälle on iso merkitys sillä, että kuinka monta perunaa tulee satoa per siemenperuna. Jos perunasato laskee 15 perunasta puoleentoista per istutetu peruna, niin perunanviljelijä todennäköisesti tekee konkurssin. Harraste-perunanviljelijä vertautuu yhteiskuntaan, jossa vain pieni osa energiasta tuotetaan alhaisen EROI:n biopolttoaineilla ja korkean EROI:n fossiiliset polttoaineet subventoivat alhaisen energiaylijäämän polttoaineita. Mutta jos halutaan fossiilisista polttoaineista eroon, niin silloin harraste-perunanviljely muuttuu ammattimaiseksi, eli fossiilinen korkean ylijäämän energia ei enää subventoi alhaisen energiaylijäämän biopolttoaineita. Miten suuri rooli biopolttoaineille fossiilienergian korvaamisessa halutaan, on mahdollista ja kestävää?

P.S. Jos perunanviljelijät tuottavat tilastojen mukaan 15 yksikköä perunaa, niin emme tiedä, että onko noiden perunoiden tuottamiseen vaadittu 10 vai yksi yksikköä siemenperunaa eli onko "EROI" 15 vai 1,5. Tämä sama pätee energian tilastointiin. Jos öljyä tuotetaan vaikka 90 miljoonaa tynnyriä päivässä, niin tilastoista ei voi nähdä, että montako öljytynnyriä energiaa tarvitaan päivässä, että saadaan tuo 90 tynnyritä tuotettua. Aivan samoin, jos tilastoidaan, että on tuotettu 1,5 miljoonaa päivätynnyriä vastaava määrä biobutanolia, jonka tuottamiseen vaadittiin miljoona päivätynnyriä fossiilista energiaa (EROI=1,5), niin tuota energiaa ei vähennetä tuotetusta fossiilisesta energiasta. Tämä voi osoittautua ongelmaksi, mikäli energiantuotannon keskimääräinen EROI laskee.

Lähteet

1. The use of lignocellulosic biomass for fermentativebutanol production in biorefining processes. Väitöskirja. Ming Yang, 2015.
2. Energy, EROI and quality of life. Energy Policy 64:153–167. Jessica G. Lambert et al., 2014.
3. Techno-economic analysis and life-cycle assessment of cellulosic isobutanol and comparison with
cellulosic ethanol and n-butanol. Biofuels, Bioprod. Bioref. 8:30–48. Ling Tao et al., 2013. 

Muut lähteet linkkeinä.

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti