[METLA Tiedote]
21.02.2000

Kokopuubiomassojen polttopuuominaisuudet ja varastointi

'Characteristics and storage of whole-tree biomass for energy'

Suomessa puun osuus primäärienergian tuotannosta oli vuonna 1998 peräti 19 % (Energiakatsaus 1999). Puun osuudesta 80 % on metsäteollisuuden prosessijätettä, jonka teollisuus itse käyttää energian tuotantoonsa. Loput 20 % muodostuu lähes kokonaan pientalojen, ensisijaisesti maatalouden käyttämästä polttopuusta. Tämä 1,1 milj. toe:n energiamäärä vastaa noin 5-6 milj. m3 puuta. Vaikka polttopuun käyttö lämmön tuotantoon kotitalouksissa onkin laskenut huimasti sotien jälkeen, on sillä edelleenkin vankka asema suomalaisessa lämmöntuotannossa. Lämpölaitosten käyttämän metsähakkeen osuus on tästä määrästä kuitenkin vain noin 10%. Kansallisen metsäohjelman tavoitteena onkin energiapuun vuotuisen käytön nostaminen 5 milj. m3 :llä vuoteen 2010 mennessä. Tavoitteen saavuttamiseksi puupolttoaineen hankinnassa tarvitaan huomattavia teknistaloudellisia ratkaisuja. Yksi hankintaan liittyvä kriittinen seikka on sen laatu ja laadun säilyttäminen.

Juha Nurmen väitöskirjassa selvitettiin kuinka varastointiaika ja –paikka, puupolttoaineen koostumus sekä puulaji vaikuttavat sellaisiin kokopuubiomassan ominaisuuksia kuvaaviin muuttujiin kuten kosteus, lämpöarvo, tiheys, tuhka pitoisuus ja kuiva-aine tappiot. Aineiston muodostivat energiapuuksi kelpaavat pieniläpimittaiset raivaus- ja harvennuspuustot sekä uudistushakkuitten hakkuutähde.

Kosteus on tärkein puupolttoainneen laatua kuvaava ominaisuus. Se vaikuttaa suoraan saatavilla olevan, tehollisen lämpöarvon suuruuteen. Sitä voidaan alentaa oikea-aikaisella rasikuivauksella, sekä rankojen ja kokopuitten varastoinnilla. Suomen vaativien talviolosuhteiden vuoksi puupolttoaineitten suurkuluttajien on säilytettävä osa polttopuustaan hakkeena. Hakken pitkitetystä varastoinnista kuitenkin seuraa korkotappioitten, työ- ja materiaalikustannusten lisäksi kuiva-ainetappioita. Näiden menetysten minimoimiseksi hakevarastot tulee pitää pieninä ja lyhytaikaisina. Tutkimuksissa havaittiin, että hakevarastojen puuaineen tulee olla mieluiten kuivaa ja vihermassatonta. On myös huomattavaa, että hakkeen iso palakoko edesauttaa kuivumista ja varastointia. Hake varastoja ei myöskään tule peittää, sillä se nostaa kustannuksia ja johtaa lisääntyneisiin kuiva-ainetappioihin.

Puupolttoaineet muodostuvat puu-, kuori- ja viheraineesta. Kasvifysiologisista syistä johtuen myös niiden kemiallinen rakenne ja alkuaine suhteet, lähinnä hiilen ja vedyn, vaihtelevat jonkin verran. Koska palamisessa vapautuva energia on peräisin nimenomman näiden kahden em. alkuaineen palamisesta havaittiin myös eri alkuperää olevien puun osien välillä lämpöarvon vaihtelua. Vaihtelua havaittiin myös puulajien kesken.

Havupuiden puuaineen lämpöarvo on lehtipuita korkeampi johtuen niiden korkeammasta ligniinipitoisuudesta. Tutkimuksessa havaittiin myös, että lämpöarvo selittää hyvin pieniläpimittaisten havupuiden selluloosapitoisuutta. Teollisuudelle raaka-aineksi kelpaamattoman kuoren lämpöarvo on puuainetta korkeampi. Kuoren lämpöarvojen erot havaittiin tutkimuksissa puulajien kesken suuriksi. Lehtipuilla korkeasta uuteainepitoisuudesta johtuen lämpöarvot ovat havupuita korkeammat.

Kokopuusta tehdyn polttohakkeen energiasisältö määräytyy rungon ja oksien suhteellisen massan perusteella. Kuinka paljon puissa on oksamassaa riippuu metsikön käsittelystä. On erityisen huomattavaa, että puunosien välisistä eroista huolimatta kokopuusta tehdyn polttopuun lämpöarvot ovat kaikilla puulajeilla massayksikköä kohti laskettuna lähes saman suuruiset.

Oksien heikoista puuteknisistä ominaisuuksista johtuen ne eivät kelpaa teollisuuden raaka-aineeksi. Kuitenkin niiden reaktiopuurakenne, korkea uuteainepitoisuus ja suuri kuoren osuus johtavat rungon vastaavia lämpöarvoja korkeampiin lukemiin. Lisäksi oksineen korjattu puu antaa noin 20 % suuremman kuivamassaan kertymän kuin rankoja korjattaessa. Tällä hetkellä Suomessa eniten mielenkiintoa herättävä puupolttoaine lähde onkin runsaasti oksamassaa sisältävät uudistusalojen hakkuutähteet. Niitä on runsaasti tarjolla ja niiden etuna pieniläpimittaiseen raivauspuuhun verrattuna on helppo talteenotto. Sääolojen salliessa hakkuutähteen kosteuden havaittiin laskevan palstalla alle 30 %:iin. Kuivatuksella saavutettu laadun parannus tulee säilyttää keräämällä tähteet talteen kuivatuksen päätteeksi suuriin tienvarsivarastoihin. Näin meneteltäessä ravinteikas vihermassa jää palstalle eikä välivarastoon tai siirry lämpölaitokselle polttoon. Mikäli ekologiset kriteerit ei vaadi neulasten karistamista palstalle, voidaan tähteet korjata myös tuoreina. Tällöin pastalta saatava kertymä on kolmanneksen suurempi. Kostean polttopuun hyödyntäminen kuitenkin asettaa lämpölaitokselle omat vaatimuksensa.

Metlan uusi 5 vuotinen tutkimushanke: Hakkuutähteen talteenotto osana metsätaloutta

Tutkimushankkeen tavoitteet

Hanke selvittää monitieteellisin keinoin hakkuutähteestä saatavan biopolttoainneen laadun hallintaa eri talteenottoketjuissa; antaa luotettavan ja yleistyskelpoisen kuvan hakkuutähteen talteenoton vaikutuksista maanmuokkaukseen, metsänviljelyyn, uudistamistulokseen ja taimikon alkukehitykseen ja metsämaan ravinteisuuteen ja puuntuotoskykyyn; selvittää talteenoton vaikutusta mäntypistiäisten esiintymiseen ja kuusen hakkuutähteen seassa olevien tyveysten merkitystä juurikäävän leviämiselle; sekä selvittää uudistamisen yhteydessä ilmeneviä taloudellisia arvoja lähinnä yksityisen metsänomistajan.

Tutkimushankkeen aihejako

Hakkuutähteestä saatavan puupolttoaineen laadunhallinta
Hakkuutähteen talteenotto ja metsänuudistaminen
Hakkuutähteen vaikutus metsämaan ravinteisuuteen ja tuotoskykyyn
Uudistusalojen kuusirunkojen tyveykset juurikäävän levittäjinä
Hakkuutähteen talteenoton taloudelliset vaikutukset metsänomistajan kannalta

Yhteydet muihin hankkeisiin, koti- ja ulkomainen yhteistoiminta

Hanke toimii yhteistyössä VTT Energian, Fortum Oyj:n, StoraEnso Oyj:n ja UPM-Kymmene Oyj:n kanssa. Hanke saa rahoitusta metsäntutkimuslaitoksen lisäksi Tekeksetä. Osahanke muodostaa myös osan Suomen panoksesta International Energy Agency:n (IEA) bioenergia ohjelmaa, EU:n COST-ohjelmaa, yhteispohjoismaista SNS-hanketta. Yhteistyossä ollaan lisäksi pohjoismaisten SkogForsk'in, NISK'in ja DFLRI'n tutkimuslaitosten kanssa.

Tulosten hyväksikäyttömahdollisuudet

Osahankkeiden kaikilla aiheilla on kysyntää käytännön metsätaloudessa, sillä hakkuutähteen talteenotto lisääntyy nopeasti. Sekä polttoaineen että metsäympäristön laatuun tullaan kiinnittämään enenevässä määrin huomiota. Tuloksia käytetään hakkuutähteen talteenoton ja metsän uudistamisen suunnittelussa, maanmuokkausmenetelmien kehittelyssä sekä metsänviljelyn koneellistamisessa. Tuloksilla on merkitystä myös tähteen talteenoton kannattavuutta arvioitaessa.

Hankkeessa toimii 9 tutkijaa ja hankeen rahoitus arvio viidelle vuodelle on 5,2 mil., josta ulkopuoleista rahaa noin 1,6 mil. mk.

Pika CV:

MML Juha Nurmi on toiminut Metsäntutkimuslaitoksen tutkijana vuodesta 1982 lähtien ja toimii tällä hetkellä Kannuksen tutkimusasemalla vanhempana tutkijana. Hänen tutkimusalaansa kuuluvat puubiomassojen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, puun korjuu ja puuteknologia. Hän on työskennellyt lukuisissa bioenergian tutkimusohjelmissa Suomessa. Hän on ollut aktiivi jäsen IEA: n (International Energy Agency) toiminnassa vuodesta 1982 lähtien mukaan lukien projektin johtajana vuosina 1989-91. Hän on myös työskennelly assistenttina Complete Tree Institute:ssa Mainen yliopistossa Yhdysvalloissa vuosina 1980-81. Tällä hetkellä Juha Nurmi on Metsäntutkimuslaitoksen bioenergian tutkimushankkeen vetäjä, sekä KTM:n ja MMM:n rahoittaman puuenergian tutkimusohjelmassa hankkeen vetäjänä.

Lisätietoja: Juha Nurmi, Kannuksen tutkimusasema (06) 874 3211

Metla Tiedotteet: http://www.metla.fi/tiedotteet/