Biopolttoaine
Biopolttoaine on biomassasta eli eloperäisestä aineesta valmistettu polttoaine; Biopolttoaineesta saatavaa energiaa kutsutaan bioenergiaksi. Biomassaa voidaan kuivata ja polttaa sellaisenaan tai siitä voidaan jalostaa polttoainetta kuten bioetanolia tai biodieseliä. Liikenteen biopolttoaineiden valmistukseen kasvatetaan erityisesti maissia, sokeriruokoa ja öljypalmua.
Biopolttoaineita luokitellaan yleensä sukupolvittain: ensimmäisen sukupolven biopolttoaineissa käytetään tavallisesti elintarviketuotantoon soveltuvia raaka-aineita, kuten maissia tai sokeriruokoa. Toisen sukupolven polttoaineiden raaka-aineena käytetään pääasiassa jätettä, jossa on korkea lignoselluloosapitoisuus. Tällaisia ovat muun muassa hakkuujätteet ja puupurkutavara. Myös elintarviketeollisuuden jätteitä voidaan hyödyntää toisen sukupolven biopolttoaineeksi.
Euroopan unioni sopi vuonna 2007 niin sanotut 20–20–20-tavoitteet, joiden yhtenä osana pyritään lisäämään biopolttoaineiden osuus 10 prosenttiin liikenteen polttoaineista vuoteen 2020 mennessä. EU-parlamentti käsitteli tammikuussa 2018 useita energia-alan lakipaketteja, joilla linjattiin EU:n toimet energia- ja ilmastopolitiikassa vuoteen 2030 saakka. Liikenteen biopolttoaineista parlamentti linjasi äänestyksessään sen puolesta, että vuonna 2030 vähintään 12 prosenttia liikenteen energiakulutuksesta kussakin jäsenmaassa täytyy kattaa uusiutuvilla energialähteillä kuten biopolttoaineilla. Palmuöljypohjaiset biopolttoaineet parlamentti näkee kuitenkin haitallisina ympäristölle.
Biopolttoaineiden raaka-aineet voivat olla peräisin muun muassa metsästä, maataloudesta tai lannasta, tai ne voivat olla jätettä kuten yhdyskunta-, maatalous- tai prosessiteollisuuden jätettä. Suomessa merkittävin bioenergian muoto on sellun valmistuksen sivutuotteena syntyvä jäteliemi, mustalipeä, joka koostuu puusta sellunvalmistuksen yhteydessä irronneista aineista sekä keittokemikaaleista.
Raaka-ainetta voidaan polttaa suoraan tai sitä voidaan käsitellä termisesti tai biokemiallisesti bakteerien avulla. Biomassan suora poltto on tavallista voimalaitoksissa ja polttopuuna.
Kaasuttamalla biomassaa saadaan synteesikaasua, jota voidaan puhdistamisen ja mukauttamisen jälkeen polttaa sinällään sähkön-/lämmöntuotantoa varten. Puukaasua voidaan myös jalostaa liikennepolttoaineeksi ja kemiallisiksi raaka-aineiksi. Terva on yksi suurimmista puukaasun ongelmista, sillä sen puhdistaminen puukaasusta on vaikeaa. Monet yritykset pyrkivätkin kehittämään prosesseja, joilla terva saataisiin pois kaasusta.
Biokemiallinen käsittely on tyypillinen bioetanolin ja biokaasun valmistuksessa: bioetanolin valmistuksessa hyödynnetään alkoholikäymistä, kun taas biokaasua tuotetaan anaerobisella hajoamisella.
Ensimmäisen ja toisen sukupolven biopolttoaineille ei sinällään ole tarkkaa vakiintunutta määrittelyä, mutta ne luokitellaan tavallisesti niin, että ensimmäisen sukupolven biopolttoaineet tehdään elintarviketuotantoon kelpaavasta raaka-aineesta, kun taas toisen sukupolven biopolttoaineet tehdään tavallisesti lignoselluloosapitoisesta jätteestä. Tällöin polttoaineentuotanto ei kilpaile suoraan ruoantuotannon kanssa samasta raaka-aineesta.
Toisen sukupolven biopolttoaineiden valmistus perustuu lähes kokonaan biomassan kaasutukseen. Raaka-aine on tavallisesti lignoselluloosaa.
Renewables Global Raport 2010 -raportin mukaan vuonna 2009 bioetanolia tuotettiin maailmassa 76 mrd. litraa. Tästä lähes 90 prosenttia tuotettiin Yhdysvalloissa ja Brasiliassa. Biodieseliä tuotettiin vastaavasti 16,6 mrd. litraa, josta EU:ssa tuotettiin puolet.
Biodieselin suurimmissa tuottajamaissa Saksassa ja Ranskassa tuotettiin vuonna 2009 30 prosenttia maailman biodieselistä. Maissista tuotettiin yli puolet maailman bioetanolista ja sokerijuurikkaasta yli kolmannes.
Peltobiomassat koostuvat pelloilla tai soilla kasvatetuista energiakasveista tai niiden osista. Peltobiomassaksi soveltuvat muun muassa ruokohelpi, öljykasvit ja viljakasvien osat kuten olki. Näitä voidaan käyttää polttoaineena sinällään tai niistä voidaan jalostaa kiinteitä tai nestemäisiä polttoaineita.
Puuperäisiä polttoaineita ovat muun muassa halot, hakkuujäte ja puupelletit sekä erilaiset purut ja lastut. Myös kemiallisessa metsäteollisuudessa sivutuotteena syntyvä mustalipeä luetaan puuperäiseksi polttoaineeksi.
Etenkin paperiyhtiöt ovat kiinnostuneita tekemään biopolttoainetta metsien hakkuujätteistä. Hakkuujätteen ongelma on kuitenkin heterogeenisuus: siinä on paljon ravinteita kuten typpeä ja fosforia, jotka aiheuttavat ongelmia jalostuksessa myöhemmin. Etenkin puun lehdet, neulaset ja kuori ovat ongelmallisia. Hakkuujätteestä voidaankin arvioiden mukaan tehdä biopolttoaineita laajassa mittakaavassa vasta 2010-luvun loppupuolella.
Turvetta käytetään polttoaineena voimalaitoksissa. Kasvihuonekaasulaskelmissa turve luetaan fossiiliseksi polttoaineeksi.
Kierrätyspolttoaineet ovat jätettä, joka soveltuu energiantuotantoon. Kierrätyspolttoaineita poltetaan usein voimalaitoksissa yhdessä turpeen tai hiilen kanssa.
Bioetanolia voidaan käyttää bensiinin tavoin, ja sitä voidaan valmistaa esimerkiksi sokerijuurikkaasta, viljasta, selluloosasta tai jätteiden biologisesti hajoavista osista. Bioetanolin käyttö sellaisenaan moottoripolttoaineena on vähäistä teknisten ongelmien, kuten polttomoottorien kylmäkäynnistysongelmien vuoksi, mutta sitä käytetään paljon seosaineena esimerkiksi E85:ssä.
Ensimmäisen sukupolven biodiesel on tyypiltään pääasiassa RME:tä tai FAME:a. Laadultaan dieselöljyä vastaavaa metyyliesteriä (RME) saadaan öljykasveista kuten rypsistä. Biodieseliä voidaan valmistaa myös käytetystä uppopaistorasvasta ja eläinöljystä (FAME). Biodieseliä voidaan käyttää sellaisenaan normaalin dieselin sijasta dieselautoissa, jos polttoainejärjestelmässä on käytetty biodieseliä kestäviä tiivisteitä. Yhdestä hehtaarista rypsiä saadaan 500–1 000 litraa biodieseliä vuodessa riippuen satomääristä. Rypsissä öljyä on noin kolmannes, rapsissa jonkun verran enemmän.
Biodieselin vaihtoesteröintiin tarvitaan metanolia tai etanolia, sekä hiukan lipeää. Tuotteeksi tulee biodieseliä ja glyserolia. Biodieseliä voidaan tuottaa hyvin yksinkertaisilla laitteilla suoraan maatiloilla tai kotitalouksissa. Suurempia, muun muassa FT-prosessiin perustuvia jalostusmenetelmiä on kehitteillä.
Aivan uusi aluevaltaus biodieselin valmistuksessa ovat suunnitelmat tehdä biodieseliä metsäteollisuuden puuperäisestä biomassasta. Eräs jo kaupallisen starttinsa nähnyt puubiomassan käyttötapa on hyödyntää sellunkeiton ohessa syntyvä mäntyöljy biodieselinä. Ruotsin Piitimessä käynnistyi vuonna 2010 maailman ensimmäinen mäntyöljyä biodieseliksi jalostava tuotantolaitos Sunpine Ab toimesta. Biodieselin kuluttajajakelijana toimii huoltoasemaketju Preem.
Biokaasulla voidaan korvata maakaasua lämmitys- ja liikennekäytössä. Sitä tuotetaan vesilaitosten ja kaatopaikkojen kaasuista, maatalouden biojätteistä ja vihreästä biomassasta. Tuotanto tapahtuu suurehkoissa lämpöeristetyissä reaktoreissa metaanibakteerien aiheuttaman mätänemisen avulla.
Kasviöljy on öljykasveista puristamalla, uuttamalla tai vastaavalla tavalla tuotettu öljy, joka voi olla jalostamatonta tai jalostettua. Se ei kuitenkaan ole kemiallisesti muunneltua, sillä edellytyksellä, että se soveltuu moottorin tyyppiin ja täyttää päästöjä koskevat vaatimukset. Tätä polttoainetta voidaan käyttää pienellä osuudella dieselmoottoreissa, suurempi osuus vaatii polttoainejärjestelmään kohtuullisen edullisen muunnossarjan asennuksen.
Puuta kaasuttamalla voidaan tuottaa puukaasua. Puukaasuttimissa pystytään hyödyntämään jätepuuta, joka ei kelpaa teollisuudelle, sekä muun muassa sahausjätteitä. On mahdollista käyttää myös palaturvetta polttoaineena. Puukaasua käyttävillä häkäpöntöillä on korkea energiahyötysuhde (65–80 prosenttia) verrattuna muihin biopolttoaineisiin.
Biomassasta tai jätteiden biologisesti hajoavista osista voidaan myös valmistaa:
Biometanolin pohjalta voidaan edelleen valmistaa ETBE:tä ja MTBE:tä, joita käytetään parantamaan polttoaineiden eri ominaisuuksia.
Biopolttoaineille on asetettu yhä kovempia paineita ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Arvioitaessa biopolttoaineiden ympäristövaikutuksia tulee kuitenkin arvioida niiden koko elinkaarta; esimerkiksi VTT:n mukaan monien ensimmäisen sukupolven biopolttoaineiden raaka-ainetuotanto viljelemällä kuluttaa enemmän energiaa kuin mitä polttoaineista saadaan.
Jotta biopolttoaineiden tuotanto olisi kestävän kehityksen mukaista, niille ollaan kehittämässä EU:ssa ns. kestävyyskriteereitä, joissa tuotantoa arvioidaan ympäristöllisistä, taloudellisisista ja sosiaalisista näkökulmista. Nämä jakautuvat edelleen eri näkökulmiin. Kestävyyttä on kuitenkin vaikeaa mitata yksiselitteisesti ja sen arviointikin on erittäin haastavaa, sillä tuotannon kestävyys riippuu voimakkaasti valitusta näkökannasta ja tehdyistä oletuksista. VTT:n mukaan onkin mahdollista, että biopolttoaineille ei voida luoda yksinkertaistettuja kriteerejä, joita seuraamalla niiden tuotanto olisi kestävää.
Sinänsä biopolttoaineiden raaka-ainetuotanto ei ole muuta maa- tai metsätaloutta haitallisempaa, mutta merkittävä tuotannon lisääminen vaikuttaa maaperän, vesistöjen ja ilman laatuun; samoin tietyillä alueilla lisääntyvä biopolttoaineiden tuotanto voi uhata alueen biodiversiteettiä ja veden riittävyyttä.
Mitattaessa biopolttoaineiden ilmastovaikutusta keskeinen tekijä on biomassan uusiutumisnopeuden ja ilmastonmuutoksen hillinnän tavoitteiden välinen suhde. Ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi ilmakehän kasvihuonekaasujen pitoisuus pitäisi vakauttaa alhaiselle tasolle mahdollisimman pian. Kuitenkin mitä hitaampaa biomassa on uusiutumaan, sitä tehottomampaa on sen käyttö ilmastonmuutoksen hillinnässä.
Polttoaineiden ilmastovaikutukset riippuvat merkittävästi myös ns. epäsuorista vaikutuksista, joita aiheuttavat kilpailu muun muassa raaka-aineista ja tuotantoalasta. Pahimmillaan ne voivat johtaa trooppisten sademetsien tuhoutumiseen tai runsaspäästöisten raaka-aineiden käyttöönottoon käyttökohteissa, jotka kilpailevat biopolttoaineiden kanssa. Esimerkiksi jos aiemmin ruuantuotantoon käytetty pelto valjastetaan biodieselin raaka-ainetuotantoon, saatetaan ruuantuotantoon valjastaa sademetsäalueita.
Poliittisten ja ympäristötavoitteiden asettamista vaikeuttaa muun muassa se, että kehitteillä olevista teknologioista on saatavilla huonosti tietoa. Myös monet biopolttoainetuotannon konkreettiset ympäristövaikutukset, kuten biomassan tuotannon ja korjuun vaikutukset maaperään, tunnetaan huonosti.
EU:n ympäristökomissaari Stavros Dimasin mukaan biopolttoainetavoitteen aiheuttamat sosiaaliset ja ympäristöongelmat ovat olleet suurempia kuin alussa kuviteltiin. EU onkin luomassa biopolttoaineiden sertifiointijärjestelmää, joka takaisi polttoaineiden kestävän tuotannon. Palmuöljydieselin kaltaisten polttoaineiden tuontia ei sinällään olla kieltämässä, vaan pelkästään vaatimukset täyttävät biopolttoaineet lasketaan mukaan EU:n asettamiin kansallisiin tavoitteisiin. Lisäksi vain tällaisille polttoaineille voidaan myöntää esimerkiksi verohelpotuksia.
Suomen ainoa energian ympäristömerkki, Ekoenergia, rajaa kestävän bioenergian piiristä pois mm. kannot ja juurakot.
”Juurakot sitovat maaperää ja estävät humuksen ja ravinteiden kulkeutumista vesistöihin. Kannot toimivat metsässä pitkään hiilivarastona niiden hitaan lahoamisen vuoksi ja turvaavat metsäluonnon monimuotoisuutta tuomalla lahopuuta monien eliöiden tarpeisiin. Näiden syiden vuoksi kantoja ja juurakoita ei lasketa mukaan Ekoenergia-merkityn sähkön polttoaineeksi”, perustelee Suomen luonnonsuojeluliitto kriteerien tiukentumista.
Ekoenergia-merkintä on julkaisemassa osana eurooppalaisen RES-E-standardin kriteerejä kattavammat bioenergian kestävyyskriteerit vuonna 2012.
Helsingin yliopiston Ympäristömuutoksen professori Atte Korholan mukaan ruuan käyttäminen biopolttoaineena aiheuttaa pulaa sekä ruuasta että puhtaasta juomavedestä, koska viljelyksiä pitää kastella. Hänen mukaansa olisi kokonaisuuden kannalta järkevämpää muuttaa viljelykset metsiksi, koska puut sitovat itseensä huomattavia määriä hiilidioksidia, joka aiheuttaa kasvihuoneilmiötä. Bioetanolihuuma ja Euroopan poikkeuksellinen sää ovat nostaneet viljan hintaa rajusti.
Maailmanpankin mukaan biopolttoaineet ovat aiheuttaneet jopa 75 prosenttia ruuan hinnannoususta vuosina 2002–2008. Polttoaineprosessien kilpailun lisäksi keinottelu on lisännyt viljan hintaa. Peltopinta-alaa on jätetty kesannolle ja spekulaatio kallistuvilla hinnoilla on johtanut hintakierteeseen. Viljan kallistuminen on vienyt maailmanlaajuisesti noin 100 miljoonaa ihmistä lisää köyhyysrajan alapuolelle
Britannian Royal Academy of Engineering 2017 raportin mukaan ruokakasveista tehdyn biodiiselin ilmastopäästöt ovat ylittäneet korvattavan fossiilipolttoaineen päästöt ja biodiesel tuotantoon viljeltävät kasvit ovat lisäänneet metsäkatoa, turvemaiden kuivatusta ja veden, lannotteiden ja pesitisidien käyttöä ja heikentäneet biodiversiteettiä
Biopolttoaineet ovat pääasiassa uusiutuvia energianlähteitä, ja ne vapauttavat poltettaessa sen hiilidioksidimäärän joka raaka-aineeseen sitoutui sen syntyessä. Biopolttoaineita voi tuottaa myös muista kuin elintarvikkeiksi kelpaavista raaka-aineista. Esimerkiksi metanolia voi tuottaa puusta.
YK:n ympäristöohjelma UNEP kehottaa varovaisuuteen ekologisissa kysymyksissä, mutta kannattaa uusiutuvien polttoaineiden kehitystä rauhallisesti edeten. Yhdysvaltain hallituksen laskelmien mukaan kasveista valmistetut biopolttonesteet olisivat lisänneet ruuan hintaa vain marginaalisesti: osuus noususta olisi kolme prosenttia.
Ruuan hinnan nousun tärkeänä osasyynä on lannoitteiden hinnan nouseminen. Lannoitteiden hinnat ovat kolminkertaistuneet välillä 2004–2008. Tärkeimmän lannoitteiden komponentin ammoniumnitraatin energiasisältö on merkittävä; kilo nitraattia vastaa noin 1,4 kg öljyä. Valmistusprosessissa käytetään valtaosin maakaasua, jonka hinta on huimassa nousussa.