• Energy Research
• Finnish close
• VTT Research Information System close

Tässä raportissa on esitelty energiajärjestelmän ja sen ympäristövaikutusten mallintamisväline EFOM-ENV sekä Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa (VTT) Suomea varten laaditun mallin perusversio. EFOM-ENV-ohjelmistolla laaditut mallit ovat laajassa kansainvälisessä käytössä, ja Euroopan yhteisössä ne ovat saaneet tärkeän aseman vertailukelpoisia tuloksia tuottavina yhteistyömalleina. Tämä on ollut yksi syy mallin käyttöönottoon Suomessa. EFOM-ENV-malli on dynaaminen lineaarinen optimointimalli. Järjestelmämallina se tarjoaa monipuoliset mahdollisuudet analysoida edullisimpia keinoja energian tuotannon ja käytön aiheuttamien päästöjen vähentämiseksi. Mallin rakenne sallii kaikentyyppisten päästöjen käsittelyn, mutta käyttökelpoisimpia tuloksia saadaan laajalle leviävien kaasumaisten päästöjen tarkasteluissa, joihin tässä työssä on rajoituttu. Rakenteellisten muutosten, tekniikan kehittymisen ja energian käytön tehostamisen mahdollisuudet voidaan mallissa ottaa huomioon, mikä on tärkeää tiukkoja päästötavoitteita analysoitaessa. Mallin avulla rikin ja typen oksidien sekä hiilidioksidipäästöjen yhtaikaisen rajoittamisen tarkastelu on vaivatonta. Mallin tulokset kuvaavat energiajärjestelmän ja päästönvähennystoimenpiteet, joilla edullisimmin saavutetaan asetetut päästötavoitteet tarkasteluaikavälillä. Raportin tarkoituksena on antaa hyvä yleiskuva EFOM-ENV-mallien käytöstä. Mallien yksityiskohtia on esitelty melko laajasti niiden ilmaisukyvyn ymmärtämisen helpottamiseksi. Erityistä painoa on pantu mallien käyttömahdollisuuksien ja rajoitusten analysointiin. Raportissa kuvataan Suomen EFOM-ENV-mallin erityispiirteet ja sen keväällä 1991 valmistuneen perusversion käytöstä saatuja kokemuksia. Käyttökokemukset ovat olleet pääosin hyviä, mutta mallin kehittäminen jatkuu. Perusmalli ei vielä sisällä kaikkia järjestelmän rakenteellisia vaihtoehtoja, eikä siinä käytettyjä parametreja ole kaikin osin vielä huolellisesti analysoitu. Saatujen tulosten tarkasteluun ei siksi ole tässä raportissa pantu suurta painoa.

Projekti on osa Ympäristöklusterin kolmannen ohjelmakauden 2003-2005 "Ekotehokas Yhteiskunta" tutkimusohjelmaa. Rakennuskannan koon kasvu ja laatutason nosto lisäävät energiankulutusta enemmän kuin mitä poistuvaa rakennuskantaa energiatehokkaampi uudistuotanto ja energiansäästötoimenpiteet vähentävät. EKOREM-mallilla laskettu asuin- ja palvelurakennusten hyötylämmitysenergian sekä talous- ja kiinteistösähkön yhteiskulutus kasvaa vuoden 2000 arvosta 77 TWh/a vuoden 2010 arvoon 81 TWh/a eli 5 % kymmenessä vuodessa. EKOREM-mallin laskelmien mukaan asuin- ja palvelurakennusten aiheuttamien kasvihuonekaasupäästöjen määrä oli vuonna 2000 19,2 milj. tonnia CO2-ekv. Vuonna 2010 päästömäärän on arvioitu olevan 20,4 milj. tonnia CO2-ekv eli kasvua olisi 10 vuodessa 6 %. Vuonna 2010 asuin- ja palvelurakennusten aiheuttamista kasvihuonekaasupäästöistä tulee noin neljäsosa huoneisto- ja kiinteistösähkön käytöstä, toinen neljäsosa lämmityssähkön käytöstä, reilu neljäsosa kaukolämmön käytöstä ja viidesosa lämmitysöljyn käytöstä. Tuotantorakennusten aiheuttamat vastaavat kasvihuonekaasupäästöt voi arvioida vai karkeasti. Niiden suuruusluokaksi on saatu 7 milj. tonnia CO2-ekv vuonna 2010.

Julkaisu on osa laajempaa tutkimusta "Suomen energiantuotannon elinkaaritiedot -projekti" (SEEP). Polttoaineiden varastointi käsitellään erillisenä raporttina, samoin polttoaineiden hankinta ja jalostus, loppukäyttöenergian tuotanto ja loppukäyttöenergian siirto. Executive Summary -raportissa esitetään erillis-raporttien keskeiset tulokset. Tässä raportissa käsitellään polttoainevarastoinnin ja -kuljetuksien ympäristö-tietoja. Polttoaineista saatiin varastoinnin osalta SEEP-kyselyssä tietoja polttoöljystä, kivihiilestä, turpeesta sekä puupolttoaineesta. Tarkasteltuja tietoja ovat varastoinnista aiheutuvat kiinteät jätteet, päästöt ilmaan ja veteen sekä epäsuorasti vaikuttava varastoinnin oma energiankäyttö. Aihetta on raportissa käsitelty pääosin SEEP-tuottajakyselyn vastausten pohjalta. Varastointi- ja kuljetustavoista on tehty muutamia oletuksia ja yhdenmukaistuksia yhtenäisen kuvan luomiseksi, eli kaiken polttoaineen (polttoainejaottelun sisällä) on oletettu läpikäyvän samat varastointivaiheet ja käyttävän samaa kuljetus-välinettä, kuljetusmatkat taas on otettu huomioon siirtyvällä polttoainemäärällä painotettuina keskiarvoina. Lopullisessa tietokannassa käytettävät kuljetus-prosessit on esitetty Polttoaineketjut-raportissa. Ongelmana raportin laatimisessa on ollut tiedon puute. Tuottajakyselyyn vastanneiden huono polttoainevarastoinnin ympäristövaikutusten tuntemus yllätti yleisyydellään, samoin paikkaavan tiedon huono saatavuus. Täydentävien tietojen lähteistä merkittävin on sveitsiläinen "Ökoinventare fr Energiesysteme" -tietokanta.

Haastattelujen ja seurantamittausten avulla on tutkittu Forssan Paavolan vuoden 1982 asuntomessualueen 31 asunnon energiankulutusta ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Energiankulutuksen lisäksi on paneuduttu asuntojen laitetekniikan käyttöön sekä viihtyisyyteen. Tutkimuksen tulosten saattamiseksi vertailukelpoisiksi messualueen hyvin erilaisten taloratkaisujen kesken on tutkimuksessa kehitetty seurantamittauksiin soveltuva tase. Tutkimuksessa on melko tarkasti voitu erottaa energiankulutuksessa merkittäviä ja yleensä mitattavissa olevia tekijöitä. Tutkimuksen aiheen mukaisesti on keskitytty asumistottumusten ja tilajärjestelyn osuuteen energiankulutuksessa. Menetelmässä haetaan taseesta ne termit, joihin em. tekijöiden voidaan olettaa vaikuttavan ja verrataan eroja eri asuntojen välillä. Suurimpiin poikkeamiin pyritään löytämään selittäviä tekijöitä. Asumistottumusten vaikutusta energiankulutukseen on voitu seurata varsin konkreettisesti ja havaita selviä vaikutustekijöitä. Tässä tutkimuksessa on voitu myös kartoittaa vaikeasti havaittavaa asuntojen tuuletusta ja ilmanvaihtoa normaalissa asumistilanteessa. Tilajärjestelyjen vaikutus energiankulutukseen on vähemmän konkreettinen ja vaikeammin seurattavissa oleva tekijä. Tältä osin tutkimuksessa on paneuduttu lähinnä auringonsäteilystä ikkunoiden kautta saatavaan ilmaisenergiaan sekä eri lämpötilaisten vyöhykkeiden esiintymiseen.

The scale of energy wood procurement effects on productivity and costs of harvesting. As the harvested amounts become greater, forest fuels must be re-covered on larger geographic area. Hauling distaces become longer and residues must be gathered on less favorable areas from harvesting cost point of view. Knowledge on cost factors are needed in order to direct the harvesting to right logging sites and also in planning of operations. Selection of suitable harvesting method calls for information on the effect of conditions at the logging sites on productivity and costs. In this study, effect of cost factors on different harvesting systems are compiled. In addition to existing studies, additional time studies have been made. Harvesting systems are then compared on large geographic area.

Tutkimuksessa selvitetään nykyisten jäähdytysjärjestelmien korjausvaihtoehtoja, kun halutaan parantaa järjestelmien toimintaa ja energiataloutta. Tarkasteltavia järjestelmiä olivat ilmanvaihdon suorahöyrystysjärjestelmät, vedenjäähdytin-koneistot ja vakioilmastointikoneet. Tutkimuksessa analysoitiin nykyisten jäähdytysjärjestelmien vikoja. Ratkaisuina näihin vikoihin esitetään kaavioita vikojen paikantamiseen ja malliratkaisuja järjestelmäkaaviomuodossa korjaus-suunnitteluun. Lisäksi esitetään käytännön näkökohtia jäähdytysjärjestelmien suunnitteluun. Erityistä huomiota kiinnitetään järjestelmän mitoitukseen ja säädettävyyteen osatehoilla. Lisäksi luodaan katsaus kylmäaineiden käytön rajoituksiin ja korvaavien kylmäaineiden nykytilanteeseen. Ilmastoinnin jäähdytysjärjestelmien suunnittelun ja urakoinnin aikaiset virheet korostuvat muuta talotekniikkasuunnittelua enemmän: erityisesti suora-höyrystysjärjestelmien toteutus vaatii suurta ammattitaitoa. Suunnittelussa yleisenä virheenä on ylimitoitus ja ympärivuotisessa käytössä olevan laitoksen suunnittelu ilman talvikäyttövarustusta. Tämän seurauksena laitoksessa on kylminä aikoina käyntihäiriöitä. Urakoinnin yhteydessä tehdyistä virheistä ovat tyypillisimpiä puutteellinen koekäyttö sekä kylmäaine- ja vesiputkistossa olevat epäpuhtaudet. Korjausvaihtoehtojen käytännön soveltamisesta esitetään esimerkkejä neljässä erityyppisessä demonstraatiokohteessa. Kohteista esitetään ongelmat ja korjausmallit kustannuksineen. Mekaaninen kuumakaasuruiskutus ja lohkoihin jaettu patteri eivät säätömuotona mahdollista puhallusilman tarkkaa säätöä. Näihin järjestelmiin on järkevin säätötapa tehontarpeen ohjaus suoraan ulkolämpötilan tai poistoilman avulla. Puhalluslämpötilan säätö on mahdollista mm. elektronisella kuumakaasu-ruiskutusventtiilillä. Vedenjäähdyttimessä käytetty paluuvesisäätö ei kykene pitämään lähtevän veden lämpötilaa vakiona. Elektronisilla säätöjärjestelmillä voidaan hallita menoveden lämpötilaa paremmin kuin paluuvesisäädöllä.

Biomassan synteesikaasutuksen kehitettyjä prosesseja ovat UGAS, PEATGAS, HighTemperatureWinkler, Mino, Omnifuel ja Creusot-Loire-prosessit. Kaupallisia biomassan synteesikaasutuslaitoksia on kuitenkin tällä hetkellä toiminnassa maailmassa vain Kemira Oy:n turveammoniakkitehdas Suomessa. Prosessicn jätevesitutkimuksia käyttäen raaka-aineina puuta, turvetta ja jätteitä on tehtylaboratorio ja pilotyksiköissä sekä demonstraatiotaitoksissa. Synteesikaasutuksessa jätevesiä muodostuu biomassan kuivauksesta, kaasun jäähdytyksestä, kaasunpesusta ja jatkojalostuksesta. Jätevesien sisättämiä epäpuhtauksia ovat kiintoaine, ammoniakki, syanidi, fenoli, bentseeni ja polyaromaattiset yhdisteet. Epäpuhtauksien pitoisuuksiin jätevesissä vaikuttaa suuresti kaasutusprosessi, prosessiolosuhteet, kuten paine ja lämpötila, pesuveden määrä ja jäteveden kierrätys. Biomassan kaasutusprosessien jätevedet ovat samantyyppisiä kuin kivihiilen kaasutus ja koksaamojätevedet ja sisältävät suurelta osin samoja epäpuhtauskomponentteja, mutta eri suhteissa.Prosessien jätevedet vaativat käsittelyä ennen niiden laskemista vesistöön tai kunnalliselle puhdistamolle käsiteltäviksi tai ennen uudelleen käyttöä. Jätevesien vaatima käsittely on täysin riippuvainen jätevesien väkevyydestä, määrästä ja käyttötarkoituksesta. Myös viranomaisten vaatimukset ja päästöille annetut enimmäispitoisuudet vaihtelevat eri paikkakuntien ja eri maiden välillä. Jätevesien käsittelyynsopivia menetelmiä ovat kiintoaineksen poisto esimerkiksi sentrifugoinnilla tai suodatuksella, ammoniakin poisto höyrystrippauksella ja fenolien poisto uuttamalla sekä esikäsittelyn jälkeinen käsittely biologisella puhdistuslaitoksella.

Kestävän kehityksen tavoitteiden mukaisena asuntoalueena voidaan pitää aluetta, joka kokonaisuutena, kaikkien vaiheidensa aikana kuluttaa mahdollisimman vähän energiaa ja luonnonvaroja sekä aiheuttaa mahdollisimman vähän haitallisia päästöjä ja jätteitä. Alueen tulee myös olla asuinympäristönä hyvä sekä taloudellisesti mahdollinen. Tutkimuksessa on laadittu arviointikehikko ja laskentamalli sekä arvioitu niillä asuntoalueen koko elinkaaren aikana kulutetut energia ja materiaalit sekä aiheutuvat päästöt ja jätteet. Lisäksi on arvioitu alueen rakentamisesta ja käytöstä aiheutuvat kustannukset. Arvioinnin kohteena on neljä tyypillistä suomalaista asuntoaluetta, joista kaksi on pientalo- ja kaksi kerrostalovaltaisia alueita. Tutkimuksessa on myös arvioitu asuntoalueiden eri suunnitteluratkaisujen merkitystä kestävän kehityksen kannalta. Asuntoalueiden kokonaisenergiankulutus 40 vuoden aikana on keskimäärin 685 MWh asukasta kohden. Raaka-aineita kuluu asuntoalueella keskimäärin 136 tonnia asukasta kohden. Raaka-aineet ovat puuta lukuun ottamatta uusiutumattomia luonnonvaroja. Rakennusmateriaaleja kuluu keskimäärin 90 tonnia asukasta kohden, tiiviisti rakennetuilla alueilla vähiten. Polttoaineita kuluu keskimäärin 47 tonnia asukasta kohden. Päästöjä aiheutuu keskimäärin 156 tonnia asukasta kohden. Suurimman osan näistä muodostaa hiilidioksidi, 154 tonnia asukasta kohden. Jätteitä aiheutuu kaikkiaan 19 tonnia asukasta kohden. Asuntoalueen tuottamisesta, käytöstä ja liikenteestä aiheutuu kustannuksia keskimäärin 290 000 mk asukasta kohden. Pientaloalueilla kuluu enemmän energiaa ja polttoaineita sekä aiheutuu enemmän päästöjä ja kustannuksia kuin kerrostaloalueilla. Suurimmat erot alueiden välillä aiheutuvat liikenteestä, aluelämpöverkon häviöistä, talotyypistä ja verkostojen määrästä. Minkälainen siis on ympäristöystävällinen asuntoalue? Se voi olla kerros- tai pientaloalue ja sillä on kehittynyt lämmitysjärjestelmä. Se sijaitsee lähellä työpaikkoja ja palveluja. Se on rakenteeltaan suhteellisen tiivis, mikä mahdollistaa tehokkaan liikenne- ja teknisen huollon verkon rakentamisen sekä samalla myös säästää luonnonympäristöä. Sen suunnittelussa ja rakentamisessa on lisäksi otettu huomioon ja hyödynnetty paikalliset olosuhteet ja erityispiirteet.

Tutkimuksessa selvitettiin paineistettuun polttoon liittyvän tutkimuksen nykytilanne. Paineistamalla polttotapahtuma saavutetaan huomattavasti parempia kokonaishyötysuhteita kuin perinteisillä polttomenetelmillä. Erityisesti tarkasteltiin toimivien koelaitosten kriittisiä osia. Eräiden paineistettujen polttoprosessien vaihtoehtojen aine- ja energiataseet laskettiin erilaisille polttoaineille. Lasketuissa prosessivaihtoehdoissa käytettiin polttoaineena turvetta, kivihiiltä, kivihiili-vesiseosta ja maakaasua. Laskennalla kartoitettiin erityisesti polttoaineen kosteuden vaihteluiden vaikutusta prosessien säädettävyyteen. Simulointi suoritettiin Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa kehitetyllä KATTILA-virtauskaavioiden simulointiobjelmalla. Laitoksia saadaan paineistuksella (0,8 MPa) huomattavasti pienennetyiksi. Samalla voidaan hyvin kosteita polttoaineita käytettäessä polttolaitosten hyötysuhde saada nousemaan jopa 150 %:iin laskettuna polttoaineen tehollisesta lämpöarvosta. Näin on mahdollista saada paineistetut polttolaitokset taloudellisesti kannattaviksi. Jatkotarkastelujen perustaksi voidaan suositella erästä säädöiltään stabiilia paineistettua polttolaitosvaihtoehtoa.