Energy blog

 

Raaka-aineen riittävyys

Kimmo Klemola
01.01.2007

Biomassan määrästä ja hiilikierrosta: Puuta hakataan maailman metsistä 3,334 miljardia m3/vuosi. Maailman metsien kasvustossa on 359 GtC (C = hiili), josta vuosittain korjataan 1,12 GtC. Puutuotteisiin on sitoutuneena 2–8 GtC ja hiilidioksidina ilmakehään vapautuu 0,98 GtC/vuosi. Puutuotteisiin siis akkumuloituu 0,14 GtC/vuosi. Metsämaahan on sitoutuneena 787 GtC. Metsänkorjuun jälkeinen metsänkasvu on 0,9 GtC, mutta maankäytön muutokset, kuten sademetsien hakkuut laidunmaiksi ja kaupungistuminen, lisäävät hiilidioksidin määrää ilmakehässä 0,9 GtC/vuosi. Fossiilisten polttoaineiden käyttö lisää hiilidioksidin määrää 6,3 GtC/vuosi. Fossiilisten polttoaineiden jäljellä oleva määrä on noin 20 000 GtC. Valtameriin sitoutuu 1,7 GtC/vuosi. Valtamerten pohjissa arvioidaan olevan suurin osa maailman ekosysteemin hiilestä, 40 000 GtC. Ilmakehässä on hiilidioksidia 780 GtC ja määrä kasvaa 3,38 GtC/vuosi, joka vastaa noin 1,5 ppm:n CO2-pitoisuuden nousua vuodessa. Edellä olevat hiilivirrat ovat mitattavissa tai laskettavissa. Tästä taseesta jää jäljelle 2,2 GtC/vuosi, jonka lasketaan sitoutuvan metsiin ja metsämaahan. Edellä olevasta voidaan laskea, että puumassaa korjataan maailman metsistä 1,12 GtC/0,5 = 2,24 Gt k.a./vuosi (puumassassa 50 % hiiltä). [1]

”Maailman elintarviketuotantoa pitää voimakkaasti lisätä, jotta aliravitsemus vähenee samalla kun väestön ennustetaan kasvavan 50 prosentilla vuoteen 2050 mennessä. Globaali elintarviketilanne edellyttää suomalaisen maataloustuotannon ylläpitämistä. Suomelle oma maatalous on myös turvallisuuskysymys.” [2]

”Metsät kattavat noin 3,9 miljardia hehtaaria eli kolmanneksen maapallon maapinta-alasta. Maailman metsäpinta-alasta 52 prosenttia on trooppista metsää. Trooppisten luonnonmetsien häviäminen on yksi maailman suurimpia ympäristöongelmia. Tropiikin metsäkato on tällä hetkellä reilut 12 miljoonaa hehtaaria vuodessa ja se tarkoittaa, että trooppista metsää häviää noin 0,7 prosenttia vuodessa. Afrikassa ja Etelä-Amerikassa metsäala pienenee. Sen sijaan Länsi-Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa metsäala kasvaa. Metsien häviäminen ja metsien tilan heikkeneminen on johtanut myös metsien monimuotoisuuden vähenemiseen ja metsien tuottamien ympäristöpalvelujen heikkenemiseen.” [2] 

”Maapallon väestönkasvu, metsien raivaaminen muiden maankäyttömuotojen tieltä sekä polttopuun keruu ovat tärkeimmät metsien häviämisen syyt. Noin 500 miljoonan ihmisen elämän ja toimeentulon katsotaan olevan täysin riippuvaisia metsistä. Maailman ihmisistä noin neljänneksen toimeentulo perustuu jossakin määrin metsiin. Vuosittaisesta puunkäytöstä yli puolet käytetään energiantuotantoon, lähinnä ruoan valmistukseen. Puu on pääasiallisin tai ainoa energianlähde noin 40 %:lle maailman väestöstä. Metsien tuottamat ravinto- ja lääkekasvit sekä metsien merkitys maaperän suojelussa sekä ilmastollisten vaihteluitten hillinnässä ovat myös merkittäviä.” [2]

”Maailman metsävarat ovat kaikkiaan 386 miljardia m3.” ”Maailman vuosittainen raakapuun käyttö on 4,7 miljardia m3.” [2]

Paperiteollisuus ja mekaaninen metsäteollisuus käyttävät Pohjoismaissa suurimman osan korjattavasta puusta. Hakkuumäärät Suomessa ovat noin 60 miljoonaa m3 vuodessa ja puuta tuodaan lähinnä Venäjältä ja Baltian maista noin 20 miljoonaa m3 vuodessa. Kestävä hakkuumäärä on noin 65–70 miljoonaa m3 vuodessa. Suomessa puun kokonaiskäyttö siis ylittää jo nyt reilusti oman kestävän hakkuumäärän. Tähän on vaikea sovittaa laajamittaista puuraaka-aineeseen perustuvaa bioenergian lisäämistä ilman puun, bioetanolin tai biodieselin lisätuontia tai paperi- ja metsäteollisuuden alasajoa. Jotain voidaan tehdäkin. Metsiin jäävistä korjuutähteistä tehtävien ns. risutukkien määrää voidaan lisätä ja kesantopeltoja voidaan metsittää tai ottaa energiakasviviljelykäyttöön (ruokohelpi). Kestävän kehityksen, luonnon monimuotoisuuden ja maaperän köyhtymisen kannalta nämä toimet eivät kuitenkaan ole ongelmattomia.

Suomessa on metsiä FAO:n tilaston mukaan 21,935 miljoonaa hehtaaria. Käytännössä puuta jouduttaisiin tuomaan Venäjältä, joka käyttää vain pienen osan valtavasta metsäpotentiaalistaan. Venäjän metsien määrä on FAO:n tilaston mukaan 851,392 miljoonaa hehtaaria. Laskennallisesti Venäjän metsistä voitaisiin hakata yli 2500 miljoonaa m3, kun hakkuumäärä vuonna 2000 oli 116,2 miljoonaa m3. Varsinkin Venäjän ja myös Kanadan metsävarat ovat luoksepääsemättömillä erämailla, joten niiden laajamittainen hyödyntäminen on vaikeaa. Metsät ovat myös hiilinieluja eikä maailman metsiä käytännössä voida enää hyödyntää kestävästi merkittävästi nykyistä enempää. Metsien teollinen käyttö vaikuttaa myös metsien monimuotoisuuteen. Suomi hakkaa puuta erittäin tehokkaasti. Jos koko maailman metsiä hakattaisiin Suomen metsien tavoin, maailman metsien hakkuut olisivat lähes kolme kertaa nykyistä suuremmat. Tämä ei ole kestävästi mahdollista.

Pohjois-Amerikka (Yhdysvallat ja Kanada) voisi laskennallisesti tuplata hakkuumäärät ”kestävästi”. Lisähakkuita voisi olla 734 miljoonaa m3 vuodessa.

EU-15:ssa metsiä on FAO:n tilaston mukaan 115,685 miljoonaa hehtaaria. Kestävä vuosittainen hakkuumäärä on 344 miljoonaa m3. Vuonna 2000 arvioitu hakkuumäärä oli 308,426 miljoonaa m3, joten hakkuumäärää voidaan nostaa kestävästi vain 36 miljoonalla m3:lla. Käytännössä EU-15 ei siis voi parantaa energiaomavaraisuuttaan puuenergian avulla luopumatta osasta metsäteollisuutta.

Ruotsi on lisäämässä kiinteää polttoainetta käyttäviä biopolttoainelaitoksia niin, että suunnitteilla olevien laitosten tarvitsema puumäärä vastaa 10 prosenttia koko Ruotsin paperi- ja selluloosateollisuuden tarpeesta. Lisääntyvä bioenergiakäyttö aiheuttaa ongelmia, kun teollisuus joutuu kilpailemaan raaka-aineista energiantuottajien kanssa.

On arvioitu (Lynd), että Yhdysvalloissa käytettävissä oleva vapaa peltomaa pystyisi tuottamaan 14–28 % maan liikennepolttoainetarpeesta. Tämäkin laskelma perustuu ylioptimistiseen 21 t/ha vuotuiseen biomassan tuotantoon. Runsaalla lannoitteiden ja kasvintorjunta-aineiden käytöllä sekä keinokastelulla maissinviljelyssä päästään hyvällä peltomaalla 15 tonnin hehtaarisatoon. Hyödynnettävissä olevan jätebiomassan määrä Yhdysvalloissa on arvioitu olevan 186 miljoonaa kuivatonnia, josta saataisiin 20 miljardia gallonaa etanolia eli 6 % USA:n öljynkulutusta vastaava määrä.

USA:ssa fotosynteesissä auringonvaloa pystytään valjastamaan noin 1,4 kW/ha, josta kasvi käyttää kasvuprosessiinsa noin 40 %. Vertailun vuoksi amerikkalaisten primäärienergian käyttö on noin 10 kW/ha. Mikäli koko 1,4 kW saataisiin muutettua biomassan energiaksi, hehtaarin energiatuotto olisi 44 150 MJ, mikä vastaa 2,2 kuivatonnia puuta. (Mainitulla 40 %:n kasvuhäviöllä suomalaisen metsän vuosituotoksi saadaan laskettua 3 m3 kiintopuuta eli käytännössä oikea luku.) USA:n kasvisto pystyy keräämään vuodessa 54 Q (Quadrillion British thermal units) energiaa. USA käytti vuonna 2003 energiaa 96 Q.

On arvioitu (Pimentelin ryhmä 1997), että USA:n ruoka- ja energiantarpeen tyydyttämiseksi pelkällä biomassalla peltoala tulisi 15-kertaistaa, maatalouden vedenkäyttö 30-kertaistaa ja torjunta-aineiden käyttö 20-kertaistaa. Lisäksi tämän biomassan tuottaminen ei olisi kestävällä pohjalla.

Pimentelin ja Pimentelin [3] mukaan rikkaassa maassa sähkön kulutus on henkeä kohti 10 000 kWh. Tuon sähkömäärän tuottamiseen tarvitaan 2,2 ha metsää. Kaiken kaikkiaan henkeä kohti tarvittaisiin liikennepolttoaineen ja sähkön tuottamiseen 5,9 ha metsää. Tähän täytyy vielä lisätä ruoantuotantoon, kasteluun, ravinteiden leviämisen estämiseen tarkoitettujen suoja-alueiden ym. tarvitsemat alueet. Kaiken kaikkiaan maailmassa on yhtä ihmistä kohti kuitenkin vain 1,2 ha tuottavaa maata. Jos maailman väkiluku nousee vuoteen 2070 mennessä 9 miljardiin ja tuottavan maan väheneminen saadaan pysäytetyksi, yhtä maapallon ihmistä kohti tulee olemaan vain 0,8 ha tuottavaa maata. Pimentelin laskema 2,2 ha perustuu 65 %:n hyötysuhteelle sähköntuotannossa eli CHP-laitokselle. Tyypillisen hiilivoimalan 35 %:n sähköntuotantohyötysuhteella metsää tarvitaan sähkön tuottamiseen 4,1 ha yhtä rikkaan maan asukasta kohti.

Jos energiakasveja halutaan viljellä, taloudelliselta ja ympäristön kannalta puuenergiakasvit kuten eukalyptus ja poppeli ovat järkevimpiä. Biomassan mahdollisuuksia energiantuotannossa kartoittavat laskelmat kannattaakin perustaa yksinomaan puuenergian käytölle. Toisaalta Patzek ja Pimentel [4] ovat todenneet, että viljellyt puuplantaasit ovat ekologisesti kestämättömiä.

USA:ssa biomassan vuosituotanto 917 miljoonalla hehtaarilla on 2631 miljoonaa kuivatonnia jakautuen [5]:

  • Viljelykasvit: 192 Mha, 1083 Mt

  • Laitumet ja rehukasvit: 300 Mha, 900 Mt

  • Metsät: 290 Mha, 580 Mt

  • Muut: 135 Mha, 68 Mt

  • => 2,9 t/ha koko USA:n maa-alaa kohti

Kokonaisenergian määrä tuotetussa biomassassa on 49,4 EJ. Yhdysvallat kuluttaa pelkästään fossiilienergiaa vuosittain 91,3 EJ. USA:ssa korjataan vuodessa viljely- ja rehukasveja 1307 Mt (407 Mt viljelykasveja ja 900 Mt rehu- ja laidunkasveja) ja puuta metsistä 100 Mt. Yhteensä korjatun biomassan energiamäärä on 26,6 EJ eli 54 % biomassan vuosikasvusta. Nämä luvut eivät sisällä energiakasveja, vaan ainoastaan ruoantuotannon, sahatavaran, sellun, kuidut ja paperin. Lisäksi USA:ssa jalostetaan 3,4 EJ biomassaa biopolttoaineiksi. Yhteensä siis USA:ssa biomassaa hyödynnetään 30 EJ eli 61 % biomassan vuosikasvusta. Näin suurella määrällä on negatiivinen vaikutus luonnon monimuotoisuuteen.

Kehitysmaissa poltetaan energiaksi 2000 miljoonaa tonnia puuta, 1300 miljoonaa tonnia viljelykasvien korjuutähteitä ja 1000 miljoonaa tonnia lantaa. Pahin ongelma on viljelykasvien korjuujätteen ja lannan poltto, koska maaperä köyhtyy ja jää ilman kasviston suojaa tuulen ja sateen aiheuttamaa eroosiota vastaan. Maaperän eroosio tuhoaa maan hedelmällisyyden.

Ruoan kypsennys vaatii runsaasti energiaa. Puuhellalla hyötysuhde on 33 %, kun avotulella kuumennettuna vain 10 % biomassan palamisenergiasta käytetään hyödyksi. Tyypillisesti yhden ruoasta saatavan kilokalorin kypsentämiseen kuluu kaksi tai kolme kilokaloria. Kehitysmaissa ruoan kypsentämiseen kuluu 600–700 kg kuivaa biomassaa henkeä kohti. Ruoan kypsentämiseen ja lämmittämiseen kuluu kehitysmaissa henkeä kohti noin tonni kuivaa biomassaa.

Metsien kestävän vuosikasvun voidaan olettaa olevan 3 kuivatonnia/ha. On ehdotettu, että nopeasti kasvavia puita kasvatettaisiin hedelmällisimmillä mailla, jolloin voitaisiin hakata jopa 15 kuivatonnia hehtaarilta. Valitettavasti tämä on epärealistista. Parhaat viljelysmaat on varattava ruoantuotannolle ja suuret hakkuumäärät vaativat myös lannoitusta ja torjunta-aineita, joiden lisääntynyt käyttö pienentää nettoenergiasaantoa. Suuret hakkuumäärät myös köyhdyttävät maan ja altistavat maaperän sateille. Lopulta maan hedelmällisyys ja biodiversiteetti kärsivät.

 

Lähteet:

1. Booth Trevor H. (ed.), Carbon accounting in forests, Proceedings of an International Workshop on "Facilitating International Carbon Accounting in Forests", CSIRO Forestry and Forest Products, Canberra, February 24, 2003.

2. Toimialavuoropuhelu – MTK maa- ja metsätaloudessa, Maa- ja metsätaloustuottajien Keskusliitto MTK ry, Suomi maailmantaloudessa -seminaari, Dipoli, Espoo, 12.10., 2004.

3. Pimentel D.,  Pimentel M., Food, Energy and Society, Colorado University Press, Boulder,Colorado, 1996.

4. Patzek Tad W., Pimentel David, Thermodynamics of energy production from biomass, Critical Reviews in Plant Sciences, Vol. 24, No. 5-6, 2005.

5. Pimentel David, Biomass utilization, limits of, Encyclopedia of Physical Science and Technology, 3rd ed., vol. 2. San Diego, Academic Press, 2002.

 

Energy blog
www.dontfly.org