Hyvät ja pahat hiukkaset

Kirjoittanut: Apurahansaaja | maaliskuu 22, 2019 | Kategoriassa: Apurahansaajalta

Energiantuotannossa halutaan luopua fossiilisista polttoaineista, koska palamisessa vapautuva hiilidioksidi aiheuttaa ilmaston lämpenemistä. Jotta voimme arvioida eri polttoaineiden ilmastovaikutuksia, meidän on otettava huomioon poltossa syntyvän savukaasun sisältämät hiukkaset, kirjoittaa apurahansaajamme Fanni Mylläri.

jason-blackeye-136827-unsplash

On totta, että hiilidioksidi aiheuttaa suurimman osan ilmastoa lämmittävistä vaikutuksista. Palamisesta ilmaan vapautuvista yhdisteistä hiilidioksidi on kuitenkin vain yksi monista. Ilmastoa lämmittävät myös hiukkaset, joita syntyy minkä tahansa polttoaineen palaessa.

Tutkimuksessani olen keskittynyt erilaisten polttoaineiden palamisessa muodostuneiden savukaasujen koostumukseen ja erityisesti savukaasussa olevien hiukkasten ominaisuuksien ymmärtämiseen, jotta savukaasujen ilmastovaikutuksia voitaisiin arvioida paremmin.

Polttoaineen palaessa hiilidioksidin lisäksi ilmaan vapautuu kaasumaisia yhdisteitä kuten hiilimonoksidia eli häkää, haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, typen ja rikin oksideja sekä aerosolihiukkasia. Polton olosuhteista, polttoaineesta ja savukaasun puhdistuksesta riippuen aerosolihiukkaset ovat viilentäviä tai lämmittäviä.

Aerosolihiukkasten ilmakehää viilentävä tai lämmittävä vaikutus riippuu niiden kemiallisesta koostumuksesta. Epäorgaanisista aineista ja orgaanisista hiiliyhdisteistä muodostuneilla hiukkasilla on usein viilentävä vaikutus, kun taas alkuainehiilestä muodostuneilla hiukkasilla on lämmittävä vaikutus.

Uusien voimalaitosten päästörajat sallivat suuret hiukkaspäästöt

Puuperäiset polttoaineet ovat tällä hetkellä todennäköisimpiä polttoaineita korvaamaan kivihiilen polttamisella tuotettua lämpöenergiaa. Nykyiset mallit hiilidioksidineutraalista lämmöntuotannosta eivät kuitenkaan ota huomioon huomioon hiukkasten aiheuttamaa ilmakehävaikutusta. Lähestytään tilannetta kuvitteellisen esimerkin kautta, jossa korvataan fossiilisia polttoaineita biomassalla:

Mukana vastaavat päästörajat yksiköissä mg/(n)m3 (milligrammaa per normalisoitu kuutiometri).
Mukana vastaavat päästörajat yksiköissä mg/(n)m3 (milligrammaa per normalisoitu kuutiometri).

Havainnekaavion luvut eivät ota millään tavalla kantaa siihen, mikä on päästön hiukkasten kemiallinen koostumus, eli sisältävätkö päästöt ilmakehää lämmittäviä vai viilentäviä hiukkasia. Havainnekaavion (kuva 1) perusteella ensimmäisessä skenaariossa massaperustaiset päästöt voivat pysyä samana tai nousta hieman riippuen korvaavien voimalaitosten suuruudesta. Toisessa skenaariossa, hiukkasten massaperustaiset päästöt voivat 2,5-kertaistua päästörajoja katsottaessa tai jopa 10-kertaistua verrattaessa todellisia päästöjä päästörajojen asettamiin rajoihin.

Havainnekaavio osoittaa, että uusien voimalaitosten päästörajat voivatkin sallia entistä suuremmat hiukkaspäästöt ilmakehään. Uusien polttoaineiden ja voimalaitosten myötä hiukkasten ilmakehävaikutuksia ei osata arvioida ennen mittaamista, koska hiukkasten koostumus riippuu vahvasti palamisesta.

Mitä meidän tulee tietää hiukkasista ja polttoaineen vaikutuksesta

Tutkimuksessani selvitin, millaisia seurauksia energiarakenteen muutoksesta voisi seurata voimalaitosten päästöihin. Jotta voisimme todella vertailla havainnekaavion esittämiä eri vaihtoehtoja hiilidioksidineutraalille lämmöntuotannolle, meidän tarvitsee tietää kaksi asiaa:

  1. Kivihiilen polttamisessa muodostuu rikkidioksidia, jota poistetaan savukaasun puhdistuksessa. Puhdistus poistaa myös erittäin suuren osan palamisessa muodostuneista hiukkasista. Puhdistuksen seurauksena savukaasuun jää pääasiassa ilmastoa viilentäviä sulfaattihiukkasia. (Kuvan 1 vasen puoli.) Eli kivihiilen polttaminen aiheuttaa ilmastoa lämmittäviä CO2-päästöjä ja ilmastoa viilentäviä hiukkaspäästöjä.
  2. Puuperäinen biomassa ei sisällä merkittävästi rikkiä, joten palamisessa ei muodostu rikkidioksidia. Näin ollen ei ole välttämätöntä asentaa rikkidioksidin puhdistimia, joka mahdollistaa heikompitehoisten suodatinten käytön tai jossakin tapauksissa jopa suodatinten poisjätön. (Kuvan 1 oikea puoli.) Eli puuperäisen biomassan polttaminen voi aiheuttaa ilmastoa lämmittäviä hiukkasia.

Tutkin hiukkasten kemiallista koostumusta kahdessa erilaisessa voimalaitoksessa, joissa ensimmäisessä pyrittiin korvaamaan osa fossiilisesta polttoaineesta puupelleteillä ja toisessa seostamaan nestemäisiä polttoaineita niin, että palaminen muuttuisi paremmaksi. Ensimmäisessä tutkimuksessani saatiin aikaan CO2-päästövähennys ja toisessa parempi palaminen, mutta samanaikaisesti palaminen tuotti enemmän mustahiilihiukkasia.

Hiukkaspäästöjen vähentämiseen on keinoja

Polttoaineen hiilidioksidipäästöt eivät kerro kaikkea savukaasun ilmastovaikutuksesta. Jos puuperäiset polttoaineet yleistyvät kivihiilen poistuessa polttoainevalikoimasta, on mahdollista, että ilmastoa lämmittävien mustahiilihiukkasten päästö kasvaa. Tilanne voi pahentua entisestään, jos laitokseen ei asenneta savukaasun puhdistusjärjestelmiä. Suodatuksen lisäksi myös kattilan palamisolosuhteet vaikuttavat poltosta ilmaan päätyvien hiukkasten määrään ja ominaisuuksiin.

Tutkimalla savukaasun sisältämiä hiukkasia, voimme kuitenkin yrittää ymmärtää paremmin hiukkasten muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä ja kenties tulevaisuudessa minimoimaan mustahiilihiukkasten muodostumisen palamisessa. Nykyteknologialla toimivin ratkaisu vähentää ilmakehään päätyvien mustahiilihiukkasten määrää ovat savukaasun puhdistimet.

Kirjoittaja työskentelee tutkijatohtorina aerosolifysiikan laboratoriossa Tampereen yliopistossa ja hänen tutkimustaan ”Biomassan voimalaitospolton hiukkaspäästöjen ilmastovaikutukset” rahoittaa Nesslingin Säätiö.

Kuva: Jason Blackeye/Unsplash

Tilaa uutiskirjeemme

Tilaamalla uutiskirjeemme pysyt ajantasalla ja saat uusimmat artikkelit suoraan sähköpostiisi.