The environmental and climate impacts of the entire life cycle of co-firing coal and wood pellet

Euroopan unioni on asettanut uusiutuvan energian käyttöön ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen liittyviä tavoitteita, jotka tulisi saavuttaa vuoteen 2020 mennessä. Helsingin kaupungin ja sen myötä Helsingin Energian tavoitteena on vuoteen 2020 mennessä kasvattaa uusiutuvien energialähteiden käyttöä kokonais-energiankulutuksesta 20 %:iin ja vähentää hiilidioksidipäästöjä 20 % vuoden 1990 tasosta. Helsingin Ener-gian kehitysohjelman pitkän aikavälin tavoitteena on hiilineutraali energianhankinta vuoteen 2050 mennes-sä. Kehitysohjelman yhtenä vaihtoehtona on nostaa puupellettien osuutta 40 %:iin puupelletin ja kivihiilen seospoltossa. Tässä työssä tutkitaan kivihiilen ja puupelletin seospolton koko elinkaaren aikaisia ympäristö- ja ilmastovaikutuksia ja niissä tapahtuvia muutoksia kun Salmisaaren voimalaitoksella kivihiiltä korvataan pelletillä. Työssä selvitetään neljän eri skenaarion avulla miten polttoaineiden alkuperä ja erilaiset logistiikkavaihtoeh-dot vaikuttavat energiantuotannon ilmasto- ja ympäristövaikutuksiin puupelletin ja kivihiilen seospoltossa. Skenaarioiden muuttujina ovat pelletin tuottajamaa sekä pelletin hankintaketju ja näistä vaihtoehdoista pyritään elinkaarilaskelmien avulla löytämään vähiten ympäristöä kuormittava ratkaisu. Tarkasteltavia skenaariomaita ovat Suomi, Venäjä, Kanada sekä Baltian maista Viro ja Latvia. Polttoaineiden hankinnan, tuotannon ja kuljetusten lisäksi koko elinkaaren aikaisiin ilmasto- ja ympäristövaikutuksiin vaikuttavat voimalaitoksella tapahtuvat muutokset. Näitä ovat muutokset seospolton ilmapäästöissä sekä lisäykset muun muassa laitoksen omakäyttösähkön ja kemikaalien käytössä. Elinkaaren aikaisia vaikutuksia on tarkasteltu viidessä eri kategoriassa, joita ovat happamoituminen, ilmastonmuutos, fossiilisten polttoaineiden käyttö sekä pienhiukkasten ja fotokemiallisten oksidanttien muodostuminen. Salmisaaren voimalaitoksen tapauksessa suurin osa polttoaineiden elinkaaren aikaisista ympäristövaikutuksista aiheutuu seospoltossa syntyvistä suorista päästöistä. Kivihiilen käytön vähentyessä sen hankinnasta aiheutuvat päästöt pienenevät. Pelletin seososuuden kasvaessa sen hankintaketjun aiheuttamat ympäristö- ja ilmastovaikutukset kuitenkin lisääntyvät. Pelletin eri hankintaketjujen ympäristövaikutusten eroihin vaikuttavat pääasiassa pelletin kuljetustavat ja –etäisyydet eri maissa, pelletteihin käytetty raaka-aine sekä se, miten sähkö ja pellettiprosessin kuivausenergia tuotetaan eri maissa. Hiilidioksidipäästöjen ja fossiilisten polttoaineiden käytön suhteen kaikissa skenaarioissa on huomattavissa selkeä alenema verrattuna tilaan, jossa pelletin seososuus on pienempi. Muissa kategorioissa vaikutusten alenemat eivät ole niin huomattavia, ja joissain skenaarioissa vaikutukset ovat suuremmalla pellettiosuudella jopa korkeammat kuin pienemmillä pellettiosuuksilla. Kotimaisen pelletin osalta ympäristövaikutukset ovat kaikissa kategorioissa vertailumaihin nähden pienimmät, mutta skenaarioiden keskinäiset erot eivät ole kaikilta osin merkittäviä. Pelletin seososuuden lisäämisen 40 %:iin huomataan siis jossain määrin alentavan polttoaineen koko elinkaaren aikaisia ympäristö- ja ilmastovaikutuksia riippuen tarkasteltavasta skenaariosta. Tulokset ovat erittäin herkkiä eri parametrien vaihteluille, joten niistä ei voida varmuudella sanoa, mikä skenaarioista olisi ympäristövaikutusten kannalta paras ja mikä huonoin; tulokset ovat lähinnä suuntaa-antavia. Niistä kuitenkin selviää, että suurimman ilmastohyödyn saavuttamiseksi huomiota täytyy kiinnittää pellettien raaka-aineeseen, kuljetusmuotoihin ja -etäisyyksiin sekä paikallisen energiantuotannon lähteisiin.The European Union has set targets for the year 2020 regarding renewable energy use and carbon dioxide emission reductions. By the year 2020 the city of Helsinki and therefore also Helsingin Energia aims to in-crease the use of renewable energy by 20 % out of the total energy consumption, and to reduce carbon emissions by 20 % from the emission levels of 1990. In the long term, the objective of the Helsingin Energia development program is to achieve carbon neutral energy procurement by the year 2050. One option of the development program is to increase the share of wood pellets to 40 % in co-firing coal and pellets. The aim of this study is to investigate the environmental and climate impacts of the entire life cycle of co-firing coal and wood pellets, and the changes occurring in the impacts when coal is replaced with pellets in Salmisaari power plant. Four different scenarios are studied to assess how different fuel origins and logistics chains affect the envi-ronmental and climate impacts of energy production in co-firing. Scenario variables are the pellet production country and supply chain, and these are compared with the help of life cycle calculations to find the solution that has the smallest environmental burden. Different countries examined in this study are Finland, Russia, Canada, as well as Latvia and Estonia from the Baltic countries. Besides fuel procurement, production and transportations, modifications occurring in the power plant also affect the environmental and climate impacts of the entire life cycle. These modifications include changes in atmospheric emissions from co-firing and additions for example in the electricity consumption and chemical usage of the power plant. The life cycle impacts have been evaluated in five different categories: terrestrial acidification, climate change, fossil depletion, particulate matter formation and photochemical oxidant formation. In the case of Salmisaari power plant, most of the environmental impacts occurring during the life cycle result from the direct emissions of co-firing. Emissions originating from coal supply decrease as the share of coal in co-firing deceases. However, as pellet consumption increases, the environmental and climate impacts of the pellet supply chain increase. Differences in the environmental impacts of the various wood pellet supply chains are caused mainly by different pellet transportation modes and distances, pellet raw material, and the electricity mix of the scenario countries, as well as the drying energy used in the pellet process. Regarding carbon dioxide emissions and fossil depletion, the results show a distinct drop in impacts when compared to a situation where the share of pellets in co-firing is lower. In the other categories, the impacts do not decrease as significantly, and in some scenarios the emissions with the 40 % pellet share are even higher than with lower pellet shares. As for domestic pellets, the impacts in all categories are the lowest; however the differences in impacts between scenarios are not in all cases significant. The results show that raising the share of pellets in co-firing to 40 %, does to some extent decrease the environmental and climate impacts of the entire life cycle depending on the scenario that is being studied. The results are extremely sensitive to alterations of different parameters, so it cannot be stated for certain which of the scenarios is the best and which one the worst regarding environmental impacts; the results are mainly directional. It can however be concluded that in order to maximize the climate benefits of co-firing, attention should be brought to the raw materials of pellet production, transportation modes and distances as well as the local electricity mix