Miten maakaasun päästöt vertautuvat muihin fossiilisiin energialähteisiin?

Ovatko maakaasun kasvihuonekaasupäästöt samaa luokkaa kuin muiden fossiilisten energialähteiden, miksi sitä tunnutaan pitävän jotenkin puhtaampana kuin esim. öljyä?

Maakaasu (engl. natural gas) on pääosin metaania, kemialliselta kaavaltaan CH4, eli se koostuu yhdestä hiiliatomista (C ) ja neljästä vetyatomista (H). Palaessaan maakaasu reagoi hapen kanssa seuraavasti:

CH4 + 2O2 --> CO2 + 2H2O

Maakaasun palaessa syntyy siis hiilidioksidia (CO2) ja vesihöyryä (H2O).

Maakaasun poltosta syntyvät hiilidioksidipäästöt ovat noin puolet siitä, mitä hiilen poltosta syntyy. Tämän lisäksi maakaasu palaa puhtaasti eikä aiheuta merkittäviä määriä nokea, tuhkaa, tai muita pienhiukkaspäästöjä.

Alla yhteenveto muutamien fossiilisten polttoaineiden CO2-päästömääristä suhteutettuna tuotetun lämmön määrään. Lukuarvot perustuvat kahteen eri lähteeseen, joita on verrattu ristiin: Yhdysvaltojen energiatietoviraston (EIA) sivuilla olevasta yhteenvedosta sekä tätä aihepiiriä käsitteleviä kirjoja julkaisevan Saksalaisen professorin ylläpitämästä yhteenvetosivusta:

Kivihiili (antrasiitti) n. 95-100 tonnia hiilidioksidia per terajoule lämpöenergiaa (t CO2/TJ)
Ruskohiili n. 90-105 t CO2/TJ (perustuu myös muihin lähteisiin)
Maakaasu n. 50-57 t CO2/TJ
Dieselpolttoaine tai lämmitysöljy (ei lisättyä biodieseliä tms.) n. 69-75 t CO2/TJ
Bensiini (ei lisättyä biopolttoainetta) n. 67-69 t CO2/TJ
Propaani tai nestekaasu n. 60-63 t CO2/TJ

Koska maakaasun päästöt ovat selvästi pienemmät kuin hiilellä, on sillä merkittävä rooli siirtymävaiheen energiantuotantomuotona siirryttäessä pois fossiilisista polttoaineista. Maakaasulla voidaan sähköä (ja sivutuotteena lämpöä) kolmella erilaisella voimalaitostyypillä, kaasuturbiinilla, [polttomoottorivoimalaitoksella] (https://fi.wikipedia.org/wiki/Polttomoottorivoimalaitos), sekä nämä teknologiat yhdistävällä kombivoimalaitoksella.

Voimalaitoksista parhaalla hyötysuhteella (jopa 60%) sähköä tuottaa kombivoimalaitos, joka on luonteeltaan ovat hitaasti tehoa säätävää perusvoimaa. Kaasuturbiini ja polttomoottorivoimalaitos ovat puolestaan luonteeltaan ns. säätövoimalaitoksia, joita ajetaan pääosin kulutuksen huippujen tasaamiseksi. Ne ovat sähköntuotantohyötysuhteeltaan selvästi heikompia kuin kombivoimalaitos. Lisäksi yksi maakaasuun pohjautuvan sähköntuotannon haasteista on hinta, joka on selvästi korkeampi kuin hiilivoimalalla tuotetun sähkön hinta. Tosin päästökauppa tasoittaa tätä eroa maakaasun hyväksi.

Yllä annettuja päästömääriä vertailtaessa sähköntuotantoa ajatellen on tärkeä huomata, että eri tuotantoteknologioilla on suuret eron hyötysuhteissa. Tasaisesti tuotettua perusvoimaa tuotettaessa Hiilivoimalassa voidaan tuottaa sähköä parhaimmillaan noin 55% hyötysuhteella ja kaasukombilaitoksessa 60% hyötysuhteella, jolloin ero ei ole kovin merkittävä. Toisaalta säätövoimana käytettäessä (kaasuturbiini tai polttomoottorivoimalaitos) maakaasulla päästään parhaimmillaan vain noin 40% hyötysuhteeseen. Yksi tuuli- ja aurinkoenergian lisääntymiseen liittyvä huoli on, että säätövoiman käyttötarve lisääntyy, jolloin maakaasua joudutaan yhä useammin käyttämään säätövoimatuotannossa.

Lisäksi yllä olevia numeroarvojan hyödynnettäessä on syytä huomioida tällaisiin arvoihin liittyvät epävarmuustekijät. Toisinaan CO2-päästöinä ilmoitetaan lukuja, jotka sisältävät vain CO2-päästöt eivätkä muita kasvihuonevaikutuksia, toisinaan kyseessä ovat ns. CO2-ekvivalentit päästöt, jolloin mukaan on laskettu mm. mahdollisten metaanipäästöjen vaikutus. Lukuja ilmoittava taho ei myöskään välttämättä ilmoita minkä verran logistisen ketjun päästöjä on huomioitu ja toisaalta onko esim. kaivostoimintaan tms. liittyviä päästöjä huomioitu. Olen ilmoittanut yllä olevat lukuarvot sillä oletuksella, että lähteissä on kyse nimenomaan polttoaineen polttamiseen liittyvät päästöt ilman mitään logistisia tai tuotannollisia päästövaikutuksia. Mutta esimerkiksi laajaa yhteiskunnallista analyysissä nämä tulisi toki huomioida.

Jukka Paatero
Aalto-yliopisto, Energiatekniikka

Kiitos vastauksesta! Entä millaiset ovat turpeen tai puuhun perustuvan bioenergian päästöt verrattuna hiileen tai muihin lämmittämiseen käytettyihin vaihtoehtoihin?

Turpeen ja puun energiakäytössä aiheutuvista päästöistä käydään runsaasti keskustelua, ja niiden kohdalla tarkastelu muuttuu väkisin monipolvisemmaksi. Tiivistän tähän joitain keskeisimpiä näkökulmia.

EU-tasolla turvetta kohdellaan fossiilisena ja uusiutumattomana polttoaineena. Toisaalta Suomessa turve on nauttinut pitkään erityiskohtelua, jonka sen kotimaisuus osin aiheuttaa. Turve kyllä uusiutuu, mutta hitaasti. Siinä missä kivihiilen syntymisessa puhutaan miljoonista vuosista, turvesuon uusiutumisen on arvioitu tapahtuvan noin tuhannen vuoden aikana. Lisäksi energiateollisuus on suosinut turvetta sen palamisprosessiin liittyvien kemiallisten ominaisuuksien vuoksi. Puun poltossa syntyvä alkalinen tuhka syövyttää voimalaitoksen osia ja tätä voidaan tehokkaasti ehkäistä sekoittamalla puuta ja turvetta polttoprosessissa. Esimerkiksi kivihiiltä hyödyntämällä vastaavaa vaikutusta ei voida saada aikaiseksi. Puun poltosta ilman turvetta aiheutuu siis merkittäviä lisäkustannuksia.

Puun poltosta aiheutuvia päästöjä tarkasteltaessa hiilidioksidiin (CO2) sitoutuneen hiilen katsotaan kiertävän takaisin luonton, mikäli kaadettujen puiden tilalle istutetaan uusia. Tähän logiikkaan perustuu koko ajatus biopolttoaineiden hiili neutraalisuudesta. Todellisuudessa puuhun perustuvaan energiantuotantoon liittyy kuitenkin jonkin verran myös sellaisia, esimerkiksi kuljetuksiin liittyviä päästöjä, joiden ei voida katsoa olevan samalla tavalla hiilineutraaleja kuin itse polttoprosessi.

Edellisessä vastauksessani viittaamassa lähteessä on esitetty arviot turpeen ja puun poltosta aiheutuvista CO2-päästöistä, mikäli puun polttoon liittyvää hiilikiertoa ei huomioida (näin on tilanne esim. pelloksi muutettavien sademetsien puita poltettaessa). Mikäli hiilen kierto huomioidaan, oletetaan, että puun polttoon liittyviä CO2-päästöjä ei synny lainkaan. Todellisuudessa päästöjä kuitenkin syntyy esim. puun toimitukseen liittyvässä logistisessa ketjussa ja muussa prosessoinnissa. Nämä päästöt ovat kuitenkin pieni murto-osa varsinaisista polttoon liittyvistä päästöistä. Lisäksi puun painotiheydellä on päästöjen kannalta suuri merkitys, sillä mitä tiheämpää puuta, sitä tehokkaammin sitä voi kuljettaa ja sitä enemmän se sisältää lämpöenergiaa per tonni. Alla suuntaa-antavat numeroarvot turpeen ja puun poltosta aiheutuville päästöille (verrattavissa edelliseen vastaukseen):

Turve n. 106 t CO2/TJ
Puu (ei CO2 kompensaatiota) n. 109 t CO2/TJ

Jukka Paatero
Aalto-yliopisto, Energiatekniikka