Vähähiilinen kiviainestuotanto

Abstract

Ilmastonmuutoksen myötä vähähiilisyys ja hiilineutraalisuus ovat maailmanlaajuisesti ajankohtaisia teemoja. Ilmastomuutoksen hillitsemiseksi asetetut kansalliset tavoitteet ja EU:n ilmastolaki ohjaavat valtioita ja yrityksiä kehittämään uusia vähähiilisiä ja hiilineutraaleja ratkaisuja. Suomen tavoitteena on olla hiilineutraali vuoteen 2035 mennessä. Kiviaineksen tuotantoprosessissa syntyy hiilidioksidi- ja lähipäästöjä, joista suurin osa syntyy tuotannon murskaus- ja kuljetusvaiheissa. Hiilidioksidi- ja lähipäästöjä voidaan vähentää käyttämällä uusiutuvalla energialla tuotettua sähköä ja uusiutuvia polttoaineita. Hiilineutraalisuus voidaan saavuttaa hiilikompensaatioiden avulla vähähiilisissä tuotteissa.

Diplomityön tavoitteena oli selvittää vähähiilisen kalliomurskeen tuotannon päästöt ja verrata päästöjä fossiilisilla polttoaineilla tuotetun kalliomurskeen päästöihin. Tutkimuksen tavoitteena oli myös verrata murskeen kuljetuksista aiheutuneita päästöjä uusiutuvan ja fossiilisen polttoaineen välillä. Diplomityön kirjallisessa osassa esiteltiin kirjallisuuteen perustuen kansallisia ilmastopäästöjen vähentämistavoitteita, kalliomurskeen tuotantoprosesseja, kalliomurskauksen energiankulutusta ja kalliomurskauksen energianlähteitä. Diplomityön kokeellisessa osassa tutkittiin vähähiilisen ja fossiilisen kiviainestuotannon päästöjä. Vähähiilisessä tuotannossa polttoaineena käytettiin Neste MY uusiutuva polttoöljyä ja fossiilisessa tuotannossa fossiilista polttoöljyä. Molemmat tuotannot toteutettiin samalla Destian kiviainestuotantopaikalla. Tuotantoprosessissa louhe syötettiin kaivinkoneella ja murskeen läjittäminen toteutettiin pyöräkuormaajalla. Tuotetusta kalliomurskeesta selvitettiin lajitekohtaiset hiilidioksidi- ja lähipäästöt tuotettua kiviainestonnia kohden laskennallisesti työkoneiden moottoreiden päästöluokituksiin ja polttoaineen kulutukseen perustuen. Päästölaskentatulosten pohjalta tehtiin laskelmia hiilineutraalin kiviaineksen tuottamiseksi tarvittavista toimenpiteistä.

Tutkimuksissa ilmeni, että vähähiilisen murskeen valmistuksessa syntyi noin 92 % pienemmät hiilidioksidipäästöt kuin fossiilisen murskeen valmistuksessa. Lähipäästöt olivat myös pienemmät vähähiilisessä tuotannossa, sillä typen oksideja muodostui noin 35 % vähemmän ja muita lähipäästöjä noin 30 % vähemmän kuin fossiilisessa tuotannossa. Kokeellisessa osassa ilmeni, että työkoneet kuluttivat uusiutuvaa polttoöljyä noin 3 % enemmän kuin fossiilista polttoöljyä. Murskeen kuljettamiselle hiilidioksidipäästöt perävaunullisella kuorma-autolla olivat uusiutuvalla dieselillä 2,9 grammaa kiviainestonnikilometriä kohden, kun taas fossiilisella dieselillä vastaava päästö oli 27,8 grammaa. Pelkällä kuorma-autolla hiilidioksidipäästöt olivat noin 37 % suuremmat kuljetettua kiviainestonnikilometriä kohden. Hiilineutraalin kiviaineksen tuottamiseksi tehtiin laskentaa istutettavien kuusi taimien määrästä molemmista tuotannoista. Laskentatuloksien perusteella vähähiilisestä tuotannosta olisi mahdollista tehdä hiilineutraalia istuttamalla yksi kuusen taimi 5464 tuotettua kiviainestonnia kohden, mikäli kuusen taimien annetaan kasvaa vähintään 60 vuotta. Fossiilista polttoöljyä käytettäessä tulisi istuttaa yksi kuusen taimi 457 tuotettua kiviainestonnia kohden.

Tutkimustulosten perusteella jatkotutkimuksina olisi tärkeää tehdä päästömittauksia vähähiiliselle ja fossiiliselle kalliomurskeen tuotannolle. Erityisesti typen oksidipäästöjä olisi tärkeää mitata, sillä kyseiset päästöt olivat merkittäviä molemmissa tuotannoissa. Päästömittaukset toisivat myös varmuutta laskennallisesti määritetyille päästöarvioille. Haastetta diplomityöhön toi aggregaatin hyötysuhteen arvioiminen, sillä murskausprosessissa energiaa kuluu muun muassa lämmön tuottamiseen ja kitkan voittamiseen. Olisi tärkeää tutkia kiviainestuotannoissa käytettävien aggregaattien hyötysuhteita, jotta aggregaatin hyötysuhteelle saisi luotua vakioarvot.

Diplomityö oli osa Destian vähähiilisten tuotteiden tutkimusta, jossa selvitetään vähähiilisten tuotteiden päästöjä ja niiden kompensointia. Diplomityön tutkimustulosten perusteella on mahdollista tuotteistaa vähähiilinen murske Destia Oy:lle.

Due to climate change, low carbon and carbon neutrality are topical themes worldwide. Countries and European Union have set national goals for combating the climate change. National goals and European Union’s climate law guide countries and companies to create new low carbon and carbon neutral solutions. Finland’s goal is to be carbon neutral by 2035. Aggregate production process creates emissions of carbon dioxides (CO2), nitrogen oxides (NOx), carbon monoxides (CO), hydrocarbons (HC) and particulate matter (PM). Most of these emissions are formed in crushing process and transport. Emissions can be reduced by using renewable fuels or electricity which is produced by renewable energy. Carbon neutrality can be achieved with carbon offset in low carbon products.

The goal of this thesis was to find out the emissions of low carbon aggregate production and compare the low carbon production’s emissions to emissions of fossil aggregate production. The aim of this study was also to compare the emissions caused by the transportation of aggregates between renewable and fossil diesel.

The literature review of this thesis presents reduction goals of national climate emissions, aggregate crushing process, the energy consumption of aggregate production and its energy sources. In the experimental part of the thesis the emissions were calculated using data from low carbon and fossil aggregate production on a Destia production site. Neste My renewable fuel oil was used as a fuel in low carbon aggregate production. In fossil aggregate production the fuel was fossil fuel oil. In production process, the rock was fed with an excavator and the storage was done with a wheel loader. The emissions of produced aggregates were calculated with different fraction of aggregate. The emission measure is grams per tons of produced ag-gregates. The emissions calculations are based on emission classifications of the engines and fuel consumption. With results of carbon dioxides emissions, is possible to measure the carbon offsets for carbon neutral aggregate.

The research showed that in low carbon aggregate production the carbon dioxide emissions were approximately 92 % lower than in fossil aggregate production. Also other emissions were lower also in low carbon aggregate production. NOx emissions were formed approximately 35 % less and CO-, HC- and PM emission were formed about 30 % less than in fossil aggregate production. It appeared that excavator and wheel loader consumed renewable fuel oil about 3 % more compared to fossil fuel oil. Carbon dioxide emissions are 2,9 grams per aggregate ton of kilometer for transporting aggregates with renewable diesel and with fossil diesel the carbon dioxide emissions are 27,8 grams per aggregate ton of kilometer if the transportations are done by trailer truck. The carbon dioxide emissions per aggregate ton of kilometer are approximately 37 % higher if the transportation is done by truck. To produce carbon neutral aggregate, a calculation of planted spruce sapling was made for both productions. Based on the calculation results, it would be possible to make the low carbon production to carbon neutral by planting one spruce sapling for every 5464 produced per ton of aggregate if the spruce saplings are allowed to grow for at least 60 years. To produce carbon neutral aggregate from fossil aggregate, it required to plant one spruce sapling for every 457 tons of aggregate produced.

Based on the research results, it would be important to do emissions measurements for low carbon and fossil aggregate production for further research. Especially measuring the nitrogen oxides emissions is important because those emissions were significant in both productions. Emission measurements would bring certainty for computationally determined emissions. The challenge for this thesis was the evaluating the efficiency of the generator. It would be important to measure the generator’s efficiency in aggregate production.

The thesis was part of Destia’s low carbon product research, which investigates emissions of low carbon products and their carbon offsets. Based on the research results of this thesis, it could be possible to productize carbon aggregate.