Nestemäisten polttoaineiden biokomponentit

Polttoainelogistiikkaan sopivia biopolttoaineita

Perinteisiä nestemäisiä fossiilisia polttoaineita korvataan uusiutuvista raaka-aineista valmistettavilla biopolttoaineilla. Yleisimmin pyritään valmistamaan sellaisia biopolttoaineita, joita voidaan sekoittaa nykyisten standardien mukaisiin ottomoottori- ja dieselmoottoripolttoaineisiin.

Biopolttoainetuotantoa ohjaavilla tekijöillä pyritään tähderaaka-aineiden käyttöön, jolloin biopolttoaineet eivät kilpaile samoista raaka-aineista ruoantuotannon kanssa.

Teknisesti biopolttoaineet pyritään valmistamaan siten, että ne soveltuvat varastoitavaksi ja myytäväksi olemassa olevan polttoainelogistiikan avulla ja käytettäväksi olemassa olevissa ja yleisesti valmistettavissa ajoneuvoissa. Näin biopolttoaineiden käyttöön voidaan siirtyä nopeammin ja kustannustehokkaammin.

Ottomoottoripolttoaineiden biokomponentit

Yleisimpien biokomponenttien, alkoholien ja eettereiden, happipitoisuus rajoittaa niiden käyttöä valtaosassa autokantaa.

Bensiinilaaduissa olevat merkinnät E5 tai E10 oktaaniluvun jälkeen tarkoittavat etanolin enimmäispitoisuutta 5 tilavuusprosenttia tai 10 tilavuusprosenttia. Tuote ei välttämättä sisällä yhtään etanolia, vaan bio-osuus on voitu toteuttaa myös jollain muulla seoskomponentilla, kuten esimerkiksi eettereillä (ETBE, TAEE) tai synteettisellä biobensiinillä (joka tosin ei sisällä happea).

Käyttäjän kannalta tämä ei kuitenkaan ole ratkaisevaa, vaan tuote toimii moottorissa normaalisti riippumatta siitä, sisältääkö se etanolia tai muita sallittuja biokomponentteja. Rajoittavana tekijänä on polttoaineen happipitoisuus, joka on rajattu E5:n osalta 2,7 massaprosenttiin ja E10:n osalta 3,7 massaprosenttiin.

Bioetanoli

Yleisin bensiiniin sekoitettava biokomponentti on etyylialkoholia oleva bioetanoli, joka on maailmanlaajuisesti tunnetuin ja eniten käytetty biopolttoaine.

Etanolia valmistetaan perinteisesti käymisprosessilla, jossa raaka-aineina käytetään sokeri- ja tärkkelyspitoisia aineita kuten sokeriruokoa, maissia, viljaa ja perunaa. Suurimmat tuottajamaat ovat Yhdysvallat ja Brasilia. Euroopassa suurimmat tuottajamaat ovat Ranska, Saksa ja Espanja, jotka tuottavat bioetanolia pääasiassa sokerijuurikkaasta ja vehnästä.

Suomessa etanolia tuotetaan elintarvike- ja leipomoteollisuuden biojätteistä ja sivuvirroista hajautetun tuotannon menetelmällä. Myös erilliskerättyjä kotitalouksien, kauppojen ja teollisuuden biojätteitä ja -tähteitä käytetään kotimaisessa etanolituotannossa nestemäisen liikennepolttoaineen raaka-aineena.

Bioetanolia voidaan valmistaa myös lignoselluloosasta siten, että käytettävä raaka-aine hydrolysoidaan ennen käymisprosessia. Raaka-ainepohjan laajeneminen selluloosapohjaisiin raaka-aineisiin mahdollistaa lajitellun yhdyskuntajätteen käytön, jolloin raaka-aineeksi soveltuvat pakkausjätteet voidaan erilliskerätä ja lajitella koneellisesti keräyksen jälkeen. Selluloosapohjaisen etanolituotannon kehittäminen on luonut edellytykset valmistaa etanolia myös oljesta, jota syntyy maatalouden sivuvirtana, sekä sahanpurusta.

Bioetanolia voidaan sekoittaa eri pitoisuuksina fossiilisen bensiinin joukkoon. Suomessa 95 E10 -bensiini sisältää enintään 10 tilavuusprosenttia etanolia ja jonkin verran eettereitä. 98 E5 -bensiini sisältää enintään 5 tilavuusprosenttia etanolia.

Bioetanolista voidaan valmistaa myös korkeaseosetanolipolttoainetta E85, joka sisältää enintään 85 tilavuusprosenttia etanolia. Suomessa on markkinoilla korkeaseosetanolipolttoainetta, jossa on 70–85 tilavuusprosenttia etanolia ja loput bensiiniä.

Bioetanolista jalostetut eetterit (ETBE, TAEE)

Polttoainekäyttöön soveltuvia eettereitä voidaan valmistaa myös bioetanolista ja hiilivedyistä, jolloin saadaan osittain bioperäistä eetteriä.

Etyylitertiääributyylieetteri (ETBE) ja tertiääriamyylietyylieetteri (TAEE) ovat korkeaoktaanisia bensiinin lisäaineena käytettäviä oksygenaatteja. Niiden käytön tarkoituksena on parantaa bensiinin palamista ja vähentää syntyneitä päästöjä.

Käytöstä saavutettuja tärkeimpiä etuja ovat bensiinin matala rikkipitoisuus, matala aromaattipitoisuus, palaessa syntyvien hiilidioksidi- ja hiilimonoksidipäästöjen väheneminen sekä korkea oktaaniluku. Korkean oktaaniluvun ansiosta oktaanilukua nostavat lyijy-yhdisteet voidaan korvata esimerkiksi ETBE:llä. ETBE:tä ja TAEE:tä voidaan sekoittaa bensiiniin enintään 22 tilavuusprosenttia bensiinistandardin EN 228 laatuvaatimusten mukaan.

Muut bensiinin biokomponentit

Etanolin ja etanolista jatkojalostettujen eettereiden lisäksi on myös muita biokomponentteja bensiinin biosisällön nostamiseksi.

Polttoaineteknisesti etanolin kanssa samantyyppisiä bensiinin biokomponentteja ovat esimerkiksi biobutanoli ja biometanoli sekä siitä valmistettavat bioeetterit, kuten metyylitertiääributyylieetteri (MTBE). Näillä komponenteilla saadaan ottomoottorikäyttöön laajempi tähderaaka-ainevalikoima, jolloin biopolttoainetuotanto ei kilpaile samoista raaka-aineista ruoantuotannon kanssa. Happipitoisina polttoaineina myös näiden alkoholien ja eettereiden käyttöä rajoittavat nykyisen autokannan asettamat rajoitteet polttoaineen happipitoisuudelle.

Bioalkoholien ja bioeettereiden lisäksi nykyaikaisissa, ensisijaisesti uusiutuvan dieselin (HVO, BTL) valmistukseen rakennetuissa öljynjalostamoissa voidaan valmistaa osa tuotannosta biobensiiniksi.

Myös fossiilisia öljytuotteita raakaöljystä valmistavissa öljynjalostamoissa osa raakaöljystä voidaan korvata bioraaka-aineilla (nk. "co-feed"), jolloin saadaan valmistetuksi biobensiiniä. Näillä tavoilla valmistetulla biobensiinillä on alkoholeihin ja eettereihin verrattuna huomattavasti korkeampi energiasisältö ja ne soveltuvat käytettäväksi nykyisessä autokannassa sellaisenaan ilman moottoriteknisiä rajoitteita.

Erilaisia hapellisia ja hapettomia biokomponentteja yhdistämällä uusiutuvan energian osuutta on mahdollista lisätä bensiinissä jopa yli 20 prosentin ilman, että yhteensopivuudesta nykyisen autokannan kanssa tulee ongelma. Parhailla biokomponenttien yhdistelmillä autojen pakokaasut ovat vähemmän haitallisia kuin käytettäessä fossiilisia polttoaineita.

Dieselmoottoripolttoaineiden biokomponentit

Biodiesel FAME (Fatty Acid Methyl Ester)

Biodiesel on yleisnimitys, joka kattaa orgaanisesta raaka-aineesta tehdyt metyyliesterit, FAMEt. Biodieseliä voidaan valmistaa esteröimällä kasviöljyjä tai eläinrasvoja.

Rapsi on yksi Euroopan tärkeimmistä öljykasveista ja tavallisin biodieselin raaka-aine. Rapsista tehty biodiesel tunnetaan nimellä rapsimetyyliesteri (RME – Rapeseed Methyl Ester). Euroopassa on laadittu FAMElle eurooppalainen standardi EN 14214. Standardi ei aseta rajoituksia käytettävälle raaka-aineelle.

Polttoainelaatudirektiivin ja dieselin laatustandardin EN 590 mukaan biodieseliksi kutsutaan vain FAME- tyyppistä tuotetta, ja sen pitoisuus dieselöljyssä on rajoitettu tällä hetkellä enintään 7 tilavuusprosenttiin. 

Vetykäsitelty kasviöljy HVO (Hydrotreated Vegetable Oil)

Vetykäsitelty kasviöljy eli HVO on tyypillisesti dieseliin sekoitettava biopolttoaine. Kemiallisesti HVO-diesel on perinteisen hiilivetydieselin kaltainen hapeton, mutta biologista alkuperää oleva hiilivetytuote. EU-direktiivien mukaan HVO ei ole biodieseliä, vaan öljykasveista tai eläinrasvoista vetykäsittelyprosessilla valmistettua synteettistä polttoainetta, parafiinista dieseliä. Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa siitä käytetään selkeyden vuoksi ja erotukseksi biodieselistä nimitystä ”Renewable Diesel”, uusiutuva diesel.

Uusia raaka-aineita tutkitaan HVO:n syöttöaineiksi jatkuvasti. Jo tänä päivänä käytetään laajaa raaka-ainekirjoa, esimerkiksi kasviöljyjä, eläinrasvajätettä tai kasviöljytuotannon tähdevirtoja. Erityisesti puupohjaiset raaka-aineet, syötäväksi kelpaamattomat kasviöljyt sekä levä- ja mikrobiöljyt ovat kiinnostuksen kohteena tulevaisuuden uusina raaka-ainevaihtoehtoina.

Uusiutuva diesel soveltuu kaikkiin dieselmoottoreihin periaatteessa sellaisenaan.

Polttoainelaatudirektiivi ja dieselstandardi eivät rajoita HVO-pitoisuutta dieselissä, kunhan muut numeeriset laatuvaatimukset täyttyvät. Käytännössä HVO:ta voidaan sekoittaa 30–50 prosentin tilavuusosuuteen saakka riippuen fossiilisen dieselin ominaisuuksista.

Fischer-Tropsch –polttoaineet, BTL (Biomass to Liquids)

Kiinteästä biomassasta ja metsätähteestä Fischer-Tropsch (FT) -synteesin avulla kaasuttamalla valmistettu BTL-diesel on synteettistä, parafiinista dieseliä.

Raaka-aineena voidaan käyttää esimerkiksi metsäteollisuuden jätepuuainesta, maatalousjätettä, yhdyskuntajätettä tai erityyppisiä kasveja. Vaikka kaasutusta ja FT-synteesiä käytetään nykyisin pääasiassa dieselin valmistukseen, voi prosessin optimoida myös bensiiniin tuotantoon.

Suuren mittakaavan BTL-laitoksen isoin haaste on sen korkea investointikustannus. BTL-dieseliä tuotetaankin toistaiseksi vasta koelaitoksissa pieniä määriä, mutta Suomessa useat yritykset näkevät kotimaisessa puupohjaisessa BTL-tuotannossa merkittäviä mahdollisuuksia.

Etanolidiesel (ED95)

Etanoli ei sellaisenaan käy dieselmoottoriin huonon syttyvyytensä, ts. korkean oktaaniluvun vuoksi. Etanolidieselissä käytetty etanoli voi teknisistä syistä sisältää vettä enintään 6,5 massaprosenttia, jotta pakokaasujen typenoksiditasot saadaan pidettyä mahdollisimman alhaisina.

Etanolidiesel sisältää tyypillisesti 92 % vesipitoista etanolia, syttyvyyttä parantavia lisäaineita 5 % sekä eettereitä ja isobutanolia 3 %. Jälkimmäiset toimivat denaturointiaineina. Etanolidiesel ei sovellu tavallisiin dieselmoottoreihin, vaan se vaatii moottorin, jonka materiaalit, polttoainesuuttimet ja käynnistinmoottori on suunniteltu korkeaa etanolipitoisuutta varten. Tällä hetkellä niitä valmistaa laajamittaisesti ainoastaan Scania. Etanolidieselin käyttöä ollaan aloittamassa Suomessa käyttöpilottien hyvien kokemuksien kannustamana.

Uusia raaka-aineita tutkitaan jatkuvasti

Uusia raaka-aineita tutkitaan jatkuvasti sekä FAME:n että HVO:n syöttöaineiksi. Erityisesti syötäväksi kelpaamattomien kasviöljyjen sekä levä- ja mikrobiöljyjen kasvatus biopolttoaineiden raaka-aineeksi on kiinnostuksen kohteena, mutta laajamittainen kaupallinen tuotanto odottanee tuloaan vielä vuosia.

Tulevaisuudessa raaka-ainepohja laajenee myös selluloosapohjaisiin raaka-aineisiin, mikä mahdollistaa lajitellun yhdyskuntajätteen käytön.

Raaka-aineeksi soveltuvat pakkausjätteet, jotka voidaan erilliskerätä tai lajitella koneellisesti keräyksen jälkeen. Selluloosapohjaisen etanolituotannon kehittäminen luo edellytykset valmistaa etanolia myös oljesta, jota syntyy maatalouden sivuvirtana.