Maakaasuvuotojen vaikutus ilmastoon

Maakaasun energiakäyttöä puolustellaan usein sillä, että kaasun polttamisen hiilidioksidipäästö on pienempi kuin muilla polttoaineilla. Tämä pitää periaatteessa paikkansa, mutta kaasulla on varjopuolensakin, josta ei kovin usein kuule puhuttavan. Maakaasu on suurimmaksi osaksi metaania, joka on itsessään voimakas kasvihuonekaasu. Pienetkin vuodot maakaasun tuotantoketjussa heikentävät huomattavasti kaasun paremmuutta muihin fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. Varsinkin lyhyellä aikavälillä vuodot saattavat mitätöidä polton pienemmät CO2-päästöt kokonaan.

Selvitetään laskemalla, kuinka paljon kaasusta saa vuotaa raakana ilmakehään, ennen kuin vuoto mitätöi kaasun polton pienemmän CO2-päästön.

Metaani säilyy ilmakehässä lyhemmän aikaa kuin hiilidioksidi, joten sen kasvihuonevaikutus myös vähenee ajan myötä. Kasvihuonekaasuille ilmoitetaan CO2-ekvivalentti. Se on lukuarvo, joka ilmoittaa, mikä kaasun kasvihuonevaikutus on hiilidioksidiin verrattuna, hiilidioksidin lukuarvon ollessa tasan yksi. Esimerkiksi yleisen jääkaappikylmäaineen R134a luku on 1300, ja viime aikoina uutisiinkin nousseen rikkiheksafluoridin arvo on peräti 23500. Toisin sanoen, yksi kilogramma rikkiheksafluoridia ilmakehässä aiheuttaa yhtä suuren kasvihuonevaikutuksen kuin 23500 kilogrammaa hiilidioksidia.

Koska metaani poistuu ilmakehästä suhteellisen nopeasti, sen CO2-ekvivalentti riippuu tarkastelujakson pituudesta. Yleisesti vertailuissa käytetään kahta jakson pituutta: 20 vuotta ja 100 vuotta. Vastaavat CO2-ekvivalentit ovat 85 ja 30. Nämä arvot löytyvät vuoden 2013 IPCC-raportista (Table 8.A.1), mutta ne saattavat vielä tutkimuksen edetessä muuttua.

Vertailu kivihiileen lämmöntuotannossa

Metaanin alempi lämpöarvo on 50 MJ/kg (13,9 kWh/kg). Metaanin CO2-päästökerroin on 2,77, eli kun poltetaan 1 kg metaania syntyy 2,77 kg hiilidioksidia. Kivihiilen vastaavat arvot riippuvat paljon hiilen laadusta. Käytetään tässä esimerkissä tilastokeskuksen taulukossa POLTTOAINELUOKITUS 2019 antamia lukuja 24,8 MJ/kg (6,89 kWh/kg) ja päästökertoimena 2,3.

Kun tuotetaan yksi megawattitunti lämpöenergiaa, täytyy polttaa:

  • Maakaasua: 1000 kWh / 13,9 kWh/kg = 72 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 199 kg.
  • Kivihiiltä: 1000 kWh / 6,89 kWh/kg = 145 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 334 kg.

Kaasulla saadaan siis sama lämpömäärä 73 kg (50%) vähemmällä polttoaineella ja 135 kg (40%) pienemmillä CO2-päästöillä.

Kasvihuonekaasuna 135 kg hiilidioksidia vastaa 20 vuoden tarkastelujaksolla 135/85 =  1,6 kg metaania. Jos metaania tuotetaan 73,6 kg, josta poltettavaksi päätyy 72 kg ja ilmakehään vuotaa 1,6 kg (1,6/73,6 = 2,2 %), on metaanivuoto mitätöinyt kaasun pienemmän CO2-päästön. Jos vuodon määrä on suurempi kuin 2,2 %, kaasun kasvihuonevaikutus on suurempi kuin hiilellä.

Näin olleen lämmöntuotannossa maakaasun kivihiiltä pienemmät CO2-päästöt mitätöytyvät kokonaan, jos kaasusta vuotaa raakana ilmakehään:

    • 20 vuoden tarkastelujaksolla 2,2 %
    • 100 vuoden tarkastelujaksolla 5,8 %

Vertailu öljyyn lämmöntuotannossa

Raskaan polttoöljyn lämpöarvo on 42 MJ/kg (11,7 kWh/kg) ja päästökerroin 3,2.

Kun tuotetaan yksi megawattitunti lämpöenergiaa, täytyy polttaa:

  • Maakaasua: 1000 kWh / 13,9 kWh/kg = 72 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 199 kg.
  • Raskasta polttoöljyä: 1000 kWh / 11,7 kWh/kg = 86 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 274 kg.

Kaasulla saadaan sama lämpömäärä 14 kg (16%) vähemmällä polttoaineella ja 75 kg (27%) pienemmillä CO2-päästöillä.

Kasvihuonekaasuna 75 kg hiilidioksidia vastaa 20 vuoden tarkastelujaksolla 75/85 =  0,9 kg metaania.

Lämmöntuotannossa maakaasun öljyä pienemmät CO2-päästöt mitätöytyvät kokonaan, jos kaasusta vuotaa raakana ilmakehään:

    • 20 vuoden tarkastelujaksolla 1,2 %
    • 100 vuoden tarkastelujaksolla 3,4 %

Vertailu kivihiileen sähköntuotannossa

Sähköntuotannossa tilanne on hiukan monimutkaisempi. Hiili poltetaan höyrykattilassa, jonka tuottamalla höyryllä ajetaan höyryturbiinia. Kaasu soveltuu kaasuturbiinin polttoaineeksi, jolloin voidaan käyttää kombiprosessia. Siinä osa sähköstä tehdään kaasuturbiinilla. Turbiinin kuumat pakokaasut johdetaan pakokaasukattilaan, josta saadaan vielä höyryä höyryturbiinille. Tällaisen kombiprosessin hyötysuhde on huomattavasti parempi kuin pelkän höyryprosessin.

Käytetään tässä esimerkissä molempien prosessien parhaita hyötysuhteita, jotka ovat hiilivoimalalle 47 % ja kaasuvoimalalle 63 %.

Sähköntuotannossa, kummallekin polttoaineille parhailla käytettävissä olevilla teknologioilla, kaasun pienemmän CO2-päästön mitätöivät vuotomäärät ovat seuraavat:

  • 20 vuotta 4 %
  • 100 vuotta 10 %

Jos vain suoraan vaihdetaan hiilikattilan polttoaine maakaasuksi, hyötysuhde ei muutu ja ero polttoaineiden välillä on sama kuin lämmöntuotannossa.

Vertailu polttoöljyyn laivakäytössä

LNG-laivoja on nyt alkanut tulla liikenteeseen, koska laivojen pakokaasupäästöjä on haluttu saada pienemmiksi. Maakaasu on teknisesti hyvä polttoaine myös mäntämoottoriin. Moottorin hyötysuhteet molemmilla polttoaineilla ovat jokseenkin samat, joten hyötysuhde ei vaikuta tulokseen. Parhailla mäntäkoneilla voidaan saavuttaa noin 50 % hyötysuhde.

Laivakäytössä kaasun pienempi CO2-päästö mitätöityy vuotomäärillä:

  • 20 vuotta 1,2 %
  • 100 vuotta 3,4 %

Kaasumoottorit päästävät pienen määrän metaania raakana läpi pakoputkeen. Tämä ”metaanislippi” on ominaista Otto-moottoreille, joissa kaasu syötetään palotilaan ilman mukana imutahdin aikana ja sytytetään sytystulpalla tai sytyspolttoaineella, joka ruiskutetaan sylinteriin puristustahdin lopussa. Palotilassa on paikkoja, jonne kaasu pääsee ”piiloon”, jolloin se ei osallistu palamiseen. Näitä ovat mm. rako männän ja sylinterin välissä ylimmän männärenkaan yläpuolella, sekä kannen ja sylinteriputken välinen rako kannentiivisteen sisäpuolella. Toinen syy on epätäydellinen palaminen. Metaanin palaminen vaatii yli 600 °C lämpötilan. Palotilan seinämien lähellä lämpötila voi laskea tämän alle, jolloin palaminen estyy ja osa metaanista jää palamatta. Tätä esiintyy etenkin osatehoilla ajettaessa.  Metaani on myös itse asiassa melko vaikea saada syttymään, koska sen syttymisraja on hyvin kapea. Metaania pitää olla ilmassa 5…15 %, muuten se ei syty. Jos sitä on vähemän kuin 5 % tai enemmän kuin 15 %, se ei syty. Tämä on turvallisuusmielessä hyvä asia, mutta polttoteknisesti huono.

Raportissa GHG and NOx emissions from gas fuelled engines todetaan (Table 1.1), että suositusrajat vuoden 2010 jälkeen valmistetujen laivamoottoreiden metaanipäästöille ovat moottorityypistä riippuen 25,4 tai 43,2 g/kg polttoainetta (=4,1 tai 6,9 g/kWh). Prosenteissa ilmaistuna slippirajat ovat 2,5…4,3 %, joten tämä pelkkä metaanislippi mitätöi pienemmän CO2-päästön 20 vuoden tarkastelujaksolla (1,2 %) ja voi tehdä sen myös sadan vuoden jaksolla (3,4 %).

Toisaalla tekstissä todetaan:

LPDF gas engine optimised for low methane slip by improved process control and minimise dead space in combustion chamber by design, can reduce the methane slip to a level of 3,0 – 4,0 g/kWh. This means that ships operating LPDF gas engines can give a net reduction of greenhouse gases (GHG) including methane. How large the reduction of GHG can be is depending of operation profile and the fuel in comparison, a reduction range 5-10% is achievable compare to diesel oil operation.

Optimoimalla moottori kaasukäytölle, metaanislippi voidaan siis pudottaa tasoon 3,0…4,0 g/kWh, mikä vastaa 1,7…2,3 %. Huomataan, että tämä on enemmän kuin 20 vuoden tarkastelujaksolle sallittu 1,2 % mutta vähemmän kuin 100 vuoden tarkastelujaksolle sallittu 3,4 %. Kun otetaan huomioon myös maakaasun tuotannon, kuljetuksen, nesteytyksen sekä varastoinnin metaanipäästöt, on hyvin todennäköistä, että maakaasun käyttö laivojen polttoaineena ei vähennä meriliikenteen kasvihuonekaasupäästöjä, vaan voi jopa lisätä niitä. Muut päästöt maakaasulla ovat toki pienemmät kuin raskaalla polttoöljyllä.

On myös kaasudieselmoottoreita, joissa kaasu syötetään palotilaan suurella paineella puristustahdin lopussa. Näissä moottoreissa metaanislippiä ei esiinny juuri ollenkaan, koska kaasu palaa ennen kuin se ehtii paikkoihin, jossa se jäisi palamatta. Kaasu ei kuitenkaan syty itsestään, kuten dieselpolttoaine, vaan moottori tarvitsee kaasun lisäksi pienen määrän polttoöljyä sytytyspolttoaineeksi. Tällaisen moottorin polttoainejärjestelmä on kallis, eivätkä ne ilmeisesti sen vuoksi ole yleistyneet.

Yhteenveto

Käyttökohde, korvattava polttoaine 20 vuotta 100 vuotta
Lämpö, kivihiili 2,2 % 5,8 %
Lämpö, raskas polttoöljy 1,2 % 3,4 %
Sähkö, kivihiili 4 % 10 %
Laivapolttoaine, polttoöljy 1,2 % 3,4 %

Tulokset ja laskukaavat Google-taulukkona. Voit ladata itsellesi Exceliin ja kokeilla erilaisia tapauksia. Taulukossa on valmiiksi laskettuna muutama muu tapaus tässä esiteltyjen lisäksi.

Maakaasua vuotaa jonkin verran tuotantoketjun kaikissa vaihessa, tuotannossa, kuljetuksessa, varastoinnissa ja käytössä, sekä myös suljetuista kaasulähteistä. Tarkkoja vuotomääriä ei ole tiedossa, eikä niihin tässä artikkelissä syvennytä. Liitteenä kuitenkin joitain linkkejä (lähteet 10-14). Lähde 10, Alvarez et al. 2018, totetaa Yhdysvaltojen kaasuntuotannon vuotojen olevan 2,3 %. Suljettujen ja käytöstä poistettujen porausreikien vuotoja ei tiedetä. Venäjän kaasuntuotannon vuodoista ei varmasti ole mitään tarkkoja tietoja. Voidaan kuitenkin olettaa vuotomäärien olevan venäjällä suurempia kuin Yhdysvalloissa.

Voitaneen pitää mahdollisena, että ainakaan 20 vuoden tarkastelujaksolla maakaasu ei ole kasvihuonekaasupäästöjen osalta haitattomampi polttoaine kuin muut hiilivetypolttoaineet, kivihiili mukaan lukien. Sadan vuoden tarkastelujaksolla se voi sitä joissain tapauksissa olla, mutta ero muihin hiilivetypolttoaineisiin voi olla vähäisempi kuin yleisesti oletetaan. Koska päästöjen vähentämisen pitäisi alkaa nyt eikä yli 20 vuoden kuluttua, herää kysymys, kannattaako ylipäätään mitään polttoaineita vaihtaa maakaasuksi vain kasvihuonekaasujen vähentämisen toivossa, vai onko tehokkaampaa jättää tämä välivaihe pois, kunnes ollaan valmiita siirtymään lopulliseen, päästöttömään energialähteeseen?

Biokaasu on myös metaania, jota varmasti vuotaa tuotannon ja käytön eri vaihessa yhtälailla kuin maakaasua.

Muut fossiiliset polttoaineet

Myös muiden fossiilisten polttoaineiden tuotannossa vapautuu metaania ilmakehään. Jotta vertailu oli oikeudenmukainen, tämä pitäisi vertailussa ottaa huomioon, koska se tekee maakaasusta vähän tässä esitettyä vähäpäästöisemmän polttoaineen suhteessa muihin polttoaineisiin. Se ei johdu siitä, että maakaasu olisi tässä esitettyä parempi, vaan siitä, että muut foossiiliset polttoaineet ovat yleistä käsitystä pahempia.

Kaikenkaikkiaan oljyn JA kaasun tuotannon metaanuovuotojen on arvioitu olevan 6% koko energiasektorin kasvihuonekaasupäästöistä. Kivihiilen tuotannon metaanipäästöistä käytetään termiä ”Emission factor” jonka yksikkö on m3CH4/tonni tuotettua hiiltä. IPCC on käyttänyt tässä esitettyjä lukuarvoja, joskin kooste on jo jonkin verran vanha ja mahdollisesti parempaakin tietoa löytyy. Kaivoshiilen metaanipäästöt ovat noin kymmenkertaiset avolouhoksista saatavaan hiileen verrattuna, vaihteluvälin ollessa 10…25 m3CH4/tonni. Sen lisäksi tulee käsittelyn ja kuljetuksen aikaisen päästöt 0,9…4 m3 CH4/tonni. Kun nämä lasketaan yhteen, saadaan vaihteluväliksi 10,9…29 m3CH4/tonni. Jos näiden keskiarvo 20 m3CH4/tonni  muutetaan CO2-ekvivalentiksi ja listätään hiilen CO2 päästöön kohdan ”Vertailu kivihiileen lämmöntuotannossa” esimerkissä, saadaan tulokseksi, että päästö onkin 334 kg sijasta 20 vuoden tarkastelujaksolla 469 kg ja 100 vuoden jaksolla 366 kg. Vastaavat kaasun pienemmät CO2-päästöt mitätöivät metaanivuodot ovat 20 vuotta 4,2 % ja 100 vuotta 7,2 %, kun ne ilman kivihiilen metaanin huomioon ottamista olivat 2,2 ja 5,8 %.

Polttoaineiden tuotannon päästöt ovat enemmän tai vähemmän arvioita, koska suoria mittauksia on lähes mahdotonta tehdä. Myös erot eri alueiden, jopa eri kaivosten välillä ovat suuria.

Näissä laskelmissa käytettiin CO2-päästökerrointa. Sama asia voidaan ilmaista myös ominaispäästönä, joka voi olla helpompi hahmottaa. Tässä havainnollinen kaavio eri polttoaineiden ominaispäästöistä, mutta kuten todettiin, tämä ei ole koko totuus. Kun tuotannon, varastoinnin, kuljetukset ja käytön päästöt otetaan mukaan, ovat kaikkien polttoaineiden päästöt suurempia kuin kaaviossa esitetyt, ja niiden järjestyskin voi poiketa esitetystä.

Metaani ilmakehässä

Metaanin määrä ilmakehässä on kasvussa.

Se on heti hiilidioksidin jälken[1] merkittävin kasvihuonekaasu, jonka säteilypakote on n. 0,48 W/m2 kun hiilidioksidilla se on 1,46 W/m2.

Metaanin päästölähteitä on paljon muitakin, joista osa on luonnollisia, mutta polttoaineiden aiheuttamat metaanipäästöt ovat sen verran suuria, että ne on syytä tiedostaa nykyistä paremmin, myös maakaasun osalta, joka mielletään muita polttoaineita vähäpäästöisempänä ja ympäristöystävällisempänä vaihtoehtona.

[1] Ilmaston kannalta merkittäväin kasvihuonekaasu on vesihöyry. Se ei kuitenkaan ole antropogeeninen kasvihuonekaasu. Sen elinikä ilmakehässä on hyvin lyhyt, sen pitoisuus riippuu ilman lämpötilasta eikä ihmistoiminta vaikuta ilmakehän vesihöyryn määrään suoraan kuin korkeintaan paikallisesti.

Tämä artikkeli on julkaistu myös englanniksi: CLIMATE EFFECTS OF NATURAL GAS LEAKAGE

  1. Maakaasu, käyttöturvallisuustiedote
  2. POLTTOAINELUOKITUS 2019
  3. Natural Gas Composition
  4. Chemical Composition of Natural Gas
  5. IPCC AR5 / Climate Change 2013: The Physical Science Basis / Anthropogenic and Natural Radiative Forcing / Appendix 8.A: Lifetimes, Radiative Efficiencies and Metric Values / Table 8.A.1
  6. Who Has the World’s Most Efficient Coal Power Plant Fleet?
  7. Most efficient combined cycle power plant
  8. CO2 Emission Factors for Fossil Fuels / 7 Selected fuel-related CO2 emission factors
  9. GHG and NOx emissions from gas fuelled engines
  10. Assessment of Methane Emissions from the U.S. Oil and Gas Supply Chain
  11. CALLING NATURAL GAS A ‘BRIDGE FUEL’ IS ALARMINGLY DECEPTIVE
  12. Pennsylvania Oil and Gas Emissions Data
  13. Assessment of methane emissions from the U.S. oil and gas supply chain
  14. Wikipedia: Atmospheric methane
  15. Methane emissions from oil and gas
  16. Methane Emissions in the Oil and Gas Industry
  17. Fracking boom tied to methane spike in Earth’s atmosphere
  18. CH4 EMISSIONS: COAL MINING AND HANDLING
  19. Nesteytetyn maakaasun piti torjua ilmastonmuutosta – Uusi tutkimus tyrmää ilmastohyödyn kokonaan