Tiedotearkisto: 2014

Väitös tuo monipuolista tietoa polttoprossien vaikutuksista hiukkaspäästöihin

22.4.2014 8:14

Anna Freyn väitöstutkimus osoittaa, että polttoprosessien aiheuttamien hiukkaspäästöjen ominaisuudet riippuvat suuresti polttotekniikasta, palamisolosuhteista ja polttoaineesta.

Kuva: Eija Vallinheimo

Kuva: Eija Vallinheimo

Erilaiset polttoprosessit, kuten moottoriajoneuvot tieliikenteessä sekä energian pien- ja suurtuotanto, ovat merkittäviä hiukkaspäästöjen lähteitä. Polttoteknologia ja -olosuhteet sekä polttoaine vaikuttavat selvästi hiukkaspäästöjen kemiallisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin. "Tämän takia onkin tärkeä tuntea päästöhiukkasten ominaisuudet ja niihin vaikuttavat tekijät, jotta päästöjen vaikutuksia globaaliin ilmastoon, paikalliseen ja alueelliseen ilmanlaatuun sekä ihmisten terveyteen voidaan arvioida", Ilmatieteen laitoksella tutkijana toimiva Anna Frey sanoo.

Väitöstutkimuksen tavoitteena oli parantaa ja monipuolistaa tietämystä polttoprosessien aiheuttamien hiukkaspäästöjen kemiallisesta koostumuksesta, hiukkaskokojakaumista, ominaisuuksista sekä hygroskooppisuudesta käyttäen nykyaikaisia mittaus- ja datan analysointitekniikoita. Väitöskirjassa keskityttiin pääosin päästöjen siihen osaan, joka voidaan määritellä vaikeasti haihtuvaksi tai tulenkestäväksi.

Suurtuotantolaitosten päästöt pieniä verrattuna pienpolttoon

Väitöskirjatyön yhteydessä tutkittiin puun ja puupellettien pienpolton sekä suurissa tuotantolaitoksissa poltettavan raskaan polttoöljyn ja kivihiilen primäärisiä hiukkaspäästöjä. Tulokset osoittivat, että tehokkaita ja kontrolloituja polttotekniikoita käyttävien suurtuotantolaitosten, joiden polttoaineina käytettiin pääosin kivihiiltä ja raskasta polttoöljyä, hiukkaspäästöt olivat selvästi pienemmät kuin puun ja puupellettien pienpoltosta aiheutuvat hiukkaspäästöt.

Varaavien takkojen päästöt suuria epätäydellisen palamisen takia

Erot hiukkaspäästöissä pienpolton ja suurtuotantolaitosten eri polttotilanteiden välillä olivat myös merkittäviä. Päästöihin vaikuttivat poltto- ja puhdistustekniikka, polttoaine ja palamisolosuhteet. Pienpoltossa etenkin varaavan takan hiukkaspäästöt sisälsivät huomattavan määrän mustaa hiiltä ja orgaanisia aineita, jotka ovat merkkejä epätäydellisestä palamisesta. Suurtuotantolaitosten päästöissä näiden komponenttien osuudet olivat olemattomat. Lisäksi tutkimus osoitti, että puun pienpolton hiukkaspäästöjä voi pienentää huomattavasti huolehtimalla esimerkiksi siitä, että tulipesää ei ladota liian täyteen ja että polttotapahtuma saa riittävästi palamisilmaa. Myös liian pienen klapikoon käyttäminen voi kasvattaa hiukkaspäästöjä. Puiden sytyttäminen tulisi tehdä puukasan päältä, jotta palotapahtuma lähtisi mahdollisimman tehokkaasti käyntiin.

Huomattava mustan hiilen osuus varaavan takan ja yllättäen joissakin tapauksissa myös raskaan polttoöljyn polton hiukkaspäästöissä vaikuttaisi tutkimuksen laskelmien mukaan ilmastoon lämmittävästi tummien pintojen, kuten nurmikkoalueiden, yllä. Raskaan polttoöljyn poltosta syntyvät hiukkaset olivat myös selvästi hygroskooppisia, joten niillä voisi olla merkittävä vaikutus myös pilvien muodostumiseen. Kivihiilen polton puhdistamattomat hiukkaspäästöt olivat varsin matalat ja tehokas savukaasujen puhdistustekniikka vähensi lopulliset päästöt vain murto-osaan alkuperäisistä.

Menetelmä liikennepäästöjen vaikutuksesta ilmamassoihin

Yksi osa väitöskirjatutkimuksesta testasi mittausjärjestelmää, joka mahdollisti haihtumattomien komponenttien osuuden määrittämisen kaupungin taustailmasta mitatuissa hiukkasissa. Tämä osuus koostui todennäköisimmin liikennepäästöjen nokihiukkasista. Työssä verrattiin ja yhdisteltiin useiden mittalaitteiden ja mallinnusten tuottamia tuloksia. Tutkimus osoitti, että käytetyillä menetelmillä pystytään luotettavasti saamaan tietoa nokihiukkasten osuudesta, hiukkasten seosominaisuuksista sekä taitekertoimista. Menetelmällä pystyttiin arvioimaan, milloin primäärisillä liikennepäästöillä oli vaikutusta ilmamassoihin.

Tutkimustulokset näyttivät, että syy-seuraussuhteiden tuntemus polttoprosessien ja hiukkasten ominaisuuksien välillä on erittäin tärkeää, kun halutaan arvioida hiukkasten ilmasto- ja terveysvaikutuksia. Toisaalta polttoprosessien aiheuttamien päästöjen tuntemus mahdollistaa parhaiden mahdollisten polttotekniikoiden kehittämisen ja käyttöönoton.

Anna Frey on syntynyt vuonna 1979 Lohjalla. Hän on kirjoittanut ylioppilaaksi vuonna 1998 Kajaanin Linnan lukiosta ja suorittanut diplomi-insinöörin tutkinnon teknillisestä fysiikasta vuonna 2003 Tampereen teknillisestä korkeakoulusta (nyk. Tampereen teknillinen yliopisto).

Frey väittelee 25.4.2014 kello 12 Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa aiheesta "Study on soot and other refractory components from various combustion processes". Väitös kuuluu fysiikan alaan. Väitöstilaisuus järjestetään osoitteessa Physicum, auditorio E204, Gustaf Hällströmin katu 2a, Helsinki. Vastaväittäjänä on dosentti Jorma Joutsensaari Itä-Suomen yliopistosta Kuopiosta ja kustoksena professori Tuukka Petäjä.
Väitöskirja julkaistaan sarjassa Finnish Meteorological Institute Contributions.

Lisätiedot:

Tutkija Anna Frey, puh. 050 5665 104, anna.frey@fmi.fi