Biokaasun tuotanto maatilalla

2

Johdanto 2

Biokaasun tuotannon biologinen tausta 3Prosessin neljä vaihetta 4Metaania muodostavat bakteerit 4Happi 4Lämpötila 5pH-arvo 6Ravinteet 6Prosessille haitalliset aineet 7

Biokaasun muodostuminen käytännössä 8Biokaasun raaka-aineet 8Mädätettävän aineksen käsittelyvaatimukset ja laitoksen luvitus 9Kaasuntuotanto ja kaasun laatu 10Viipymäaika 11Reaktorin kuormitus 12Sekoittaminen 12Mädätysjäännös 13

Tuotantotekniikka 14Metaanin spontaani muodostuminen 14Yksinkertaisia biokaasulaitoksia 14Märkämädätyslaitokset 15Kuivamädätys 17

Kaasun käyttökohteet 18Arvokas polttoaine 18Lämmöntuotanto 18Sähkön ja lämmöntuotanto 18Kaasun myyminen paikallisesti 20Kaasun syöttäminen maakaasuverkkoon 20Kaasun jalostaminen liikennepolttoaineeksi 21

Esimerkki: Biokaasuntuotanto maitotilalla 23Lanta raaka-aineena 23Energianurmi raaka-aineena 24Sähkön ja lämmön yhteistuotanto 24Prosessilämpö 24Biokaasulaitoksen mitoitus 25Biokaasulaitoksen kannattavuus 25

Sisällysluettelo

Johdanto

Biokaasusta on kaksi kolmasosaa metaania ja kolmasosa hiilidioksidia. Sitä voidaan käyttää lämmöntuotan-non polttoaineena kaasukattiloissa tai kaasumoottorissa lämmön ja sähkön tuottamiseksi tai jalostaa liikennepolttoaineeksi.

Biokaasu on mätänemisen eli biolo-gisen hajoamisprosessin tulos, jota tapahtuu luonnossa hapettomissa ympäristöissä. Maatiloilla biokaasua voi tuottaa mädättämällä eloperäis-tä ainesta, kuten lantaa tai rehua, valvotuissa olosuhteissa. Myös bio-jätteet ovat erinomaisia biokaasun raaka-aineita.

Suomessa elintarviketurvallisuus-virasto Evira asettaa vaatimukset hyväksyttäville biokaasun käsittely-laitoksille ja -prosesseille.

Toivomme tämän oppaan antavan hyvää lähtötietoa biokaasun tuotan-toa suunnitteleville tai muuten asiasta kiinnostuneille.

Motiva Oy

3

Aine %

Metaani, CH4 55–75

Hiilidioksidi, CO2 25–45

Hiilimonoksidi, CO 0–0,3

Typpi, N2 1–5

Vety, H2 0–3

Rikkivety, H2S 0,1–0,5

Biokaasun tuotannon biologinen tausta

Biokaasu on kaasuseos (taulukko 1), joka koostuu noin kahdesta kolmasosasta me-taania ja yhdestä kolmasosasta hiilidioksi-dia. Kaasua voidaan käyttää lämmöntuo-tannon polttoaineena kaasukattiloissa tai polttaa kaasumoottorissa lämmön ja säh-kön tuottamiseksi (kuva 1). Lisäksi kaasua voidaan jalostaa liikennepolttoaineeksi.

Biokaasu on biologisen hajoamisprosessin tulos. Luonnossa sitä muodostuu muun muas sa hapettomissa järvien ja soiden poh-ja sedimenteissä, märehtijöiden pötseissä ja muissa paikoissa, joissa eloperäinen aines hajoaa hapettomissa olosuhteissa. Hapet-tomuus on keskeistä sille, että orgaanista materiaalia voidaan mädättämällä muuttaa poltettavaksi kaasuseokseksi. Mikäli hap-pea on läsnä, biologinen hajoaminen tapah-tuu kompostoitumisen kautta.

Kuva 1. Biokaasun tuotantolaitoksen ansiosta tila voi olla energiaomavarainen.

Taulukko 1. Biokaasun keskimääräinen koostumus

Kuva

Sak

ari A

lasu

utar

i / V

asta

valo

.fi

4

Prosessin neljä vaihetta

Biokaasun muodostuminen jaetaan neljään eri vaiheeseen, joissa kussakin toimii eri pieneliöryhmät. Nämä vaiheet ovat: liukois-tuminen (hydrolyysi), happokäyminen (asi-dogeneesi), etikkahappokäyminen (aseto-geneesi) ja metaanikäyminen (metanoge-neesi) (kuva 2).

Liukoistumisvaiheessa mädätettävän aineen kiinteät hiilihydraatit, valkuaisaineet ja ras-vat pilkkoutuvat ja liukenevat veteen yksin-kertaisemmiksi yhdisteiksi kuten sokereiksi, rasvahapoiksi ja aminohapoiksi. Pilkkoutu-minen tapahtuu pieneliöiden erittämien so-lun ulkoisten entsyymien avulla.

Happokäymisessä muodostuu liuenneista aineista yksinkertaisempia rasvahappoja, kuten propioni-, voi- ja etikkahappo. Nämä edelleen hajoavat etikkahapoksi ja hiilidiok-sidiksi.

Metaani syntyy etikkahaposta sekä reaktioi-den välituotteina syntyvistä vedystä ja hiili-dioksidista. Käymisvaiheissa syntyvät ras-vahapot ja vety ovat suurempina pitoisuuk-sina haitallisia pieneliöille, joten on tärkeää, että ne poistuvat metaanintuotannossa sa-maa tahtia kuin niitä syntyy. Biokaasutuo-tannon vaiheet eivät ole toisistaan erillisiä, vaan ne tapahtuvat samanaikaisina.

Metaania muodostavat bakteerit

Metaania muodostavat eliöt kuuluvat ark-kieliöiden ryhmään, ja ne ovat maapallom-me vanhimpia elämänmuotoja. Ne ovat pe-räisin ajalta, jolloin maapallon ilmakehä oli täysin erilainen kuin tänä päivänä. Monet nykyään elävistä arkkieliöistä ovat sopeutu-neet äärimmäisiin elinympäristöihin, kuten

korkeisiin lämpötiloihin tai suolapitoisuuk-siin. Yhteistä kaikille metaania muodosta-ville arkkieliöille on, etteivät ne siedä happea.

Biokaasun tuotannon eri vaiheisiin osallis-tuville eliöille parhaiten soveltuvat olosuh-teet poikkeavat eri ryhmien välillä happipi-toisuudeltaan, lämpötilaltaan ja pH-arvol-taan hieman. Metaania muodostavia eliöitä pidetään yleisesti vaatimuksiltaan tarkimpi-na ja myös hitaimmin lisääntyvinä. Tämän vuoksi olosuhteet biokaasulaitoksissa pyri-tään sopeuttamaan metaania muodostavien bakteereiden tarpeiden mukaan.

Happi

Metaania muodostaville eliöille happi on myrkky. Huolimatta siitä, että biokaasulai-tosten käytön yhteydessä pyritään välttä-mään materiaalin joutumista kosketuksiin hapen kanssa, biokaasureaktoriin pääsee pieniä määriä happea syötemateriaalin mu-kana ja sitä saatetaan syöttää rikin hapetta-miseksi kaasutilaan. Niin kauan kuin määrät ovat pieniä, ongelmia ei synny, koska bio-kaasun muodostuksen ensimmäiseen vai-heeseen osallistuvat fakultatiiviset anaero-biset bakteerit ja rikkiä hapettavat bakteerit pystyvät kuluttamaan hapen.

Orgaaninen aines

Helposti liukeneva orgaaninen materiaalihiilihydraatit, proteiinit, rasvat

Yksinkertaiset orgaaniset yhdisteetsokerit, aminohapot, yksinkertaiset rasvahapot

Liuos

Välituotteetrasvahapot, alkoholit

Haponmuodostus

Etikkahappo Kaasumainen vety ja hiilidioksidi

Etikkahapon tuotanto

Biokaasumetaani ja hiilidioksidi

Metaanin muodostus

Kuva 2. Biokaasun muodostuminen jaetaan neljään eri vaiheeseen, joissa eri pieneliöt ovat aktiivisia. Metaani muodostuu useiden välituotteiden kautta.

5

Lämpötila

Mitä korkeampi lämpötila on, sitä nopeam-pia kemialliset ja biologiset reaktiot yleensä ovat. Tämä koskee myös biokaasun muo-dostumista, mutta niissä rajoissa kuin pro-sessiin osallistuvat eliöt sietävät.

Toisin kuin kompostoinnissa, biokaasun tuo-tannon aikana syntyy vain hyvin vähän läm-pöä. On esitetty arvioita että 3–5 prosenttia eloperäisen aineen energiasisällöstä muut-tuu elintoimintojen kautta lämmöksi. Mei-dän ilmasto-oloissamme mädätyssäiliöiden tulee olla sekä hyvin eristettyjä että lämmi-tettyjä, jotta haluttua nopeaa hajoamista ja kaasuntuotantoa voitaisiin ylläpitää. Biokaa-sua muodostaville bakteereille on tärkeää, ettei mädätyssäiliön lämpötilassa tapahdu suuria muutoksia. Hitaat muutokset aiheut-tavat vähemmän ongelmia kuin nopeat muun muassa siksi, koska eliöt ehtivät sil-loin paremmin sopeutua muuttuneisiin olo-suhteisiin.

Paljon hiilihydraatteja sisältävän materiaa-lin mädäntyessä syntyy lämpöä, joka voi-daan suurissa reaktoreissa havaita. Tällöin reaktorista voi tulla itsestään lämpiävä. Jotta tällaista lämpenemistä voidaan edes havai-ta, tulee ulkolämpötilan olla korkea ja reakto-rin vaipan hyvin eristetty, sekä syötettävän

materiaalin kuiva-ainepitoisuudeltaan kor-keaa. Pääsääntöisesti lämpöenergian käyttö on kuitenkin biokaasuntuotannon edellytys.

Biokaasuprosessit jaetaan psykro-, meso- ja termofiilisiksi sen mukaan, millä lämpöti-la-alueella ne tapahtuvat.

Metaania muodostavia prosesseja, jotka ta-pahtuvat alle 25 °C lämpötilassa, kutsutaan psykrofiilisiksi. Tämäntyyppinen metaanin-tuotto on hidasta, ja kaasun muodostumi-nen on melko vähäistä. Tällainen kaasun muodostuminen on tavallista luonnossa soilla ja ihmistoiminnan seurauksena liete-altaissa.

Metaania muodostavia prosesseja, jotka toimivat lämpötilavälillä 32–42 °C, kutsu-taan mesofiilisiksi. Useimmat biokaasulai-tokset toimivat tällä lämpötilavälillä, joka on sama kuin kotieläimen ruoansulatuskana-van bakteereiden toimintalämpötila. Meso-fiilisten prosessien biokaasunmuodostus on hyvä, ja lisäksi prosessi on helppo pitää va-kaana.

Kuva 3. Suomen ilmasto-oloissa mädätyssäiliöiden pitää olla hyvin eristettyjä ja lämmitettyjä, jotta biokaasuprosessi pysyisi vakaana.

Kuva 4. Metaania muodostavat bakteerit ovat yksin-kertaisia arkkieliöitä, jotka eivät siedä happea, Methanosarsina mazei -bakteereita elektroni-mikroskooppikuvassa.

Kuva

Jaak

ko V

ähäm

äki /

Vas

tava

lo.fi

Kuva

Ral

ph R

obin

son

/ G

etty

Imag

es

6

Termofiilinen mädäntyminen on hajoamista, joka tapahtuu lämpötilavälillä 50–60 °C. Termofiilisessä mädätyksessä materiaalin hajoaminen vie vain puolesta kahteen kol-masosaan siitä ajasta kuin mesofiilisessä mädätyksessä. Näin yksi ja sama laitos voi toimia parhaassa tapauksessa kaksinkertai-sella teholla termofiilisellä lämpötila-alueel-la verrattuna mesofiiliseen alueeseen. Hait-tapuolena on, että termofiiliset biokaasu-prosessit ovat mesofiilisiä prosesseja her-kempiä häiriöille. Lisäksi energiankulutus on termofiilisissä prosesseissa korkeam-man käyttölämpötilan vuoksi suurempi, mi-kä johtuu lämpöhävikistä ympäristöön ja mädätettävän materiaalin lämmittämiseen tarvittavasta energiasta.

pH-arvo

Biokaasuprosessin eri vaiheisiin osallistuvil-la bakteereilla on eri pH-alueita, joissa ne viihtyvät parhaiten. Hydrolysoivat ja hap-

poa muodostavat bakteerit viihtyvät par-haiten selvästi happamalla alueella (pH 4,5–6,3). Nämä bakteerit pystyvät elämään neutraaleissa olosuhteissa, mutta niiden aktiivisuus kuitenkin laskee silloin jonkin verran. Etikkahapon ja metaanin muodostu-miseen osallistuvat bakteerit vaativat puo-lestaan neutraaleja olosuhteita.

Normaalissa mädätysprosessissa mädä-tyssäiliön pH-arvo on yleensä suunnilleen 7–8. Mutta jos lisätty syötemäärä on liian suuri, eivät metaania muodostavat baktee-rit ehdi käyttää kaikkea happoa, jota hap-poa muodostavat bakteerit ovat tuottaneet. Tämän seurauksena prosessin pH-arvo las-kee, mikä vuorostaan haittaa lisää metaa-nia muodostavien bakteerien aineenvaih-duntaa. Jos mädätysprosessi muuttuu hap-pamaksi, syötteen lisääminen on lopetet-tava, ja metaania muodostaville bakteereil-le on annettava aikaa muuttaa happo me-taaniksi ja siten saada prosessi jälleen toi-mimaan.

Erityisesti runsastyppistä, valkuaisainepi-toista materiaalia mädätettäessä muodos-tuu merkittäviä määriä ammoniumtyppeä, jolla voi olla pH-arvoa kohottava vaikutus. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että lan-taa mädättävän biokaasulaitoksen mädä-tysjätteellä on korkeampi pH-arvo kuin si-sään tulevalla lannalla.

Ravinteet

Kaiken eläintuotannon edellytys on rehun sopiva koostumus. Sama koskee mädätys-säiliössä työtään tekeviä bakteereita.

Hiilen ja typen suhde syötemateriaalissa on oltava sopiva. Jos siinä on liikaa hiiltä, mikä on mahdollista silloin kun mädätetään ainoastaan kasvituotteita, osa materiaalin biokaasun tuotantopotentiaalista jää hyö-dyntämättä. Jos olosuhteet ovat päinvastai-set, eli substraatti sisältää liikaa typpeä suhteessa hiileen, saattaa muodostua am-moniakkia, mikä taas voi vuorostaan aiheut-taa sen, että koko biokaasun tuotantoketju estyy.

Kuva 5. Hiilen ja typen suhde syötemateriaalissa on oltava sopiva. Esimerkiksi sianlanta voi olla sellaisenaan liian typpipitoista ja prosessiin tarvitaan lisäksi hiilipitoista kasvibiomassaa.

Kuva

Jarm

o H

iltun

en/E

nvite

cpol

is/M

otiv

a

7

Mädätettäessä hyvin typpipitoista lantaa, kuten kanan- tai sianlantaa (kuva 5), riski-nä on ammoniumpitoisuuden nouseminen liian korkeaksi. Hiilen ja typen suhteen bio-kaasulaitokseen syötettävässä aineksessa tulisi tutkimusten mukaan olla noin 20:1 (10–30:1) eli materiaalin tulisi sisältää noin 20 kertaa niin paljon hiiltä kuin typpeä. On kuitenkin biokaasulaitoksia, jotka toimivat hyvin myös tämän suhdealueen ulkopuolel-la. Mädätettävässä materiaalissa on yleen-sä jäljellä riittävästi hivenaineita. Tämä pä-tee erityisesti, kun mädätetään pääosin eläin-lannasta muodostuvaa materiaalia.

Pelkkien energiakasvien mädätyksessä, mi-kä on tyypillistä esimerkiksi Saksassa, voi tulla pulaa hivenaineista, kuten koboltista, nikkelistä, molybdeenistä ja seleenistä. Jot-ta vältetään biokaasun muodostumisen vä-heneminen hivenaineiden puutteen vuoksi, mädätyssäiliöön syötettävään kasvimas-saan lisätään usein metallisuoloja (kuva 6). Rautasuolojen lisääminen on yksi tapa vä-hentää rikkivedyn määrää kaasussa, sillä rauta sitoo rikkiä. Rautasuolojen lisäämisen haittapuolena on, että mätänemisjättei-den fosfori muuttuu kasveille vähemmän käyttökelpoiseksi, koska se sitoutuu tiiviisti rautaan.

Prosessille haitalliset aineet

Syötteinä käytettävät materiaalit voivat si-sältää aineita, jotka voivat liian suurina pi-toisuuksina vaikuttaa haitallisesti biokaa-sun muodostumisprosessiin. Tämä koskee erityisesti antibiootteja ja desinfiointiainei-ta, kasvimyrkkyjä, suoloja ja raskasmetalle-ja, joista osa jo hyvin pieninä pitoisuuksina voivat haitata prosessia. Maitotiloilla, joilla on biokaasulaitos, navetan laajemmat anti-bioottikuurit voivat näkyä biokaasun tuo-

tannon laskuna, mikäli antibioottia sisältä-vät aineet pääsevät suoraan reaktoriin. An-tibiootit hajoavat kuitenkin lannan joukossa päivien tai viikkojen aikana, jos lantaa ei vä-littömästi syötetä reaktoriin. Syötteen mu-kana prosessiin tulevien aineiden lisäksi myös prosessiin osallistuvien bakteerien omat aineenvaihduntatuotteet, esimerkiksi ammoniakki, rikkivety ja rasvahapot, voivat haitata prosessia.

Kuva 6. Pelkkää kasvibiomassaa, kuten olkea, kaasutettaessa on mädätyssäiliöön lisättävä usein metallisuoloja.

Biokaasun tuotannon edellytys on syötteen sopiva koostumus.

Kuva

Sak

ari A

lasu

utar

i / V

asta

valo

.fi

8

Biokaasun raaka-aineet

Periaatteessa kaikki orgaaninen aines voi-daan mädättää, mutta tekniikka sopii par-haiten helposti luonnostaankin hajoavalle materiaalille. Maataloudessa se tarkoittaa yleensä lantaa sekä rehua, kuten ruohokas-veja, siemeniä, juureksia, maissia ja sokeri-juurikkaan naatteja. Biojätteet, biodieselin valmistuksen sivutuotteet sekä elintarvike-teollisuuden jätteet ovat myös erinomai-sia raaka-aineita, mikäli niitä on käytettä-

vissä. Paljon kuitua ja ligniiniä sisältävä ai-nes, kuten puu tai olki, kelpaa huonosti mä-dätykseen.

Suomen nykyisissä noin parissakymmenes-sä maatalouden biokaasulaitoksessa pää-asiallinen raaka-aine on lanta. Saksassa käy-tetään biokaasun tuotannossa lannan lisäk-si suuria määriä energiakasveja, pääasiassa maissia (kuva 7). Maissi korjataan kokonai-sena ja silputaan ja varastoidaan säilörehu-na pressulla peitettynä laakasiiloihin.

Maissista ja ruohokasveista valmistetaan paljon biokaasua Saksassa, koska pienet sähköntuottajat saavat erittäin hyvän hin-nan sähköverkkoon toimittamastaan uusiu-tuvasti tuotetusta sähköstä. Siellä tyypilli-nen biokaasusähkön tuottaja saa sähkö-energiasta keskimäärin 15 senttiä myytyä kilowattituntia kohti. Lisäksi hinta on taattu kahdeksikymmeneksi vuodeksi. Vihreän säh-kön hyvän hinnan ansiosta Saksassa bio-kaasun tuotantokapasiteetti on noin 59 tera-wattituntia (TWh). Vertailuksi Suomeen ra-kenteilla olevan maailman suurimman ydin-voimalaitosyksikön vuosittaiseksi tuotan-noksi on arvioitu 14 TWh. Saksalaisten bio-kaasulaitosten hyvä kannattavuus pohjau-tuu siihen, että sähköenergian hintaa sub-ventoidaan. Laitoksia oli Saksassa vuoden 2011 lopussa lähes 19 500 kappaletta.

Vuodesta 2011 lähtien biokaasusähkön tuottaja on myös Suomessa voinut saada takuuhintana eli syöttötariffina tuotetusta

Biokaasun muodostuminen käytännössä

Kuva 7. Tuotetun sähköenergian hyvän hinnan ansiosta sähköntuotanto Saksassa pääasiassa peltokasvi- raaka-aineesta tuotetulla biokaasulla kannattaa.Ku

va F

redr

ik E

k

9

sähköstä jopa 13,35 senttiä kilowattitunnil-ta. Yksikään biokaasun tuottaja ei ole vuo-den kuluttua takuuhinnan käyttöönotosta hakenut tariffijärjestelmään mukaan.

Tariffijärjestelmään pääsy edellyttää muun muassa, ettei laitoksen rakentamiseen ole saatu investointitukia ja ettei siinä ole käy-tettyjä osia. Lisäksi vaaditaan, että laitok-sen generaattoriteho on vähintään 100 kilo-volttiampeeria, kVA. Laitoksen sähkötehon tulee siis olla vähintään 100 kilowattia, kW, mikä on niin suuri teho, että vain hyvin har-va tila pystyy saavuttamaan sen oman tilan lannalla ja ylijäämärehulla.

Mädätettävän aineksen käsittely-vaatimukset ja laitoksen luvitus

Suomessa elintarviketurvallisuusvirasto Evira asettaa vaatimukset hyväksyttäville käsittelylaitoksille ja -prosesseille. Evira suorittaa myös valvonnan ja pitää yllä rekis-teriä hyväksytyistä laitoksista. Tässä on

esitetty yleisimpiä käytäntöjä käsittelyvaa-timuksista, mutta biokaasulaitoksen suun-nitteluvaiheessa kannattaa selvittää laitos-kohtaisesti hyväksytyt käsittelymenetelmät ja lopputuotteen käyttövaihtoehdot.

Maatilakohtaisessa biokaasulaitoksessa eläinten lanta ja turvalliset kasvijätteet ei-vät tarvitse erityisiä käsittelyjä, mikäli lop-putuotetta ei saateta markkinoille vaan käytetään tilalla. Tällainen laitos ei tarvitse laitoshyväksyntää.

Mikäli laitos käsittelee useiden tilojen lan-taa, kasvimassaa tai jäteperäistä materiaa-lia, joka saattaa sisältää kasvitaudinaiheut-tajia, (esim. peruna ja muut juurekset) ja laitoksen lopputuote saatetaan markkinoil-le, tarvitaan laitoshyväksyntä. Lannoiteval-mistelaki 539/2006 asettaa lopputuotteel-le vaatimuksia, joista tavallisimmin kritee-riksi nousee riittävän alhainen E. coli -pitoi-suus. Hygieenisen laadun varmistamiseksi riittää yleensä termofiilinen mädätys 55 as-teen lämpötilassa.

Eläinperäisten sivutuotteiden käyttöä sää-telee sivutuoteasetus (EY) N:o 1069/2009. Biokaasulaitoksissa tavallisimmin käsiteltä-vät eläinperäiset sivutuotteet lannan ohella ovat elintarviketeollisuudesta saatavat jät-teet ja biojätteet, joissa ei ole erityistä tauti-riskiä. Tällöin käsittelyksi tarvitaan hygieni-sointi vähintään +70 asteen lämpötilassa yhden tunnin ajan, kun palakoko on alle 12 millimetriä. Itsestään kuolleiden tai teurastettujen sai-raiden eläinten ruhot tai muita mahdollisia tautilähteitä sisältävät materiaalit on steri-loitava ennen kuin ne voidaan syöttää bio-kaasulaitokseen. Sterilointi tarkoittaa käy-tännössä, että materiaalia kuumennetaan 133 asteen lämpötilassa 3 barin painees -sa 20 minuutin ajan palakoon ollessa alle 50 mm.

Lisäksi kansallisin kriteerein voidaan hyväk-syä käsiteltäväksi maito- ja munatuottei -ta sekä entisiä elintarvikkeita ja rehuja. Li-säksi laitoksen prosessi voidaan kokeelli-sesti todentaa riittäväksi validointimenette-lyn kautta.

Laitoshyväksynnän lisäksi biokaasulaitos tarvitsee yleensä ympäristöluvan ammatti-maiseen jätteen käsittelyyn, jonka koko-luokasta riippuen voi myöntää kunnan ym-päristöviranomainen tai aluehallintoviran-omainen.

Kunnan rakennusviranomainen myöntää rakennusluvan, ja yleensä Turvatekniikan keskukselle on tehtävä kemikaali-ilmoitus tai suuremmissa laitoksissa on haettava lu-paa kemikaalien varastointiin (biokaasu). Lisäksi myös biokaasulaitoksissa tulee nou-dattaa asetusta maakaasun käsittelyn tur-vallisuudesta (551/2009).

Kuva 8. Maatalouden sivutuotteet, kuten esimerkiksi sokeri-juurikkaan naatit sopivat hyvin biokaasutukseen.

Kuva

Kau

ko L

ehto

nen

/ V

asta

valo

.fi

10

Kaasuntuotanto ja kaasun laatu

Biokaasun tuotanto riippuu käytettävän ai-neksen koostumuksesta (taulukko 2). Kos-ka erilaisten mädätettävien materiaalien kosteuspitoisuus vaihtelee, lasketaan mate-riaalin biokaasupotentiaali usein sen kui-va-ainepitoisuuden mukaan. Lietelannassa kuiva-ainetta on noin 5–8 prosenttia, kun taas apilasäilörehussa sitä on noin 35 pro-senttia.

Kuiva-aineen määrää märkämädätyslaitok-sissa rajoitetaan pääasiassa siksi, että hyvin sakeaa massaa on hankala käsitellä ja siir-tää. Jotta prosessi toimisi käytännössä, ai-neksen on oltava pumpattavaa. Sen lisäksi että suuri kuiva-ainepitoisuus tekee mate-riaalista vaikeasti käsiteltävää, myös pro-sessi kärsii, jos se on liian kuivaa. Tämä joh-tuu siitä, että pieneliöiden elintoiminnot vaikeutuvat liian kuivassa ympäristössä, ja lisäksi prosessia haittaavien aineiden pitoi-suus saattaa suhteellisen alhaisen vesipitoi-suuden vuoksi nousta korkeaksi.

Paljon rasvaa sisältävä aines tuottaa kor-keamman metaanipitoisuuden ja siten kor-keamman lämpöarvon kaasulle kuin paljon hiilihydraatteja sisältävä materiaali. Teuras-jätteen, ruoantähteiden tai lietelannan mä-

dätyksessä syntyvän biokaasun metaanipi-toisuus on suurempi kuin peltokasvien, ku-ten rehukasvien tai maissin, mädätykses-sä syntyvän biokaasun (taulukko 2). Kaa-suntuotantoa voidaan parantaa syötteen murskaamisella ja hienontamisella, jolloin hajottavat pieneliöt saavuttavat aineen pa-remmin.

Tuotetun kaasun määrä riippuu siitä, mitä raaka-ainetta käytetään. Aines, joka sisäl-tää vain vähän vettä ja paljon helposti pilk-koutuvaa orgaanista materiaalia, tuottaa pal-jon kaasua. Yksinomaan lietelannan meso-fiilisellä mädätyksellä mädättäminen tuot-taa vuorokaudessa harvoin enempää kuin yhden kuutiometrin biokaasua biokaasu-reaktorin lietetilavuutta kohti vuorokaudes-sa. Jos syöte lisäksi sisältää energiapitoi-sempaa materiaalia, kuten kasveja, elintar-viketeollisuuden jätettä ja ruoantähteitä, on mahdollista tuottaa 2–3 kuutiometriä bio-kaasua biokaasureaktorin lietetilavuutta kohti vuorokaudessa.

Biokaasun teknisesti ongelmallisin ainesosa on rikkivety ja muut rikkiyhdisteet, vaikka sitä on biokaasussa tyypillisesti alle tila-vuusprosentti. Rikkivety on pahanhajuinen kaasu, jota yleisesti kuvataan mädän ka-

Materiaali Biokaasuntuotanto m3 / tonnia märkäpaino

Kaasun metaani-pitoisuus %

Teurasjäte 250 70

Biojäte 150–250 65

Peltobiomassa 50–250 55

Sianlanta 25–35 65

Naudanlanta 15–25 60

Kuva 9. Tässä saksalaisessa laitoksessa mädätetään lantaa, säilörehua ja ruoanjätteitä. Ruoanjätteet käyvät läpi lämpökäsittelyn (70 °C yhden tunnin ajan) vasemmalla olevassa astiassa, ennen kuin ne syötetään biokaasulaitokseen. Lanta ja säilörehu syötetään sellaisenaan.

Taulukko 2. Metaanipitoisuus ja kaasun saanti eri raaka-aineista

Kuva

Fre

drik

Ek

11

nanmunan hajuksi. Ennen kuin biokaasua voidaan polttaa moottorissa tai kaasukatti-lassa, rikkivedyn pitoisuutta on usein alen-nettava, jotta vältetään moottoreiden ja kaasukattiloiden syöpymisvauriot.

Yksinkertaisimmillaan rikkivedyn poistami-nen tapahtuu lisäämällä biokaasuun noin 1–3 prosenttia ilmaa. Rikkivedyn poistami-nen tapahtuu biologisella prosessilla, jossa Sulfobacter oxydans -bakteeri hapettaa rikki-vedyn alkuainerikiksi. Bakteereita on luon-nostaan lannassa ja muissa syötteissä, eikä niitä siksi tarvitse erikseen lisätä. Jotta poistaminen toimii tehokkaasti, tarvitaan pintoja, joissa Sulfobacter oxydans voi elää. Sopivia kasvualustoja bakteereille ovat mä-dätyssäiliön katon tai kaasusäiliön raken-teet tai täytekappaleet erillisessä, rikinpois-toa varten rakennetussa säiliössä.

Jos on tarkoitus tuottaa maakaasun tasois-ta biokaasua, ilman lisääminen kaasuun ei käy päinsä. Rikkivedyn erottaminen voidaan silloin tehdä lisäämällä reaktoriin erilaisia rautasuoloja. Rautasuolat (esim. rautatrik-loridi) sitovat rikkiä siten, että se poistuu prosessista yhdessä mädätysjätteiden kans-sa, sen sijaan että se poistuisi biokaasun mukana. Lisäkeinona rikkivedyn puhdista-misessa voidaan käyttää aktiivihiilisuoda-tinta, vesi- tai kemikaalipesua.

Viipymäaika

Kun rakennetaan biokaasulaitos, on tehtävä kompromisseja toisaalta investointikustan-nusten suuruuden ja toisaalta materiaalin mädätysasteen suhteen. Aineksen täydelli-nen mädättäminen vaatii materiaalin pit-kää viipymäaikaa mädätyssäiliössä ja siten suurta säiliötilavuutta, mikä nostaa inves-tointia ja käyttökuluja.

Yleisimmän biokaasulaitostyypin toiminta perustuu mädätykseen täyssekoitteisessa reaktorissa. Materiaalin jatkuvasta sekoit-tumisesta johtuen on mahdotonta tietää kuinka pitkään yksittäinen molekyyli on reak-torissa. Aineksen keskimääräinen viipymä-aika voidaan kuitenkin laskea hyvin yksin-kertaisesti. Sen viipymä biokaasulaitokses-sa määritellään mädätyssäiliön tilavuudella jaettuna päivittäin poistetun aineksen tila-vuudella. Kun kyse on biokaasulaitoksista, joissa on useita sarjassa toimivia reaktorei-ta, viipymäaika lasketaan kullekin reaktoril-le erikseen ja saatu summa lasketaan yh-teen. Viime aikoina viipymäajat ovat kasva-neet yhä pitemmiksi ja laitosten rakentami-nen on muuttunut siten, että kaksivaiheis-ten laitosten lisäksi rakennetaan jopa kolmi-vaiheisia laitoksia.

Kun mädätetään pelkkää lantaa biokaasu-laitoksessa, jossa on vain yksi reaktori, käy-

tetään yleensä noin kuukauden viipymäai-kaa. Energiakasvit vaativat yleensä pidem-män, jopa 80–120 päivän viipymäajan, jotta materiaali ehtii kunnolla hajota eikä kuormi-tus kasva liian suureksi. Biojätteitä käyttä-vissä laitoksissa viipymä on usein tältä välil-tä. Biokaasulaitoksissa, joissa on varsinai-sen mädätyssäiliön lisäksi myös jälkimädä-tyssäiliö, pitkästi yli sadan vuorokauden vii-pymäajat ovat tavallisia.

Mitä enemmän materiaalia syötetään reak-toriin vuorokaudessa, sitä lyhyemmäksi vii-pymä muodostuu. Metaania muodostavat bakteerit lisääntyvät suhteellisen hitaasti. Jos mädätyssäiliöön syötetään selvästi enemmän materiaalia kuin mitä sen koko edellyttää, vaarana on että metaania muo-dostavien pieneliöiden poishuuhtoutumi-nen on suurempaa kuin niiden lisääntymi-nen (kuva 10).

Keskimääräinen viipymäaika vuorokausina0 5 10 15 20 25 30

Biokaasun tuotanto (m3/kg)Mädätysnopeus (m3/m3 mädätyssäiliö*vrk)

Kuva 10. Kaasun suurin tuotantonopeus (vihreä viiva) tietyllä syötteellä mädätyssäiliössä saavutetaan hyvin lyhyellä viipymäajalla, kun taas lopullisen saannon maksimi saavutetaan pitkällä viipymäajalla (punainen viiva). Jos keskimääräinen viipymäaika on liian lyhyt, biokaasuprosessi lakkaa toimimasta koska metaania muodostavia pieneliöitä huuhtoutuu liikaa pois.

12

Reaktorin kuormitus

Kuormitus on käsite, jolla ilmaistaan, kuinka paljon eloperäistä materiaalia mädätyssäi-liöön voidaan aikayksikköä kohti syöttää. Mädätyssäiliön kuormitus määritellään seuraavasti: reaktoriin vuorokaudessa syö-tetty eloperäisen materiaalin määrä jaettu-na reaktorin koolla.

Reaktorin suurin kuormitus määräytyy mä-dätettävän materiaalin ominaisuuksien mu-kaan. Ruoantähteiden tai energiakasvien mädätys mahdollistaa suuremman kuormi-tuksen kuin eläinlannan tai olkien mädätys. Täyssekoitteisen biokaasureaktorin tyypilli-nen kuormitus on noin kolme kiloa orgaa-nista ainetta biokaasureaktorin kuutiomet-riä kohti vuorokaudessa.

Sekoittaminen

Jotta biokaasun tuotanto olisi tehokasta, hajotustyötä tekevien pieneliöiden on pääs-tävä hyvin kosketuksiin mädätettävän ma-teriaalin kanssa. Se varmistetaan sekoitta-malla mädätyssäiliön sisältöä. Jos materiaa-lia ei sekoiteta, se kerrostuu siten, että pää-osa eliömassasta kerääntyy mädätyssäiliön pohjan läheisyyteen, kun taas pääosa syöt-teestä kertyy lähelle pintaa.

Vaikka materiaalin kunnollinen sekoittami-nen on välttämätöntä, sitä ei pidä kuiten-kaan sekoittaa liian paljon tai liian voimak-kaasti, sillä tällä on havaittu joissain tutki-muksissa olevan kaasuntuottoa alentava vaikutus, ja liika sekoitus kuluttaa turhaan energiaa.

Yleisin tapa varmistaa, ettei reaktorin sisäl-töä sekoiteta liian voimakkaasti, vaan sopi-vasti, on käyttää hitaasti liikkuvaa sekoi-

Lannantuotanto 150 lypsylehmän tilalla– 150 lypsylehmää + uudistuseläimet tuottaa noin 10 000 kg lietelantaa vuorokaudessa– 10 000 kg lietelantaa = 10 m3– Lietelanta sisältää noin 10 % kuiva-ainetta– Noin 80 % kuiva-aineesta on orgaanista materiaalia

Orgaanisen materiaalin määrä10 000 kg/vuorokausi * 10 % * 80 % = 800 kg/vuorokausi.

Oletetaan, että 150 lypsylehmän maitotilalla on biokaasulaitos, jonka mädätyssäiliön tilavuus on 300 m3. Laitoksen mädätyssäiliön kuormitus ja viipymäaika ovat seuraavat:

Mädätyssäiliön kuormitus: 800 kg orgaanista materiaalia vuorokaudessa / 300 m3 mädätyssäiliötilavuus = 2,67 kg orgaanista materiaalia/m3 mädätyssäiliötilavuutta ja vuorokautta kohti.

Viipymäaika:300 m3:n mädätyssäiliötilavuus / 10 m3 lietelantaa vuorokaudessa = 30 vuorokautta.

Kuva 11. Ruoantähteitä mädätettäessä kuormitus voi olla suurempi kuin eläinlannan tai olkien mädätyksessä.

Kuva

Mau

ri M

ahla

mäk

i / V

asta

valo

.fi

13

tinta, jonka nopeutta voidaan lisäksi sää-tää suuremman tehon saavuttamiseksi ajoittain.

Sekoittaminen on tärkeää myös siksi, ettei reaktorin pohjalle muodostuisi saostumia. Hiekasta ja muista raskaista materiaaleista niitä muodostuu helposti, ja ajan mittaan ne pienentävät mädätyssäiliön aktiivista tila-vuutta, jollei niitä poisteta. Kertymät voi-daan poistaa joko säännöllisesti yläkautta laitoksen tyhjentämisen jälkeen tai jatkuva-na poistona siihen tarkoitukseen rakenne-tulla järjestelmällä.

Biojätteen tai kananlannan mädätyksessä muodostuu suuria määriä saostumia, jotka aiheuttavat nopeasti mädätyssäiliön täyt-tymistä. Lehmänlantaa ja energiakasveja mädätettäessä niitä muodostuu sitä vas-toin vain hyvin vähän. Esimerkiksi biojät-teen mädätyksen yhteydessä biokaasulai-tokseen muodostuvien saostumien poista-miseksi on käytettävissä useita mahdolli-sia ratkaisuja. Mädätyssäiliön pohja voi-daan rakentaa kartiomaiseksi tai säiliöön voidaan asentaa mekaanisia raappoja ja kuljetusruuveja. Ne tekevät laitoksesta kui-tenkin kalliimman, ja siksi tämäntyyppisiä järjestelmiä on yleensä vain suurimmissa laitoksissa.

Mädätysjäännös

Kaikki mädätyssäiliöön syötettävässä ma-teriaalissa olevat ravinteet ovat biokaasu-prosessin jälkeen jäljellä mädätysjätteissä, joka on arvokasta lannoitus- ja maanparan-nusainetta. Mädätysjäännöksen ravintosi-sältö vaihtelee muun muassa sen mukaan, mitä materiaalia mädätetään, millaista bio-kaasuprosessia käytetään ja kuinka kauan aine on viipynyt mädätyssäiliössä.

Biokaasuprosessissa käsitellyn lannan levit-tämisestä pelloille sen sijaan, että käytet-täisiin lantaa sellaisenaan, on monia etuja. Kun lanta hajoaa, suuri osa valkuaisaineisiin sitoutuneesta typestä muuttuu tai minerali-soituu ammoniumtypeksi, jota kasvit voivat helpommin hyödyntää. Kun lanta mädäte-tään, typen huuhtoutuminen viljelysmaasta vähenee, ja lisäksi mädättäminen vähentää lannan aiheuttamia hajuhaittoja, kun haise-vat orgaaniset yhdisteet hajoavat proses-sissa. Mädätysjäännöksen kuiva-ainepitoi-suus on alempi kuin syötteillä, ja se on tasa-laatuisempaa. Se voidaan levittää samalla tekniikalla kuin lanta. Kuivamädätyslaitos-ten mädätysjäännös on kiinteässä muodos-sa, ja ne levitetään samoin kuin kiinteä lan-ta. Mädätysjäännöksen hyödyntämistä pel-toviljelyssä koskevat samat määräykset typpipäästöjen vähentämiseksi kuin lannan levityksessä.

Mädätysjätteen erottelulla kiinteään ja nes-temäiseen osaan saadaan kahdenlaista lan-noitusainetta. Pääosa fosforista on kiinteäs-sä osassa, kun taas nestemäinen osa sovel-tuu typpilannoitteeksi. Jos biokaasulaitok-sen läheisyydessä viljelymaalla on ylimäärä fosforia, mädätysjäämien erottelu mahdol-listaa kiinteän fosforipitoisen osuuden kul-jettamisen kauemmaksi, kun taas vesipitoi-nen, runsastyppinen osa voidaan levittää läheisille pelloille.

Kuva 12. Mädätysjätteiden erottelua kiinteään ja nestemäiseen osaan Envor Biotechin biokaasulaitoksella Forssassa.

Kuva

Iiris

Lap

pala

inen

14

Mädätyssäiliö

Kaasusäiliö

Yliv

irtau

s

Syöttö

Kaasu ulos

Tuotanto-tekniikka

Yksinkertaisia biokaasulaitoksia

Maailmalla on kymmeniä miljoonia pieniä, rakenteeltaan yksinkertaisia biokaasulai-toksia. Sellaisen mädätyssäiliö koostuu kahdesta kaasutiiviistä astiasta, jotka on asetettu sisäkkäin. Alempi ja hieman suu-rempi astia on avoin ylöspäin, kun taas ylempi ja hieman pienempi astia on avoin alaspäin (kuva 13). Kahden astian pohjien välinen välitila on täytetty veden ja lannan tai ruoantähteiden sekoituksella. Materiaa-lin hajotessa muodostuu biokaasua, joka kertyy ylösalaisin olevan ylemmän, kaasu-kellona toimivan astian alle. Järjestelmä tii-vistyy kaasutiiviiksi alempaa astiaa vasten vesilukkoperiaatteella. Tuotettu kaasu joh-detaan kaasukellon päältä letkulla keittiöön, jossa sitä käytetään ruoanvalmistuksen energianlähteenä.

Kuinka paljon reaktorissa on käytettävissä olevaa kaasua, on helppo todeta tarkasta-malla, miten ylhäällä kaasukello kelluu. Jot-ta laitokset toimisivat kunnolla, mädätettä-vä materiaali pitää hienontaa, ennen kuin se syötetään prosessiin. Lisäksi edellytyksenä

Metaanin spontaani muodostuminen

Biokaasua tuotetaan lukemattomilla erilai-silla järjestelmillä. Metaania muodostuu bio-massasta spontaanisti lähes kaikkialla, mis-sä on orgaanista materiaalia ja enemmän tai vähemmän hapettomat olosuhteet. Jos ruoantähteitä sisältävän roskapussin sitoo kiinni kunnolla, sen sisällä alkaa jonkin ajan kuluttua muodostua metaanikaasua.

on, että ilmasto on riittävän lämmin. Huoli-matta siitä, että etelän talvet ovat merkittä-västi meidän talviamme lämpimämmät, nä-mä yksinkertaiset lämmittämättömät ja eristämättömät laitokset toimivat huonosti talven kylmimpinä kuukausina.

Kuva 13. Yksinkertainen biokaasulaitos

Suomen sääoloissa mädätyssäiliön yläpohjaan tarvitaan lisäeristys.

15

Märkämädätyslaitokset

Kehittyneempi biokaasunvalmistustekniik-ka perustuu pumpattavien jakeiden jatku-vatoimisiin täyssekoitteisiin biokaasureak-toreihin (kuva 14). Reaktori on muodoltaan kuin sylinterimäinen, teräksestä tai teräsbe-tonista valmistettu säiliö, joka on yleensä peitetty kahdella tiiviillä kalvolla.

Alemman kalvon alla oleva tila toimii kaasu-varastona, kun taas ylempi kalvo toimii sää-suojana. Ylempi kalvo pidetään muodossa heikon ylipaineen avulla, mikä saadaan ai-kaan pienellä puhaltimella, joka puhaltaa il-maa kahden kalvon välillä olevaan tilaan. Tämä järjestely aiheuttaa sen, että alem-man kalvon alla olevan kaasun määrä voi vaihdella ja se vaikuttaa samalla mädätys-

säiliön lämpöeristykseen. Keskieurooppa-laisissa biokaasulaitoksissa ei ole yleensä käytössä muuta yläpohjan eristystä kuin se, jonka kahden kalvon välissä oleva ilma muodostaa. Suomen oloissa hyvä lisäeris-täminen on tarpeen.

Toisin kuin yksinkertaisissa laitoksissa, ke-hittyneemmissä biokaasulaitoksissa reak-tori on eristetty ja varustettu sekoittimella ja lämminvesiputkilla lämmitystä varten. Koska materiaalia lisätään koko ajan, sitä täytyy myös poistaa tasaisesti reaktorista. Koska reaktorista poistuvalla materiaalilla on edelleen jäljellä osa biokaasuntuotan-topotentiaalia, se siirretään kaasutiivii-seen jälkikaasualtaaseen odottamaan le-vittämistä lannoitteena pellolle. Noin 10–25 prosenttia biokaasun kokonaistuotan-

nosta tapahtuu yleensä mädätysjäteva-rastossa.

Keski-Euroopassa on viime aikoina alettu edellyttää, että mädätysjätteet varastoi-daan katettuihin säiliöihin, jotta vältetään metaanikaasupäästöt. Jos laitoksella on avovarasto, sitä ei hyväksytä mukaan ta-kuuhintajärjestelmään. Suomessa ei vielä ole vastaavia määräyksiä, mutta ilman pei-tettyä mädätysjätevarastoa, joka toimii jäl-kimädätyssäiliönä, menetetään merkittävä osa biokaasun tuotannosta. Jos laitos opti-moidaan maksimaaliseen energiantuot-toon, samalla minimoidaan metaanipäästöt. Jos taas laitos optimoidaan mahdollisim-man suurelle käsittelykapasiteetille reakto-rikokoon nähden, samalla metaanipäästöt lisääntyvät.

SekoitussäiliötOrgaaninenmateriaali

(rehu/lanta)

Orgaaninenjäte

Hygienisointi-säiliö

70 °C1 tunti

37 °C 25 päivää

Mädätyssäiliö Jalostuslaitos

Biolanta(mädätysjäännös)

Kaasu-moottori-

generaattori(sähkö/lämpö)

Kaasu-kattila

(lämpö)

Kuva 14. Kehittyneempi ja teknisesti monimutkaisempi biokaasun tuotantotekniikka perustuu esimerkiksi mesofiiliseen mädätykseen täyssekoitteisessa mädätyssäiliössä. Tuotettu kaasu hyödynnetään yleensä sähkön ja energiantuotannossa, kun taas mädätysjäännökset levitetään lietelannan tavoin.

Kuva

Hus

hålln

ings

sälls

kape

t Sve

rige

16

Kiinteiden aineiden syöttö märkämädätys-laitokseen voidaan tehdä kahdella tavalla. Lanta ja kiinteä biomassa voidaan joko se-koittaa keskenään erityisessä sekoitussäi-liössä, josta materiaali pumpataan mädätys-säiliöön, tai kiinteä aine voidaan siirtää siir-toruuvien avulla suoraan mädätyssäiliöön. Hyvin toimivat järjestelmät kiinteiden ma-teriaalien käsittelyyn ovat edellytys sille, et-tä biokaasulaitos toimii käytännössä.

Tavallinen ratkaisu energiakasvien syöttä-miseen biokaasulaitokseen on nautojen ruo-kinnassakin käytettävä apevaunu. Siinä kas-vimassa hienonnetaan ja syötetään ruuvien avulla mädätyssäiliön nestepinnan alle.

Vähemmän käytetty biokaasulaitosten toi-mintaperiaate perustuu vaiheittaiseen mä-däntymiseen säiliössä, joka täytetään, mä-dätetään ja tyhjennetään. Märkämädätys-laitoksissa tätä periaatetta ei käytetä juuri lainkaan, mutta niin sanotussa kuivamädä-tyksessä panoskäyttö on tavallista. Panos-periaatteella kaasuntuotanto vaihtelee si-ten, että se on alussa vähäistä, minkä jäl-keen se saavuttaa maksimin, ja tämän jäl-keen kaasuntuotanto vähitellen lakkaa. Ta-sainen kaasuntuotanto on panosperiaat-teella toimivassa järjestelmässä mahdollis-ta, jos käytetään useampaa rinnakkaista reaktoria, jotka täytetään ja tyhjennetään eri aikoihin. Panossyötöllä viipymäaika on helppo määrittää yksiselitteisesti.

Kuva 16. Salaattijätteen ja kananlannan vastaanottopiste biokaasulaitoksella Juvan Turakkalassa.

Vesi on tärkeä osa prosessia myös kuivamädätyksessä.

Kuva 15. Lietelanta yhdistettynä kiinteään biomassaan sopii hyvin mädätettäväksi.

Kuva

Fre

drik

Ek

Kuva

Sak

ari A

lasu

utar

i / V

asta

valo

.fi

17

Kuivamädätys

Nimitys kuivamädätys on harhaanjohtava, sillä kuivamädätys kuten märkämädätyskin on täysin riippuvainen vedestä. Märkämä-dätysprosessit toimivat pumpattavalla ma-teriaalilla, jonka kuiva-ainepitoisuus on enintään noin 15 prosenttia. Kuivamädätyk-sessä käytetään kiinteitä materiaaleja, joi-den kuiva-ainepitoisuus on yleensä noin 30 prosenttia.

Kuivamädätystekniikka on alun perin lähtöi-sin kaatopaikoilta, missä jätteiden läpi valu-nut sadevesi on koottu ja pumpattu takaisin materiaalin päälle. Tällä menettelyllä kaa-sunmuodostumisaika on samalla lyhenty-nyt. Biokaasun tuotanto kaatopaikoilla ei periaatteessa eroa kovin paljon kuivamädä-tyksestä, mutta kaasun metaanipitoisuus on alhaisempi kuin reaktorissa tuotettavalla kaasulla ja hajoamisprosessi kestää paljon kauemmin.

Kuivamädätyslaitoksia on erilaisia. Yleisim-min käytetyn laitoksen toimintaperiaate on sellainen, että mädätettävän materiaalin päälle pumpataan kierrätettävää nestettä autotallityyppisen mädätyskammion katos-sa sijaitsevasta suihkusuukappaleesta. Nes-te ja nesteen liuottamat aineet valuvat hi-taasti syötekerrosten läpi. Suodattunut nes-te kootaan ja pumpataan takaisin materiaa-lin päälle (kuva 17).

Jotta valumavesi leviää tasaisesti mädätys-säiliössä olevan jätteen päälle, sen on olta-va koostumukseltaan suhteellisen karkeaa. Samalla sen on oltava riittävän hienojakois-ta, jotta bakteerien tarttumispinta on mah-dollisimman suuri. Nämä vaatimukset ovat keskenään ristiriitaisia ja käytännössä kui-vamädätys vaatii pitemmän viipymän kuin märkämädätys, jotta aines ehtii kunnolla

hajota. Kasan korkeus on rajattava noin kahteen metriin, jottei sen pohjalla oleva materiaali tiivistyisi liikaa. Pitemmästä vii-pymäajasta huolimatta siihen muodostuu yleensä huonosti hajonneita taskuja. Kun mädätyssäiliötä tyhjennetään ja täytetään pyöräkuormaajalla, riittämättömästi mä-dännyttä materiaalia viedään usein jatko-mädätykseen. Lisäksi osa mädätysjäännök-sestä lisätään uuteen syötteeseen riittävän, hajoamisen käynnistävän pieneliöpopulaa-tion varmistamiseksi. Jotta aineksen käsit-tely pyöräkuormaajalla olisi mahdollista, mädätyssäiliöiden edessä on oltava riittä-vän suuri asfaltti- tai betonikenttä.

Tämäntyyppisiä kaupallisia kuivamädätys-laitoksia on viime vuosina tullut markkinoil-le, mutta ne edustavat edelleen vain muu-tamaa prosenttia kaikista rakennettavista laitoksista.

Tavallisten kuivamädätyslaitosten ongel-mana on aineksen riittämätön sekoittumi-nen. Ongelma on pyritty ratkaisemaan ke-hittämällä kuivamädätyslaitoksia, joissa käytetään karkeita siipiratastyyppisiä sekoi-tusjärjestelmiä. Lisäksi on laitoksia, joiden toimintaperiaate on eräänlainen märkä- ja kuivamädätyksen välimuoto, jossa hyvin sa-keaa, korkean kuiva-ainepitoisuuden omaa-vaa massaa pumpataan ruuvipumpuilla.

Kuva 17. Kiinteä aine voidaan mädättää kuivamädätyksellä. Mädätyssäiliö on ilmatiivis, autotalli-mainen tila, joka on varustettu nesteen kierrätyksellä ja lämmitysjärjestelmällä.

18

Kaasun käyttökohteet

Arvokas polttoaine

Biokaasu on arvokas polttoaine, jota voi-daan käyttää lukuisiin erilaisiin tarkoituk-siin, kuten lämmöntuotantoon, yhdistettyyn lämmön ja sähköntuotantoon sekä jaloste-tussa muodossa liikennepolttoaineena tai maakaasuverkkoon syötettävänä kaasuna.

Lämmöntuotanto

Yksinkertaisin ja halvin tapa hyödyntää tuo-tettua kaasua on polttaa se lämpimän ve-den tuotantoon tarkoitetussa kaasukattilas-sa lämmitystarkoituksiin tai käyttää kaasu energianlähteenä keittiössä. Tyypillistä maa-tilakokoluokan biokaasulaitokselle on, että energiantuotanto laitoksissa ylittää moni-kertaisesti tilan oman lämpöenergian tar-

peen. Lisäksi lämmön tarve on vähäisem-pää kesäaikaan. Tilalla sijaitsevilla biokaa-sulaitoksilla on yleensä siirrytty yhdistet-tyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon.

Sähkön ja lämmöntuotanto

Biokaasuun perustuvalle sähkön- ja läm-möntuotannolle (CHP, Combined Heat and Power) on olemassa useita teknisiä ratkai-sumahdollisuuksia. Yleisimmin käytetty pe-rustuu biokaasun polttamiseen ottomoot-torissa (kuva 18) tai kaasukäyttöiseksi muunnetussa dieselmoottorissa. Moottori vuorostaan pyörittää sähköverkkoon tah-distettua generaattoria vakiokierrosluvulla.

Kaasumoottoria käytettäessä kaasuseos sytytetään sytytystulpalla, kun taas diesel-moottoria käytettäessä kaasuseos sytyte-tään pienellä dieselpolttoainemäärällä jo-kaisella sylinteritäytöllä. Dieselin kulutus vastaa tällaisissa laitoksissa noin 2–10 pro-senttia siitä määrästä, jota kuluisi puhtaas-sa dieselkäytössä, tai suunnilleen saman verran kuin mitä kuluu moottorin tyhjä-käynnillä. Viime aikoina on yhä enemmän siirrytty ottomoottoreihin. Dieselmootto-reita käytetään vain pienissä laitoksissa.

Kuva 18. Suurempi biokaasulaitos käyttää useimmiten sähköntuotannossa ottomoottoreita.

Kuva

Fre

drik

Ek

19

Toinen mahdollinen ratkaisu sähkön- ja lämmöntuotannossa on käyttää stirling-moottoreita tai mikroturbiineita. Stirling-moottorit ovat mäntämoottoreita, joissa palaminen tapahtuu moottorin ulkopuolel-la, ja niiden tulisi periaatteessa toimia vä-hemmällä huollolla pitempään kuin mootto-reiden, joiden sisäpuolella palaminen ta-pahtuu. Stirlingmoottorit vievät yleensä paljon tilaa ja ovat kalliita, joten niitä ei juuri käytetä.

Mikrokaasuturbiinia on käytetty jonkin ver-ran biokaasulaitoksilla. Suomessa mikro-kaasuturbiineja käytetään muun muassa muutamilla kaatopaikoilla. Kaasuturbiinissa on yksi ainoa liikkuva osa, minkä takia sen pitäisi kestää pitkään ja vaatia vähän huol-toa. Tällä hetkellä mikroturbiinit ovat kui-tenkin kalliimpia kuin vastaavat mäntä-moottorit ja niiden mekaaninen hyötysuhde on usein jonkin verran huonompi kuin män-tämoottorien.

Hyvän mekaanisen hyötysuhteen ja alhai-sen hinnan ansiosta mäntämoottorit ovat yleensä käytetyin ratkaisu pienimuotoises-sa sähkön- ja lämmöntuotannossa. Mäntä-moottori edustaa lisäksi erittäin vakiintu-nutta tekniikkaa, jonka kaikki koneiden pa-rissa työskentelevät tuntevat. Huolimatta siitä, että mäntämoottorikonsepti on hyvin toimiva, siihen liittyy myös eräitä haitta-puolia. Mäntämoottorissa on useita liikku-via osia, jotka kuluvat. Mäntämoottori on riippuvainen säännöllisestä huollosta, kuten öljynvaihdoista ja sytytystulppien vaihdos-ta. Noin viiden–kymmenen vuoden jatkuva käyttö edellyttää moottorin täydellistä pe-ruskunnostusta tai moottorin vaihtoa.

Biokaasulla toimiva pieni polttomoottori pystyy muuttamaan noin 30 prosenttia bio-kaasun energiasisällöstä sähköenergiaksi,

ja lopusta tulee lämpöä. Suuret kaasu- ja dieselmoottorit voivat toimia jopa yli 40 prosentin hyötysuhteella. Suurin osa bio-kaasun energiasisällöstä muutetaan yhdis-tetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa lämmöksi, etenkin pienemmässä kokoluo-kassa. Sähkön- ja lämmöntuotantolaitoksen sijoituspaikkaa valittaessa kannattaa pyrkiä siihen, että tuotetulle lämmölle saadaan mahdollisimman hyvä ja tasainen käyttö. Jos lämmölle ei ole käyttöä biokaasulaitok-sen yhteydessä, kannattaa harkita mahdol-lisuutta johtaa kaasu pois putkiston kautta hyödynnettäväksi toisessa paikassa, jossa lämpö voidaan hyödyntää.

Lämmön- ja sähköntuotannon pakokaasut voivat myös itsessään muodostaa arvok-kaan resurssin. Keski-Euroopassa on esi-merkkejä siitä, miten biokaasumoottorei-den päästöjä on hyödynnetty kasvihuonei-den hiilidioksidilannoituksessa, kun päästöt on puhdistettu typpioksideista.

Lämpöä ja sähköä tuottava biokaasulaitos käyttää moottorin ylijäämälämpöä biokaa-sulaitoksen lämmitykseen ja usein myös lä-heisten rakennusten lämmitykseen. Erityi-sesti kesäisin, kun lämpöenergialla on vä-hän käyttöä, suuri osa lämmöntuotantoka-pasiteetista jää pääasiassa hyödyntämättä.

Kuva 19. Biokaasulaitoksen ylijäämälämpöä käytetään tässä puutavaran kuivaamiseen siirtolavalla.

Kuva

Fre

drik

Ek

20

Siitä huolimatta että sähkön- ja lämmön-tuotannossa lämpöä tuotetaan enimmillään kaksinkertaisesti sähköön verrattuna, tapa-na on laskea että suunnilleen yhtä monta kilowattituntia lämpöä kuin sähköäkin voi-daan hyödyntää laitoksen ulkopuolella. Mer-kittäviä määriä lämpöenergiaa kuluu reak-toriin syötettävän uuden materiaalin läm-mittämiseen ja reaktorin lämpöhävikkien kattamiseen.

Kaasun myyminen paikallisesti

Maanviljelys tapahtuu yleensä melko kau-kana yhdyskunnista, joissa tuotettua läm-pöenergiaa voisi käyttää. Pitkien putkisto-verkkojen rakentaminen on kallista ja johtaa lisäksi suuriin lämpöhävikkeihin. Biokaasun kuljettaminen putkistoissa käyttöpistee-seen sähkön tai lämmön kuljettamisen ase-mesta on energiataloudellisesti järkevää. Kaasulla, joka on energiaa kemiallisessa muodossa, on paremmat varastointi- ja kul-jetusominaisuudet kuin lämmöllä, joka on energiaa fysikaalisessa muodossa. Kaasu-johdon kaivaminen maahan on halvempaa kuin lämpöputkistojen.

Viime aikoina on tullut yhä yleisemmäksi johtaa kaasu kaasuputkea pitkin pois varsi-naisesta biokaasulaitoksesta suoraan pol-tettavaksi tai sähkön ja lämmön yhteistuo-tantolaitokseen, joka on yhteydessä suuriin lämmönkuluttajiin tai kaukolämpöverk-koon. Jos kaasu johdetaan pois muualla hyödynnettäväksi, biokaasulaitoksen läm-mitys on ratkaistava muulla tavalla. Eräs ta-pa on pienen kaasukattilan tai sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksen käyttö biokaasulaitoksen yhteydessä, vaikka pää-osa kaasusta johdetaan pois. Toinen tapa on käyttää hakekattilaa biokaasulaitoksen lämmitykseen. Biokaasun myynnin yhtey-

dessä biokaasulaitoksen omistaja voi valita, myykö hän tuotetun kaasun läheisessä yh-dyskunnassa sijaitsevalle energialaitokselle vai onko hänellä oma laitos.

Kaasun syöttäminen maakaasuverkkoon

Vaihtoehto biokaasun hyödyntämiselle pai-kallisesti tai biokaasulaitoksen läheisyydes-sä on johtaa puhdistettu kaasu maakaasu-verkkoon. Maakaasuputkistojen läheisyy-dessä sijaitseville tiloille tämä voi olla hyvä vaihtoehto.

Maakaasuverkkoa koskevat määräykset ovat samantyyppisiä kuin sähköverkkoa koske-vat. Uusiutuvista resursseista tuotettua sähköä voidaan myydä vihreänä sähkönä riippumatta siitä, missä tuotanto tapahtuu. Vastaavasti voidaan myydä sama määrä kaasua biokaasuna kuin biokaasulaitokses-ta ostettava kaasumäärä.

Jos tuotettu biokaasu myydään maakaasu-verkkoon, sen tulee vastata voimassa olevi-en määräysten mukaan maakaasua sekä lämpöarvoltaan että hajultaan. Maakaasu vaihtelee koostumukseltaan jonkin verran tuotantopaikan mukaan. Venäläinen maa-kaasu, jota Suomessa käytetään, muodos-tuu pääosin pelkästään metaanista. Biokaa-su tuleekin jalostaa lähes vastaamaan sitä metaanipitoisuudeltaan, samalla kun rikki-vety, hiilidioksidi ja kosteus tulee poistaa.

Kuva 20. Biokaasukäyttöisen auton tankkaus vuonna 2011 rakennetulla biokaasuasemalla Erkki Kalmarin tilalla Laukaassa.

Biokaasu on puhdistettava liikennepolttoaine-käyttöä varten.

Kuva

Met

ener

Oy

21

Kaasun jalostaminen liikennepolttoaineeksi

Kun biokaasua jalostetaan liikennepolttoai-neeksi tai maakaasuverkkoon syöttämistä varten, kaasu puhdistetaan ensin rikkive-dystä ja hiukkasista, jonka jälkeen hiilidiok-sidi erotetaan kaasusta (kuva 21). Hiilidiok-sidi ei sinällään ole haitallinen ainesosa eikä sitä tarvitse poistaa kaasusta, jos kaasu poltetaan kaasukattilassa tai sähkön ja läm-mön yhteistuotantolaitoksessa. Kun bio-kaasua jalostetaan liikennepolttoaineeksi, siitä pyritään poistamaan mahdollisimman paljon hiilidioksidia, koska hiilidioksidi alen-taa kaasun lämpöarvoa.

Tavallisin tekniikka hiilidioksidin erottami-seksi biokaasusta perustuu siihen, että hiili-dioksidi liuotetaan veteen vesipesurilla. Se-kä hiilidioksidi että rikkivety liukenevat hel-pommin veteen kuin metaani, ja ne voidaan molemmat erottaa biokaasusta samalla pe-surilla. Käytännössä vesipesu tapahtuu si-ten, että kaasu paineistetaan noin 10 bariin kahdessa tai useammassa vaiheessa ja joh-detaan ylös täytekappaleilla täytettyyn säi-liöön. Samalla vettä huuhdellaan alaspäin täytekappalealustassa, jolloin lähes kaikki hiilidioksidi ja jäljellä oleva rikkivety liuke-nee veteen (kuva 22). Kun vesi johdetaan pesurista pois ja paine lasketaan, kaasut va-pautuvat, jonka jälkeen vesi voidaan käyt-tää uudelleen pesuvetenä.

Metaanikaasun suuria päästöjä on vältettä-vä erotusprosessin aikana. Metaanikaasu on yli 20 kertaa voimakkaampi kasvihuone-kaasu kuin hiilidioksidi. Siten metaanipääs-tö biokaasulaitoksesta, joka itsessään on rakennettu vähentämään kasvihuonekaasu-päästöjä, johtaa helposti haitallisiin vaiku-tuksiin, jos päästöjä ei minimoida.

Jalostettu biokaasu~90 % CH4

Kuivaaja

CO2 + H2S

Pesuri Kompressio 10 bar

Absorptio-kolonni

Desorptio-torni (veden regenerointi)

Vesipumppu

Vesi

Kuva 22. Kaaviokuva biokaasun jalostamisesta polttoaineeksi.

Kuva 21. Erkki Kalmarin biokaasun puhdistus-laitos Laukaassa.

Kuva

Met

ener

Oy

22

Huolimatta siitä, että absorptiokolonnitek-niikka (kuva 22) on käytetyin biokaasun ja-lostusmenetelmä, sillä on myös haittansa. Haittapuolia ovat esimerkiksi, että metaani liukenee osittain veteen ja kaasun kompres-soinnissa käytettävän sähkön määrä on suhteellisen korkea. Jotta metaanihävikkejä saadaan pienennetyiksi, käytetään vesipe-surin ja veden elvytyksen välissä välivai-hetta. Tässä välivaiheessa paine laskee no-peasti, jotta pääosa veteen liuenneesta me-taanikaasusta vapautuu jälleen. Vapautettu kaasu johdetaan sen jälkeen takaisin varsi-naisiin pesureihin, kun taas vesi ja pääosa hiilidioksidista johdetaan vedenelvytyssäi-

liöön, desorptiokolonniin, jossa hiilidioksidi vapautetaan vesiliuoksesta. Poistettavassa jätekaasussa metaania on yleensä noin 1–3 prosenttia. Pesureissa voidaan veden lisäksi käyttää myös erityisiä liuotusaineita, joiden avulla hiilidioksidin erotus tapahtuu tehok-kaammin, mikä mahdollistaa matalamman paineen käytön sekä pienemmät metaani-hävikit.

Biokaasun jalostuksen toinen tekniikka, joka ei edellytä kaasun voimasta paineistusta, perustuu liuottimella (amiini) pesemiseen, joka regeneroidaan lämmön avulla. Tekniik-ka mahdollistaa lämpöenergian käytön säh-

Kuva 23. Erkki Kalmari, yksi Suomen biokaasualan edelläkävijöistä, tankkaa Suomen toista biokaasukäyttöistä traktoria tilan biokaasuasemalla.

kön asemesta jalostuksessa ja lisäksi me-netelmällä on pienempi metaanihävikki.

Ennen kuin puhdistettua kaasua voidaan käyttää ajoneuvojen polttoaineena, se pai-neistetaan noin 200 barin paineeseen. Eril-liseltä asemalta tankattava, liikennepoltto-aineena käytettävä biokaasu tulee lisäksi turvallisuussyistä hajustaa lisäämällä siihen tetrahydrotiofeeniä, rikkipitoista hiilivety-yhdistettä, jolla on voimakkaan epämiellyt-tävä haju. Biokaasulla on itsellään tietty ha-ju, mutta puhdistusprosessissa tapahtuvan rikkivedyn poistamisen jälkeen kaasusta tu-lee lähes hajuton.

Kuva

Met

ener

Oy

23

Esimerkki: Biokaasuntuotanto maitotilalla

Kuutiometri metaania sisältää suunnilleen yhtä paljon energiaa kuin litra öljyä, eli 10 kilowattituntia. Tuotetun biokaasun energiasisältö on siten 630 000 kilowattituntia tai 630 megawattituntia.

Karkeasti arvioiden lietelannan metaanikaasutuotantopotentiaalista voidaan käyttää seuraavaa oletusta: 14 kuutiota metaania lietelanta-kuutiometriä kohti. Metaanipitoisuuden ollessa noin 60 prosenttia tämä vastaa noin 23 kuutiometriä biokaasua. Metaanintuotanto vä-henee varastoinnin ja laimentumisen johdosta; esimerkiksi pesu- tai sadevesi voi laimentaa lantaa.

Lanta raaka-aineena

Yksi lypsylehmä + nuorkarja tuottavat noin 65 kg lietelantaa vuoro-kaudessa. Lannan kuiva-ainepitoisuus on noin 10 prosenttia ja kui-va-aineesta noin 80 prosenttia koostuu orgaanisesta aineesta. Ole-tetaan, että 150 lypsylehmän tila päättää investoida biokaasulaitok-seen ja haluaa selvittää, kuinka paljon energiaa lannasta saadaan tuotetuksi. Lypsylehmien määrän ollessa 150 lannan määrä vuoro-kaudessa on noin 10 000 kg (150 * 65 kg). Jos eläimet ovat sisä-tiloissa vuoden ympäri, lantamäärä vuositasolla on noin 3 650 ton-nia. Orgaanisen materiaalin määrä lannassa voidaan laskea seu-raavasti:

Vuorokaudessa: 10 000 kg * 10 % * 80 % = 800 kgVuodessa: 3 650 tonnia * 10 % * 80 % = 292 tonnia

Naudan lietelannasta saadaan tonnista orgaanista kuiva-ainetta noin 360 kuutiometriä biokaasua, jonka metaanipitoisuus on noin 60 prosenttia.

Metaanikaasun tuotantokapasiteetti 150 lehmän lannantuotannolla on yhdessä vuodessa seuraava:

292 tonnia * 360 m3 biokaasua/tonni * 60 % metaania/biokaasu = 63 000 m3 metaania

Kuva 24. Naudan lietelannasta saadaan tonnista orgaanista kuiva-ainetta noin 360 kuutiota biokaasua, jossa on metaania noin 60 prosenttia.

Kuva

Ari

And

ersi

n /

Vas

tava

lo.fi

24

Energianurmi raaka-aineena

Maatila, jolla on 150 nautaa, voi lisätä energiantuotantopotentiaa-liaan merkittävästi lannan mädätyksen ohella myös nurmen mädä-tyksellä biokaasulaitoksessa, mutta silloin on rakennettava suurem-pi laitos. Oletetaan, että tilan läheisyydessä on 50 hehtaaria viljelys-maata, jolle ei ole mielekästä käyttöä ja jolla voidaan aloittaa timo-tein ja apilan tuotanto biokaasulaitosta varten. Ruohokasvien vuosi-sadon oletetaan olevan 17 400 kg kuivattua tuorepainoa hehtaaril-ta, mikä vastaa keskiarvoa Suomessa vuonna 2011. Nurmen kuiva-aineosuus on 35 prosenttia, ja kuiva-aineesta 90 prosenttia olete-taan olevan orgaanista materiaalia.

Viidenkymmenen hehtaarin tuottaman orgaanisen kuiva-aineen määräksi muodostuu:

50 ha * 17,9 tonnia/ha * 35 prosenttia * 90 prosenttia = 282 tonnia

Tonni nurmen orgaanista materiaalia tuottaa noin 550 m3 biokaa-sua, jonka metaanipitoisuus on 55 prosenttia. Viidenkymmenen hehtaarin ruohokasvituotannon potentiaali tuottaa metaanikaasua on siten:

282 tonnia * 550 m3 biokaasua/tonni * 55 prosenttia metaania/biokaasu = 85 300 m3 metaania

Energiasisältö 85 300 kuutiota metaania vastaa noin 850 mega-wattituntia kaasu energiaa eli noin 35 prosenttia enemmän kuin mi-tä 150 naudan vuodessa tuottama lietelanta.

Biomassan viljelystä biokaasuntuotantoa varten aiheutuu kuitenkin kustannuksia, kun taas lannan voidaan katsoa olevan karjan kasva-tuksen sivutuotteena ilmaista.

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto

Kun tarkastellaan pelkästään lantaa biokaasuntuotannon raaka-ai-neena, esimerkkilaitos tuottaa kaasua 630 megawattituntia. Jos biokaasun energiasisältö halutaan muuntaa sähköksi, voidaan bio-kaasugeneraattorilla olettaa olevan noin 30 prosentin hyötysuhde, eli vajaa kolmasosa tuotetun kaasun energiasisällöstä voidaan muuttaa sähköksi. Noin 55 prosenttia energiasisällöstä muuttuu sa-malla lämmöksi, kun taas 15 prosenttia menee hukkaan pakokaasu- ja säteilyhävikkeinä.

Esimerkkilaitoksen sähköteho on hieman alle 22 kW (630 000 kWh/vuosi / 8 760 tuntia/vuosi * 30 prosenttia)

Sähköntuotanto = 30 prosenttia * 630 MWh = 189 MWhkeskimääräinen teho = 444 000 kWh / vuosi / 8 760 tuntia / vuosi = 21,6 kW

Lämmöntuotanto = 55 prosenttia * 630 MWh = 347 MWhkeskimääräinen teho = 347 000 kWh / vuosi / 8 760 tuntia / vuosi = 39,6 kW

Prosessilämpö

Varsin merkittäviä määriä energiasta kuluu reaktoriin syötettävien raaka-aineiden lämmittämiseen ja reaktorin lämpöhävikkien katta-miseen. Edellä olevassa 150 lypsylehmän esimerkissä pelkästään lietelantaan perustuvalla sähkön ja lämmön yhteistuotannolla vuosi-tasolla noin 40 prosenttia tuotetusta lämmöstä kuluu prosessin yl-läpitämiseen. Tämä vastaa noin viidesosaa tuotetun kaasun ener-giasisällöstä. Syötteen lämmitys kuluttaa yleensä huomattavasti enemmän energiaa kuin mitä hyvin eristetyn mädätyssäiliön lämpö-hävikkien kattamiseen kuluu. Poistettavan prosessijäännöksen läm-mön siirto syötteisiin on hyvä tapa vähentää lämmitykseen tarvitta-vaa energiaa. Kun mädätetään vähän vettä sisältävää substraattia, jonka biokaasupotentiaali on suurempi kuin lannalla, prosessin ku-luttama energian määrä pienenee.

25

Kesäaikaan, kun lämmöntarve on muutenkin pienin käytettävissä on eniten lämpöä, koska itse laitoskin tarvitsee silloin vähiten lämpöä. Syötteen lämmitys kuluttaa yleensä huomattavasti enemmän ener-giaa kuin mitä reaktorin lämpöhävikkien tasaukseen kuluu (kuva 25). Tässä esimerkissä on kyseessä hyvin eristetty 300 kuutiomet-rin reaktori, jossa on betonikatto. Katto on eristetty 200 millimetrin polystyreenillä ja U-arvo on 0,19 W/m2 K. Käytännössä olisi vii-saampaa, että siirryttäisiin tilavuudeltaan jonkin verran suurem-paan reaktoriin, kun otetaan huomioon mahdollinen energiakasvien tai muiden jätteiden syöttäminen mädätykseen pelkän lannan lisäk-si. Varsinaisen reaktorin lisäksi tarvitaan vielä katettu jälkikaasual-las, jossa tuotetaan noin 20 prosenttia kaasusta. Jälkikaasutuksen ei tarvitse olla varustettu lämmitysjärjestelmällä.

Energiasisältö:1 m3 metaanikaasua = 1 litra öljyä= 10 kWh1 m3 biokaasua ~ 6 kWh1 m3 biokaasua ~ 2 kWh sähköä

Biokaasulaitoksen mitoitus

Reaktorin koko määräytyy laitokseen syötettävän syötteen määrän sekä sen ominaisuuksien mukaan. Syötteen määrän lisäksi on tie-dettävä kuinka pitkän viipymäajan seos vaatii ja kuinka korkeaa kuormitusta voidaan käyttää. Lietelannalla tapahtuvassa mesofiili-sessä mädätyksessä käytetään yleisesti kuormitusta kolme kiloa or-gaanista ainetta reaktorin yhtä kuutiometriä kohti vuorokaudessa ja viipymäajan ollessa vähintään noin kolme–neljä viikkoa.

Biokaasulaitoksen kannattavuus

Oletetaan, että 150 lehmän maitotilalla sähkönkulutus on vuosittain 150 000 kilowattituntia (kWh), mikä sähkönhinnan ollessa 10 sent-tiä/kWh tarkoittaa 15 000 euron vuotuisia sähkökuluja. Jos biokaa-sulaitos toimii ainoastaan tilan omalla lannalla, sopii tilan sähkön käyttö erinomaisesti yhteen laitoksen sähköntuotannon kanssa. Sähkön myyminen sähköverkkoon ei kannata, kun laitoksen teho on alle 100 kilowattia, sillä Suomessa pienet laitokset eivät ole mukana syöttötariffijärjestelmässä. Sähkön myyminen sähköverkkoon ei ole kannattavaa, koska tuottaja saa maksun vain sähköstä mutta me-nettää siirron ja sähköveron osuuden, jonka taas hyötyy ostosähköä korvatessa.

Huolimatta siitä, että sähkönkulutus ja sähköntuotanto vuositasolla osuvat hyvin yhteen esimerkkitapauksessa, todellisuus on kuitenkin aivan toisenlainen. Maitotilan sähköntehon tarve vaihtelee vuoro-kauden eri aikoina sen mukaan, mitä toimenpiteitä navetassa on käynnissä. Tämän takia CHP-laitteen tulisi olla mitoitettu lähelle huippukuormaa ja kyetä säätymään pienemmille kulutusmäärille.

Järjestelmä, jolla nettosähkönkulutuksen ja -tuotannon voisi mitata, parantaisi pienten energiantuottajien mahdollisuuksia käyttää lai-toksiaan rationaalisesti. Järjestelmä mahdollistaisi sähköverkon käytön akkuna. Periaate perustuu siihen, että sähkönkäyttäjä voi nollata oman sähkölaskunsa kokonaan tai osittain syöttämällä säh-köä verkkoon menettämättä sähkön hintaan kuuluvaa siirtomaksu-osuutta. Vastaavanlaisia järjestelyjä on käytössä eri puolilla maail-maa ja niistä on keskusteltu myös meillä. Nettomittaus ei ole aina-kaan vielä mahdollista suomalaisille sähkön pientuottajille.

tam

mik

uu

helm

ikuu

maa

lisku

u

huht

ikuu

touk

okuu

kesä

kuu

hein

äkuu

elok

uu

syys

kuu

loka

kuu

mar

rask

uu

joul

ukuu

Tuotettu lämpöteho

Käytettävissä oleva lämpöteho

Substraatin lämmittäminen

Mädätyssäiliön lämpöhävikit

Biokaasulaitoksen lämpötasapaino

40Lämpöteho kWh

0

35

30

25

20

15

10

5

Kuva 25. Lämpötase esimerkin biokaasulaitoksessa.

26

Lämmitysenergian kustannukset riippuvat siitä, millä tavalla lämpö tuotetaan. Voidaan esimerkiksi ajatella, että tila kuluttaa 10 000 litraa polttoöljyä rakennusten lämmitykseen. Verottomalla öljyn-hinnalla 900 €/m3 (huhtikuu 2012) muodostuu vuosittaisen öljyn-kulutuksen hinnaksi 9000 euroa. Kun oletetaan, että öljykattilan hyötysuhde on 90 prosenttia, merkitsee 10 000 litran öljyn kulutus 90 000 kilowattitunnin lämmöntarvetta. Lämmitystarpeen jakautu-minen eri kuukausille on seuraavassa esimerkissä laskettu sen pe-rusteella, miten lämmitystarve jakautuu tilastollisesti vuoden aikana (kuva 26).

Käytännössä biokaasulaitoksen tehontuotantoa voidaan osittain oh-jata siten, että talvella biokaasulaitokseen syötetään enemmän ma-teriaalia kuin kesällä. Tässä tapauksessa on pelkästään laskettu, et-tä lietelantaa käytetään yhtä suuria määriä kaikkina päivinä ympäri vuoden. Esimerkissä, jossa on maitotila, 150 lypsylehmää ja lannan mädätysmahdollisuus, lannan tuottamana sähköenergia riittää juuri sopivasti kattamaan tilan oman sähköntarpeen. Noin 200 000 kilo-wattituntia lämpöenergiaa jää tosin käyttämättä. Eniten sitä jää käyttämättä kesäkuukausina. Jos tilalla olisi mahdollisuus syöttää ylijäämälämpö aluelämpöverkkoon vuoden ympäri, voitaisiin siitä laskea saatavan lisätuottoa. Jos lämmölle ei ole järkevää käyttöä, se on arvotonta. Ylijäämälämpöä voidaan käyttää kesällä myös esi-merkiksi heinän tai hakkeen kuivaamiseen.

Tarjolla syöttötariffi ja investointitukea

Biokaasulaitosten suuri menestys Saksassa perustuu kokonaan sille, että myydystä vihreän sähkön kilowattitunnista saa hyvän hinnan. Saksalainen biokaasusähkön tuottaja saa noin 15 senttiä myymäs-tään kilowattitunnista, kun taas vastaava summa Suomessa on 13,35 senttiä, mutta vain laitoksissa, joiden sähköntuotantoteho on yli 100 kilowattia (generaattoriteho vähintään 100 kVA). Alle 100 kilowatin laitoksille, jotka haluavat syöttää sähköä verkkoon, käytössä on säh-kön markkinahinta, joka on noin 4 senttiä/kWh (huhtikuu 2012).

Biokaasulaitos, joka ei liity syöttötariffijärjestelmäjärjestelmään, voi saada investointitukea, kun taas tariffijärjestelmään liittyvä laitos ei voi sitä saada. Tariffijärjestelmään liittyviä laitoksia koskee lisäksi määräys, ettei niissä saa olla käytettyjä osia.

Pienemmille laitoksille on kannattavampaa vastaanottaa investoin-titukea ja mukauttaa laitoksen koko siten, että itsellä on käyttöä tuotetulle sähkölle. Lämmön- ja sähköntuotannossa lämpö on aina

päätuote. Kannattaa siis pyrkiä siihen, että lämmölle löytyy järkeviä käyttökohteita. Jollei se ole mahdollista omalla tilalla, saattaa olla kannattavaa harkita kaasulinjan vetämistä lähellä sijaitsevaan teolli-suuslaitokseen, kuntakeskukseen tai vastaavaan.

Kannattavuuden parantaminen

Tänä päivänä Suomessa käytössä olevat biokaasulaitokset saavat kannattavuutensa pääasiassa biokaasulaitokseen käsiteltäväksi tuo-tavan biologisesti hajoavan jätteen niin sanotuilla porttimaksuilla. Porttimaksut koskevat yleensä suuria biokaasulaitoksia, mutta myös pienet laitokset voivat ottaa vastaan ja käsitellä biologisesti hajoavaa jätettä ja saada siitä maksun. Suomessakin on esimerkkejä tällaisista porttimaksullisia jätteitä vastaanottavista, laitoshyväk-synnän saaneista maatalouden biokaasulaitoksista.

Jotta lannan tai säilörehun käyttöön perustuva maatalouden bio-kaasulaitos voisi olla kannattava, vaaditaan toisaalta, että laitos on edullinen ja toimiva, ja toisaalta, että tuotetusta energiasta saa hy-vän taloudellisen tuoton. Yksi tapa saavuttaa parempi kannattavuus

tam

mik

uu

helm

ikuu

maa

lisku

u

huht

ikuu

touk

okuu

kesä

kuu

hein

äkuu

elok

uu

syys

kuu

loka

kuu

mar

rask

uu

joul

ukuu

Tuotettu teho

Tehontarve tila + biokaasulaitos

Biokaasulaitoksen tehontarve

Tilan oma tehontarve

Ylijäämäteho

Mihin biokaasulaitoksen lämpö riittää

40Lämpöteho kWh

0

35

30

25

20

15

10

5

Kuva 26. Kuukausittaisten keskilämpötilojen mukaan laskettuna laitoksen tuottama lämpöteho riittää biokaasulaitoksen ja tilan rakennusten yhteenlaskettuun tehon tarpeeseen ympäri vuoden, mutta ankarien pakkasjaksojen aikana lämmöstä tulee pulaa. Keskellä kesää liiallista tehontuotantoa on noin 25 kWh.

27

on jalostaa kaasu liikennepolttoaineeksi, edellyttäen, että kaasu käy kaupaksi. Ajoneuvokaasun tuotannolla päästään eroon ylijäämä-lämmön aiheuttamasta ongelmasta kesäisin, ja lisäksi tuotetusta energiasta saa noin kaksinkertaisen hinnan verrattuna sähkön ja lämmön tuotantoon. Samalla laitoksesta tulee kuitenkin kalliimpi, ja lisäksi kaasunmyynnin hoitaminen sitoo enemmän resursseja kuin sähkön tai lämmön tuotanto.

Mitä esimerkin biokaasulaitos saa sitten maksaa ollakseen kannattava?

Tila voi karkeasti ottaen tuottaa oman sähkönsä biokaasulaitokses-sa. Vuoden 2012 energian hinnoilla sähköntuotannon arvo olisi noin 15 000 euroa ja lämmitysenergian arvo noin 9 000 euroa vuodessa eli yhteenlaskettuna 24 000 euroa. Jos otetaan huomioon pelkäs-tään investointikustannukset, laitos saisi maksaa tilalle enintään

200 000 euroa, jotta se energiantuotannon avulla maksaisi itsensä 10 vuodessa, jos korko on kolme prosenttia. Maataloudelle perustu-van biokaasulaitoksen sekä maaseudulla toimivan yritysmuotoisen biokaasulaitoksen rakentamiseen on viime vuosina voinut saada in-vestointitukea. Mahdollisista tuista ja tukiprosenteista saa lisätietoa Maaseutuvirastosta (www.mavi.fi) ja ELY-keskuksista.

Niillä edellytyksillä, joita meillä on maatalouteen perustuville bio-kaasulaitoksille, ei jokainen lantaa tuottava tila pysty rakentamaan itselleen omaa laitosta. Maatalouteen perustuvat biokaasulaitokset eivät yleisty meillä kuten esimerkiksi Saksassa. Siitä huolimatta mahdollisuuksia biokaasulaitosten kannattavalle käytölle tiloilla on olemassa, myös ilman porttimaksuja tuottavan jätteen mädätystä. Ennen investointipäätöstä on joka tapauksessa tehtävä kannatta-vuuslaskelmat huolella, riippumatta siitä onko kyse sähkön ja läm-möntuotannosta tilalla vai kaasun myynnistä.

Kuva 27. Biokaasun tuotannon kannattavuuslaskelmat on syytä tehdä huolella ennen investointipäätöstä.

Kuva

Pen

tti S

orm

unen

/ V

asta

valo

.fi

Työ-

ja e

linke

inom

inis

teriö

on

raho

ittan

ut ju

lkai

sun

| Jul

kais

ija: M

otiv

a O

y | U

lkoa

su: I

ndiv

isua

l | K

anne

n ku

va A

arno

Isom

äki /

Vas

tava

lo.fi

| Ru

otsi

nkie

linen

alk

uper

äist

ekst

i: Fr

edrik

Ek,

Sve

nska

lant

bruk

ssäl

lska

pens

förb

und

| Su

omen

kiel

inen

teks

ti: A

udip

ek O

y, M

otiv

a O

y ja

Juha

Luo

star

inen

, Met

ener

Oy

| 2/2

013

Urho Kekkosen katu 4-6 APL 48900101 HelsinkiPuhelin 0424 2811www.motiva.fi

Biokaasun tuotanto maatilalla

Opas sisältää perustietoja biokaasun tuo-tannon mahdollisuuksista. Opas on suun-nattu maatiloille ja muille biokaasun tuo-tannosta kiinnostuneille tahoille.

Alalta on tähän asti puuttunut yhtenäinen suomenkielinen perusaineisto, vaikka siitä ollaan laajasti kiinnostuneita.

Oppaan pohjana on käytetty Fredrik Ekin kir-joittamaa Produktion av biogas på gården -opasta, jonka on julkaissut Svenska lant-brukssällskapens förbund. Käännetyn teks-tin on tarkastanut Juha Luostarinen Mete-ner Oy:stä ja aineistoa on muokattu myös Motivassa. Motiva on tuottanut oppaan työ- ja elinkeinoministeriön tilaamana. Ku

va P

irkko

Kan

ervi

sto

/ V

asta

valo

.fi