12. Kaasumaiset polttoaineet
12.4 Biokaasu
Biokaasua muodostuu erilaisten mikrobien hajottaessa orgaanista ainesta hapettomissa olosuhteissa.
Biokaasu on orgaanisen aineksen mädäntymisen seurauksena syntyvä kaasu, joka koostuu pääosin me-taanista (55–70 %) ja hiilidioksidista (30–45 %). Hajoamisessa välituotteena muodostuu vetyä, jonka mik-ro-organismit käyttävät yleensä metaanin tuotantoon. Prosessiolosuhteet voidaan säätää myös niin, että osa orgaanisesta aineksesta voidaan hajottaa vedyksi. Vedyn ja metaanin tuotanto voidaan toteuttaa kak-sivaiheisena prosessina, jolloin lopputuotteena on sekä vetyä että metaania. Vedyn tuotanto on lähinnä tutkimusvaiheessa laboratorio- ja pilotmitassa, eikä toistaiseksi ole täydenmittakaavan sovelluksia. (Tähti &
Rintala 2010.)
Metaani ja hiilidioksidi ovat kumpikin värittömiä ja hajuttomia kaasuja. Lähteestä riippuen kaasussa on pienempinä pitoisuuksina rikkivetyä (0–2 %), typpeä (0–25 %) sekä kloori- ja fluoriyhdisteitä. Biokaasun lämpöarvo on 4–6 kWh/m3n (14,4–21,6 MJ/m3n). Sellaisenaan poltettavaksi ja myös moottorin polttoai-neeksi soveltuvan biokaasun tuotannossa on kyse sekä energiantuotannosta että ympäristönsuojelusta kasvihuonekaasujen ja hajuhaittojen vähenemisen muodossa.
Biokaasun raaka-aineeksi soveltuvat varsin erilaiset orgaaniset massat. Koska metaanibakteerit toimi-vat parhaiten vesipitoisessa ympäristössä, menetelmä soveltuu erityisen hyvin lietemäisten jätteiden käsit-telyyn. Tällaisia jätteitä muodostuu maatilataloudessa (lietelanta), kunnallisissa jätevedenpuhdistamoissa, elintarviketeollisuudessa jne. Orgaanisen aineksen syöttöä voidaan tehostaa lisäämällä lietteisiin esimer-kiksi kiinteää kasvimassaa siten, että seoksen kuiva-ainepitoisuus nousee lähelle 10 % tai jopa hieman sen yli. Teoreettinen metaaninsaanto on suurin rasvoista (1 014 l/kg VS), sitten proteiineista (496 l/kg VS) ja hiilihydraateista (415 l/kg VS). VS tarkoittaa orgaanista ainesta. Taulukoissa 12.5 ja 12.6 on eri syöttei-den metaanintuottopotentiaaleja sekä orgaanisen aineen pitoisuuksia. Taulukossa 12.7 on biohajoavien jätteiden ja kasvien kuiva-aineen pitoisuudet (TS) sekä orgaanisen aineksen osuus kuiva-aineesta (VS/TS) (Tähti & Rintala 2010).
Taulukko 12.5. Esimerkkejä eri syötteiden metaanintuottopotentiaalista (Lehtomäki & Rintala 2006).
Taulukko 12.6. Syötteiden orgaanisen aineen pitoisuuksia ja metaanintuottopotentiaaleja (Latvala 2009, Lehtomäki & Rintala 2006).
Syöte
Kuiva-aine-pitoisuus, TS, % Orgaanisen aineen
osuus, VS, %
VS/TS-suhde VS
kokonais-painosta, kg/t CH4 tuotto,
l/kg VS CH4 tuotto, m3/t
Puhdistamoliete 5 3 60 30 150 5
Lehmän lanta 6,5 5,3 82 53 175 9
Biojäte 40 28 70 210 550 116
Nurmi 30 27,9 93 279 400 112
Sokerijuurikas 20 17,9 89 179 229 41
Taulukko 12.7. Biohajoavien jätteiden ja kasvien kuiva-aineen pitoisuudet (TS) sekä orgaanisen aineksen (VS) osuus kuiva-aineesta (VS/TS). Ominaisuuksista on esitetty keskiarvo sekä vaihteluväli suluissa (Tähti
& Rintala 2010).
Jätteet Kuiva-aine, TS, % Orgaanisen aineksen osuus
kuiva-aineesta, VS/TS %
Teurasjäte 26,4 (20,0–31,0) 90
Kasvisjäte 11,3 (7,12–19,0) 92
Yhdyskuntien biojäte 34,5 (33,5–35,0) 74
Yhdyskuntien puhdistamolietteet* 18,5 (3,0–50,0) 70
Elintarviketeollisuuden puhdistamolietteet 10,0 (2,0–30,0) 70 Metsä- ja paperiteollisuuden
puhdistamo-lietteet 2,5 (2,0–3,0) 70
Olki 89,8 (89,6–90,0) 92
Nurmi 24,0 (17,4–43,7) 92
Naatit 11,6 (-) 85
* Lietteiden kuiva-ainepitoisuuksissa on suuri vaihtelu, koska VAHTI-järjestelmässä, josta luvut on otettu, lietteiden kuiva-ainepitoisuuksista osa on ilmoitettu raakalietteille ja osa kuivatuille lietteille.
Anaerobisilla tekniikoilla tarkoitetaan kontrolloitua märän orgaanisen aineksen mikrobiologista tai biokemi-allista hajoamista hapettomissa olosuhteissa. Kyseinen reaktio on yksi maailman vanhimmista. Se perus-tuu erittäin alkeellisten bakteerien toimintaan ja sitä kutsutaan mädätykseksi, biokaasutukseksi tai biome-tanoinniksi. Biokaasua syntyy kontrolloidusti reaktoreissa tai kontrolloimattomasti kaatopaikoilla.
Maatilakohtaisia biokaasulaitoksia oli toiminnassa 13 paikassa. Kiinteitä yhdyskuntajätteitä käsiteltiin 14 biokaasulaitoksessa. Vuonna 2014 reaktorilaitoksissa tuotettiin biokaasua 61,5 miljoonaa m3 ja sitä
hyö-tokselta yhteensä 94,0 miljoonaa m3. Pumpatusta biokaasusta 74,7 miljoonaa m3 käytettiin sähkön ja lämmön tuotantoon ja energiaa tuotettiin 303,7 GWh. Yhteensä biokaasua tuotettiin 155,5 miljoonaa m3 (Huttunen & Kuittinen 2015). Suomessa viedään kaatopaikoille vuosittain 0,5 miljoonaa tonnia yhdyskunta-jätettä. Kaatopaikoilla muodostuvan biokaasun määräksi on arvioitu noin 200 miljoonaa m3 vuodessa.
Valtioneuvoston asetus kaatopaikoista (331/2013) kieltää orgaanisen jätteen sijoittamisen kaatopaikoille vuodesta 2016 lähtien (Huttunen & Kuittinen 2015, Häkkinen et al. 2014). Kuvassa 12.1 on biokaasulaitok-sen periaatekuva.
Kuva 12.1. Biokaasulaitoksen periaatekuva. Kuva: VTT.
Biokaasutus karjan – esimerkiksi naudan tai sian – lietelannasta tuo merkittävän avun maatalouden kan-nattavuuteen (kuva 12.2). Kotieläinten jätteiden tuotanto lietelantana on Suomessa yli 17 miljoonaa m3 eli 2,25 miljoonaa tonnia kuiva-ainetta. Lantojen teknistaloudellinen potentiaali on 1,4 TWh/a (0,9–1,8 TWh/a). Nautojen, sikojen ja siipikarjan talteenkerätystä lannasta arvioidaan voitavan hyödyntää 60 % ja lampaiden lannasta 10 % (Tähti & Rintala 2010). Energiapotentiaali voidaan laskea, kun märkäpainot muutetaan kuiva-aineeksi (TS) ja orgaaniseksi aineeksi (VS) käyttäen taulukon 12.8 arvoja. Materiaalin energiapotentiaali on massa (t) x metaanin tuotto (m3/tTS) x metaanin lämpöarvo (10 kWh/m3) (taulukko 12.8).
Kuva 12.2. Biokaasun tuotanto maatilalla. Kuva: VTT.
Taulukko 12.8. Eläinten tuottamat vuosittaiset lantamäärät (m3) kuivikelantana sisältäen kuivikkeet (sekä lietelannan pesuvesien kanssa, joiden arvot ovat suluissa), lannan tiheys (t/m3), kuiva-ainepitoisuus (TS) sekä orgaanisen aineksen osuus kuiva-aineesta (VS/TS) (Tähti & Rintala 2010).
Kotieläin Keskiarvo,
m3/eläin/a
Tiheys, t/m3
Kuiva-ainepitoisuus
(TS) %
Orgaanisen aineksen osuus kuiva-aineesta
(VS/TS), %
Lypsylehmä 24 (24) 0,78 (0,99) 21,5 (5,5) 80
Emolehmä 15 (15) 0,78 (0,99) 21,5 (5,5) 80
Hiehot ja sonnit 15 (15) 0,78 (0,99) 21,5 (5,5) 80
Vasikat, alle 1 v 4 (4) 0,78 (0,99) 21,5 (5,5) 80
Karjut, emakot ja lihasiat
yli 50 kg 2,4 (2,4) 0,64 (1,00) 29,3 (3,5) 75
Muut siat 20–50 kg ja porsaat
alle 20 kg 1,2 (1) 0,64 (1,00) 29,3 (3,5) 75
Uuhet yli 1 v, karitsoineet ja tiineet uuhet alle 1 v, muut lampaat ja vuohet
1,5 0,59 34
Hevoset 12 0,53 31 88
Minkki ja hilleri 0,25 0,74 47
Kettu ja supi 0,5 0,53 31 88
Munivat kanat vähintään 20
viikkoa, kukot ja broileriemot 0,05 0,62 48 75
Kananpoikaset alle 20 viikkoa,
broilerit 0,015 0,62 48 75
Kalkkuna 0,03 0,62 48 75
Yhdestä kuutiometristä lietelantaa syntyy kaasua noin 20 m3 vastaten noin 6,5 kWh energiaa ja yksi koti-eläinliete-m3 sisältää 5–7 % orgaanista kuiva-ainetta (taulukot 12.9 ja 12.10).
Hoidetuilla, viljelemättömillä pelloilla ja viherkesannoilla muodostuu mittava määrä biomassa, jota voitai-siin käyttää myös biokaasun tuotantoon. Huomioiden satovaihtelu (1,33–10,3 tonnia kuiva-ainetta hehtaa-ria kohti) vuotuinen potentiaali olisi noin 4,7 TWh (Pahkala & Lötjönen 2015).
Taulukko 12.9. Biokaasun saanto maatalousjätteistä (Sankari 1994, Alakangas 2000).
Perusaine Saanto, m3/kg kuiva-ainetta
Ruoho (runsaasti lannoitettu) 0,6–0,7
Perunan lehdet ja varret 0,45–0,55
Sokerijuurikkaan lehdet/sokerijuurikas 0,56 / 0,88*
Olki 0,25–0,35
* biokaasu m3/kg orgaanista ainetta (tuhkaton ja vedetön aines)
Taulukko 12.10. Eläinten tuottamat orgaanisen jätteen määrät (Suomen biokaasuyhdistys, Alakangas 2000).
Eläin Lantamäärä, kgk.a./a Biokaasua, m3/a Sähköä, kWh
Lehmä 1 600 640–1 120 3 392–5 936
Sika 104 42–73 223–387
Emakko 336 136–235 721–1246
Kettu 18 7–13 37–69
Supi 20 8–14 42–74
Minkki 7,5 3–5 16–27
Kana 6,2 2–4 13–23
Yksi keskikokoinen suomalaisen kaupungin kaatopaikka tuottaa metaanikaasua noin 200–400 m3/h. Yh-dyskuntajätetonnin hajoamisessa muodostuu biokaasua 100–200 m3. Biokaasua tuottava anaerobinen hajoaminen alkaa 2–4 vuoden kuluttua läjittämisestä ja jatkuu useita vuosikymmeniä. Vuoden 2016 alusta Suomen kaatopaikoille ei saa enää viedä biohajoavaa jätettä, joten kaatopaikkakaasun tuotanto vähenee.
Kaatopaikkojen lisäksi myös jätevedenpuhdistamojen ja teollisuuden mädättämöt tuottavat kaasua huomattavia määriä. 1 kWh sähkön ja 1,23 kWh lämmön tuottamiseen tarvitaan esim. 5–7 kg biojätettä, 5–15 kg kotitalousjätettä, 8–12 kg lantaa tai orgaanista jätettä tai 4–7 m3 jätevettä. Kaatopaikkakaasu sisältää lähinnä metaania CH4 (25–64 %) ja hiilidioksidia CO2(35–45 %). Kaasussa esiintyy lisäksi pieninä pitoisuuksina useita kloori- ja fluorihiilivetyjä sekä rikkiyhdisteitä, jotka aiheuttavat kaatopaikkakaasulle ominaisen epämiellyttävän hajun.
Ulkoilmaan päästessään kaatopaikkakaasu on herkästi syttyvää, haisevaa ja ympäristöä saastuttavaa.
Lisäksi metaanikaasu CH4 edistää kasvihuoneilmiötä monin verroin tehokkaammin kuin hiilidioksidi. Me-taani on vapaasti ilmakehään päästessään yli 20 kertaa hiilidioksidia voimakkaampi kasvihuonekaasu.
Metaani on palaessaan erinomainen energiakaasu, jonka palamisjätteenä syntyy vain hiilidioksidia ja vet-tä. Metaani aiheuttaa lisäksi kaatopaikoilla tulipaloja.
Kaatopaikkakaasun kerääminen tapahtuu jätepenkereeseen asennettujen siiviläputkien avulla, jotka voidaan sijoittaa joko pystyyn (imukaivot) tai vaakatasoon (salaojat) (kuva 12.3). Myös yhdistettyjä raken-teita ja louhesalaojia (tunnelit) käytetään. Suomen olosuhteissa pystykaivot ovat osoittautuneet tehokkaiksi korkeilla kaatopaikoilla, kun taas salaojat soveltuvat alueille, joissa täyttökorkeus on alle kuusi metriä.
Molemmat järjestelmät soveltuvat kaasun talteenottoon myös käytössä olevalla kaatopaikalla.
Kuva 12.3. Kaatopaikkakaasun keräys ja käyttö moottorin polttoaineeksi. Kuva: VTT.
Suomessa toimi vuoden 2014 lopussa yhdyskuntien jätevedenpuhdistamoilla 16 biokaasureaktorilaitosta.
Teollisuuden jätevesiä käsiteltiin anaerobisesti kolmessa eri laitoksessa. Taulukossa 12.11. on esitetty jätevedenpuhdistamoiden biokaasun koostumuksia.
Kaupungeissa ja asutustaajamissa viemärilaitosten yleistyessä oli välttämätöntä ryhtyä tehostamaan myös jätevesien puhdistamista. Orgaanisten ainesten hajottajina alettiin käyttää aerobisten bakteerien ohella anaerobisia bakteereja. Rakennettiin suljettuja biokaasureaktoreita ja syntyvää biokaasua alettiin ottaa hyötykäyttöön. Puhdistamolietteen mädätyksessä syntyy humusta ja biokaasua. Syntyvän humuksen määrä on 30–40 % alkuperäisen lietteen painosta ja biokaasun kertymä on 60–80 m3 käsiteltyä lietetonnia kohti. Muodostuvan biokaasun metaanipitoisuus on 60–70 % ja sen lämpöarvo on 6–6,5 kWh/m3. Puhdis-tamon koosta ja paikallisista olosuhteista riippuen tuotettu biokaasu voidaan käyttää joko pelkän lämmön tai sekä lämmön että sähkön tuotantoon tai se voidaan jatkojalostaa metaanipitoisuutta korottamalla liiken-teen polttoaineeksi tai maakaasuverkkoon syötettäväksi.
Vaasan alueella Mustasaaren kunnassa toimii Suomen vanhin kiinteiden yhdyskuntajätteiden komposti-jaetta (biojätteitä) ja mekaanisesti kuivattua yhdyskuntalietettä yhteismädättävä Stormossenin laitos. Lai-tokselle tuleva jäte käsitellään mekaanisesti ja biologisesti. Laitos tuottaa biokaasua reilut 2 miljoonaa m3, josta hyödynnetään 1,8 miljoonaa m3. Suomessa on 14 yhteismädätyslaitosta, jotka tuottivat yli 30
miljoo-3
Taulukko 12.11. Jätevedenpuhdistamoiden biokaasun tyypilliset komponentit ja vaihteluvälit (Latvala 2009).
Komponentti Vaihteluväli, % Komponentti Vaihteluväli, mg/m3
Metaani, CH4 55–70 Ammoniakki, NH4 < 0,2
Hiilidioksidi, CO2 30–45 Orgaaniset piiyhdisteet 0,2–32
Happi, O2 < 0,5 Hiukkaset < 5
Typpi, N2 < 1 Fluori, F < 0,2
Kosteus, H2O 2–4 Kloori, Cl < 2
Komponentti Vaihteluväli, ppm
Rikkivety, H2S 10–40
Metyylimerkaptaani, CH3SH < 0,005 Dimetyylisulfidi, CH3SCH3 < 0,005 Metyylidisulfidi, CH3SSCH3 < 0,01
Biokaasun varastointi on vaikeaa (raaka-aineen varastointi on helpompaa). Tavallisin varastointitapa on kaasukellovarasto tai membraanisäiliö. Taloudellisesti voidaan varastoida vain noin yhden päivän kaasun-tuotanto, joten tehokas hyväksikäyttö edellyttää, että kaasun sisältämä energia voidaan jatkuvasti hyödyn-tää kannattavalla tavalla.
Biokaasusta voidaan tuottaa puhdistuksen jälkeen lämpöä ja sähköä tai jalostuksen jälkeen liikennepolt-toainetta. Biokaasua voidaan jalostaa metaanipitoisuutta korottamalla maakaasun kaltaista poltliikennepolt-toainetta.
Jos kaasu jalostetaan ja syötetään kaasuverkkoon, niin päästään eroon mm. biokaasun varastointiongel-masta. Myös biokaasun käyttömahdollisuudet lisääntyvät merkittävästi. Maakaasun jakeluverkostosta ja ajoneuvojen tankkausasemilta saatava biokaasu on jalostettua kaasua (95 % metaania). Jalostetun bio-kaasun tehollinen lämpöarvo on 10 kWh/m3 eli maakaasun luokkaa. Biokaasua, jonka metaanipitoisuutta ei ole korotettu, käytetään biokaasun tuotantolaitoksen läheisyydessä ja jakelu rajoittuu pääasiassa yritys-asiakkaille. Jalostamattoman biokaasun ominaisuudet vaihtelevat tuotantolaitoksittain. Maakaasuverkkoon tuotetaan biokaasua vuodessa noin 50 GWh (Gasum Oy).
LABIO Oy:n Kujalan biokaasulaitoksessa käsitellään erilliskerätty biojäte, haravointijätteet ja puhdista-molietteet mädättämällä. Jätteistä syntyy raakabiokaasua, jonka Gasum jalostaa koostumukseltaan maa-kaasua vastaavaksi biokaasuksi. Kaasu johdetaan Gasumin maakaasuverkostoon ja se soveltuu esimer-kiksi liikenteen polttoaineeksi. Myös HSY:n jätevedenpuhdistamon laitos Espoossa tuottaa biokaasua maakaasuverkkoon.
Biokaasutuksen jälkeen otetaan talteen jäljelle jäävä ravinteikas orgaaninen aines, jota käytetään joko lietteenä tai kuivattuna lannoitteeksi. Biokaasutuksen ansiosta raaka-aineiden ikävä haju ja taudinaiheutta-jabakteerit ovat hävinneet ja menetelmä vähentää näin ollen jätteen aiheuttamaa pinta- ja pohjavesien pilaantumisvaaraa.