Biokaasun hyödyntäminen

Biokaasua voidaan hyödyntää sähkön- tai lämmön erillistuotannossa, pelkässä sähkön- tai lämmöntuotannossa tai siitä voidaan jalostaa liikennepolttoainetta. Sähköntuotantoon käytetyimpiä tekniikoita ovat kaasumoottorit ja mikroturbiinit. Lämmöntuotannossa voidaan käyttää lämpökattilaa. Pienemmillä laitoksilla lämpö voidaan hyödyntää yhdes-sä tai useammassa laitosta lähellä olevassa yksittäisesyhdes-sä lämmönkulutuskohteessa. Maa-tilakokoluokan laitoksista lämpöä hyödynnetään yleensä tilan omien rakennusten läm-mitykseen. Biokaasu voidaan myös hyödyntää lähellä olevassa voimalaitoksessa säh-kön- ja lämmön tuotantoon. (Aalto et al. 2007, 13.) Biokaasua voidaan myös hyödyntää

polttokennoissa ja Stirling moottoreissa (Lehtomäki et al. 2007, 40), puhdistettuna lii-kenteen polttoaineena tai syöttämällä se maakaasuverkkoon (Held et al. 2008).

Lämmön tuotannossa ei juuri ole kaasun puhtaus vaatimuksia. Ainoastaan veden poisto on suositeltavaa. Veden poistolla saadaan erotettua myös suurin osa mahdollisesta rik-kivedystä, jonka pitoisuus pitäisi olla alle 1000 ppm korroosioriskin takia. (Lehtomäki et al. 2007, 40.) Helpoin tapa lämmön tuotantoon biokaasusta on poltto lämpökattilois-sa. Kaasun hyödyntämiseen tarvitaan vain lähellä oleva riittävän suuri lämmön kulutus-kohde. Vanhan lämpökattilan hyödyntäminen voi myös olla mahdollista vaihtamalla sopiva poltin. Lämmön tuotannossa biokaasusta polton hyötysuhde voi olla jopa yli 90

%. (Latvala 2005, 11.) Lämpökattiloita on useissa biokaasua tuottavissa kohteissa, jois-sa lämpö hyödynnetään läheisissä rakennuksisjois-sa. Ylimäärä lämpö tai biokaasu voidaan kuljettaa muualle, joko suoraan kaasuputkien kautta tai hyödyntämällä kaukolämpö-verkkoa. Pienimmissä biokaasulaitoksissa on kuitenkin yleistä, että osa biokaasusta pol-tetaan soihdussa varsinkin kesällä, kun kysyntä on alhaisempaa. (Held et al. 2008.)

Sähköntuotannossa biokaasua on jo pidemmän aikaa hyödynnetty polttomoottoreiden polttoaineena. Sähkötehoiltaan polttomoottorit vaihtelevat noin 45 kW:sta useampiin MW:hin. Pienillä polttomoottoreilla (sähköteho alle 200 kW) voidaan päästä sähköntuo-tannossa 25 – 30 %:n hyötysuhteeseen ja isoimmilla moottoreilla 30 – 40 %:n hyötysuh-teeseen. (Lehtomäki et al. 2007, 40.)

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto on kannattavaa, sillä sähköä tuotettaessa muodostuu lämpöä ja hyödyntämällä tätä lämpöä saadaan hyötysuhdetta kasvatettua. Tämä voidaan tehdä perinteisellä otto-moottorilla, joka pyörittää generaattoria. Lämpöä saadaan tal-teen jäähdytysvedestä ja savukaasuista. Tätä lämpöä voidaan hyödyntää omissa proses-seissa tai tilojen lämmityksessä. Yhteistuotannossa voidaan päästä 70 – 90 %:n hyö-tysuhteeseen riippuen kokoluokasta ja pelkälle sähkölle hyötysuhde on 25 – 30 %:a.

(Latvala 2005, 11.) Biokaasusta pitää samalla tavalla kuin pelkkää lämpöä tuotettaessa erottaa vesi. Lisäksi pitää poistaa kiintoainepartikkelit ja mikäli on tarpeellista kor-roosiota aiheuttavat aineet. Diesel- ja kaasumoottoreita voidaan käyttää pienissä koko-luokissa yhteistuotannossa. Dieselmoottoreista on myös kehitetty sellaisia moottoreita,

jotka pystyvät hyödyntämään sekä biokaasua että dieseliä. Kaasuturbiineja voidaan hyödyntää suuremmissa voimalaitoksissa. (Held et al. 2008, 19.)

Biokaasua voidaan hyödyntää hajautetussa sähkön ja lämmön tuotannossa. Eli kun tuo-tanto tapahtuu pienimuotoisissa alle 10 tai 20 MW:n tai jopa alle 500 tai 100 kW:n lai-toksissa. Tällainen pieni voimalaitos ei tarvitse laajaa kaukolämpöverkkoa tai suurta määrää asiakkaita. Tällaisella voimalalla voidaan toimittaa yksittäiseen kiinteistöön, teollisuushalliin tai asuntoalueen lämpökeskukseen. Pienet voimalat rakennetaan etä-käyttöisiksi eli miehittämättömiksi. (Gustafson ja Stoor 2008, 22.)

Yhdistetyssä sähkön- ja lämmön tuotannossa voidaan hyödyntää myös mikroturbiineja.

Mikroturbiinit ovat kaasuturbiineja ja teholtaan 25 – 500 kW. Mikrokaasuturbiinit ovat yksinkertaisia rakenteeltaan. Ne koostuvat yleensä yksivaiheisesta kompressorista ja yksivaiheisesta turbiinista sekä useimmat mikroturbiinit ovat yksiakselisia eli kompres-sori, turbiini ja generaattori ovat samalla akselilla. Koska mikroturbiineissa on yksi pyö-rivä osa, huoltovälit ovat pitkiä jopa 8 000 tuntia. Mikroturbiineissa on yksinkertaisem-man rakenteensa takia alhaisemmat sisääntulolämpötilat (noin 1 000 ^oC) verrattuna isoi-hin kaasuturbiineiisoi-hin (1 450 ^oC asti). Tämä huonontaa mikroturbiinien hyötysuhdetta.

Yleinen käytössä oleva turbiini on Capstonen C30, jossa on ilmalaakerit, minkä takia voiteluun ei tarvita ollenkaan öljyä. (Schmid et al. 2005, 2.) C30 Mikroturbiini näkyy kuvassa 13. Mikroturbiinit sietävät hyvin epäpuhtauksia pois lukien siloksaanit. Niiden investointikustannukset ovat suuremmat kuin kaasumoottorin, mutta käyttökulut ovat huomattavasti alhaisemmat. Mikroturbiinia pystytään ajamaan minimissään noin 30 % metaania sisältävällä biokaasulla. Sähkön- ja lämmön yhteistuotannossa mikroturbiini-laitokseen asennetaan lämmön talteenotto (jätelämpökattila). Tällöin kaasun sisältämäs-tä energiasta saadaan 30 % sähkönä ja 60 % lämpönä. (Lammi 2008, 5.)

Kuva 13. Capstonen CR30 mikroturbiini. (Mukaillen Capstone 2008).

Polttokennoja pystytään myös käyttämään yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa.

Polttokenno pystyy muuntamaan polttoaineen sisältämän kemiallisen energian suoraan sähkö- ja lämpöenergiaksi. Polttokenno muodostuu kahdesta elektrodista, anodista ja katodista, jotka on erotettu elektrolyytillä. Anodilla tapahtuu polttoaineen hapettuminen ja elektronin vapautuminen. Elektroni kulkee ulkoisen virtapiirin kautta katodille, jossa elektroni ja hapetin reagoivat. Elektrolyytin tehtävänä on reaktioissa syntyneiden ionien kuljettaminen elektrodilta toiselle. Kennojen hyviä puolia ovat hyvä hyötysuhde myös pienemmillä tehoilla ja osakuormalla. Kennoissa ei ole liikkuvia osia, joten niillä on potentiaalia pitkään käyttöikään ja ne ovat toimiessaan hiljaisia. (Halinen 2007.)

Polttokennoja voidaan käyttää yhteistuotannossa hyödyntämällä kennoreaktioissa syn-tyvä lämpöenergia esimerkiksi käyttöveden tai kiinteistön lämmitykseen. Voimalaitos-sovelluksena on muun muassa polttokenno – kaasuturbiini hybridi, jossa kennoreakto-reissa käyttämättä jäänyt polttoaine hyödynnetään kaasuturbiinissa. (Halinen 2007.) Wärtsilä on toimittanut yhdistettyyn sähkön ja lämmön tuotantoon tarkoitetun poltto-kennon Vaasan asuntomessualueelle. Kyseisellä laitteella on tarkoitus hyödyntää kaato-paikkakaasua. Lisäksi asuntomessualueella on mikroturbiini. (Kivisaari 2008.)

Biokaasun käyttö ajoneuvoissa onnistuu sen jälkeen kun kosteus, hiilidioksidi ja epä-puhtaudet on poistettu ja kaasun painetta on nostettu kompressoinnilla. Epäpuhtauksina biokaasussa on muun muassa partikkelimateriaalia sekä rikkivety. Paineistuksessa bio-kaasun paine täytyy nostaa 200 bar:n paineeseen. (Held et al. 2008, 20.) Puhdistuksen jälkeen biokaasu on maakaasua vastaava polttoaine, sillä erotuksella, että maakaasu on fossiilista polttoainetta, kun taas biokaasu on uusiutuvaa energiaa. (Lehtomäki et al.

2007, 41.) Biokaasun jalostaminen on nykyään teknisesti mahdollista, mutta tekniikka on vielä nykyisin melko kallista. Hinta tosin riippuu vahvasti käsiteltävän biokaasun määrästä. Pienillä laitoksilla (biokaasua 100 m³n/h) puhdistuskustannukset ovat noin 25

€/MWh ja laitoskoon kasvaessa (1 000 m³n/h) ne alenevat noin 10 – 15 €/MWh. (Pöyry Environment Oy 2007, 25.)

Biokaasun puhdistuksessa käytetään useita menetelmiä, mutta yleisimmät ovat vesipesu ja aktiivihiiliadsorptio (Lehtomäki et al. 2007, 41). Vesipesu perustuu siihen, että hiili-dioksidi on liukoisempaa veteen kuin metaani. Tätä menetelmää voidaan myös parantaa käyttämällä liuotinta, joka absorboi hiilidioksidia paremmin kuin vesi. Hiilidioksidi voidaan erottaa myös kylmentämällä biokaasua nestemäiseen muotoon. Tämä tekniikka perustuu siihen, että hiilidioksidilla ja metaanilla on eri kiehumispiste. Nestemäinen hiilidioksidi voidaan tämän jälkeen hyödyntää jäähdyttimenä ruokateollisuudessa tai pakastekuljetuksissa. (Held et al. 2008, 20.)

Biokaasua käyttävät henkilöautot ovat yleensä bi-fuel autoja, eli ne voivat hyödyntää sekä bensiiniä, että biokaasua. Tämä pidentää autojen toimintasädettä, sillä maakaasun tankkausasemia ei ole kaikkialla saatavilla. Bi-fuel autoissa on tankit molemmille polt-toaineille ja polttoaineen vaihto tapahtuu tarvittaessa nappia painamalla. Polttoaine myös vaihtuu, kun toinen polttoaineista loppuu. Pelkästään metaanille tarkoitetut autot ovat yleensä raskaampia ajoneuvoja, kuten linja-autot ja rekat. (Lehtomäki et al. 2007, 42.)