Sari Luostarinen

Sari Luostarinen

Erikoistutkija, FT

Luonnonvarakeskus Luke

Biokaasulaitosten kokonaisketju

Biokaasua Varsinais-Suomessa 16.2.2016

Biokaasuprosessi

• Eloperäisen materiaalin mikrobiologinen hajotus

• Perustana hapeton eli

anaerobinen mikrobiologinen toiminta

• Lopputuotteina

– Metaania sisältävä biokaasu (50-70 % CH₄)

– Ravinnerikas käsittelyjäännös

• Erilaisia tekniikoita

(märkä/kuiva) ja erilaisia mittakaavoja (tila/tilojen yhteinen/keskitetty)

Aminohapot, sokerit Rasvahapot, alkoholit HYDROLYYSI

Rasvat Hiilihydraatit

Proteiinit

Välituotteet (lyhytketjuiset rasvahapot) ASIDOGENEESI

Asetaatti Vety

Metaani METANOGENEESI

ASETOGENEESI

Eloperäisten jätteiden ja sivutuotteiden prosessoinnin mahdollisuudet

• Kestävä, resurssitehokas ja taloudellisesti kannattava prosessointi pyrkii maksimoimaan orgaanisen aineen ja ravinteiden tehokkaan hyödyntämisen mahdollisimman vähäisin päästöin ja turvallisesti

– Parhaassa tapauksessa yhtä aikaa energiantuotanto, orgaanisen aineen kierrättäminen takaisin peltoon ja ravinteiden

kierrättäminen kannattavasti ja toimivasti

– Olennaista, että koko toimintaketju on kunnossa

 Biokaasuprosessilla paljon etuja, jotka puoltavat sen

käytön lisäämistä

Energiakasvit

Maatalous

•Lanta

•Kasvibiomassa

Biohajoava jäte

•Teollisuus

•Yhdyskunnat

Biokaasu prosessi

Lämpö Lämpö ja sähkö

Alueverkko Maakaasuverkko Liikennepolttoaine

Jäännös

•Ravinteet

•Orgaaninen aine

Biokaasu

CH₄, CO₂

Pelto

Biokaasulaitosten kokonaiskuva

Muut käyttömahdollisuudet CO₂

Biokaasu: moninaisen mikrobiston yhteistyötä syötemateriaalista ja tekniikasta riippumatta

Aminohapot, sokerit Rasvahapot, alkoholit HYDROLYYSI

Rasvat Hiilihydraatit

Proteiinit

Välituotteet

(lyhytketjuiset rasvahapot) ASIDOGENEESI

Asetaatti Vety

Metaani METANOGENEESI

ASETOGENEESI

Erilaisia syötemateriaaleja eri lähteistä

• Kotieläintuotannon lanta

• Maatalouden kasvibiomassat: energiakasvit, sivuvirrat

• Jätevedenpuhdistamoiden lietteet

• Yhdyskuntien biojätteet

• Teollisuuden eloperäiset jätteet ja sivutuotteet

Lanta biokaasuprosessissa

• Suomen kotieläintuotannossa muodostui vuonna 2014 lantaa noin 18 miljoonaa kuutiota (SYKE & Luke)

• Erinomainen perusmateriaali biokaasulaitoksiin

• Metaanintuottopotentiaali yksin melko alhainen > kannattavuus?

Lanta/

Metaanipotentiaali

Naudan lietelanta

Naudan kuivalanta

Sian lietelanta

Sian

kuivalanta

Siipikarjan lanta

m³ CH₄ / t VS 120-300 126-250 180-490 162-270 150-300 m³ CH₄ / t

(tuorepaino)

10-20 24-55 12-24 33-39 42-156

Erilaiset kasvibiomassat, jätteet ja sivutuotteet biokaasuprosessissa

• Energiakasvit vs. kasvintuotannon sivuvirrat

• Erilaiset biojätteet: usein korkea metaanintuotto, ravinnerikkaita;

lainsäädännön vaatimukset huomioitava

• Puhdistamoliete: lainsäädännön vaatimukset, jäännöksen hyödyntämisen mahdollisuudet?

Materiaali / Metaanipotentiaali m³ CH₄ / t VS m³ CH₄ / t (tuorepaino)

Nurmi / nurmirehu 310-410 70-100

Ruokohelpi (tuorekorjattu) 250-350 50-110

Apila 280-300 40-70

Ruokajäte 300-500 130

Lihanjalostuksen sivutuotteet 500-900 100-300

Puhdistamoliete 220-430 10-32

Biokaasulaitoksia eri mittakaavoissa

• Maatilakohtainen

– Maatilan omien massojen käsittely (lanta), energia ja ravinteet pääasiassa omaan käyttöön

– Kannattavuus saavutettavissa ainakin suurilla kotieläintiloilla

• Maatilojen yhteinen

– Useampi maatila voi käsitellä kaikkien lannat (ja muut massat) yhteisessä laitoksessa, jakaa vastuut, kulut ja hyödyt

– Energia myyntiin / jollekin osakkaalle, ravinteet takaisin tiloille – Onnistuneita kotimaisia esimerkkejä (Bioson, Jepua)

• Keskitetty

– Suuri laitos, joka ottaa alueelta erilaisia massoja käsiteltäväksi, tuottaa myyntiin energiaa ja lannoitevalmisteita

– Kannattavuus toistaiseksi energiasta ja porttimaksuista

Biokaasuteknologian vaihtoehdot

• Märkäprosessi

– Kuiva-ainepitoisuus <15 %

– Lietelannalle, yhteiskäsittelyssä voi olla osin kuivia massojakin – Hyvin tunnettu, kypsä teknologia

– Suurehko reaktori per käsiteltävä tonni (laimea syöte)

• Kuivaprosessi

– Kuiva-ainepitoisuus noin 30 % – Kuivat lannat, yhteiskäsittely – Uutta, kehittyvää tekniikkaa

– Pienempi reaktori per käsiteltävä tonni

Käsittelyjäännös ravinteiden kierrossa

• Sisältää kaikki raaka-aineiden ravinteet ja hivenaineet

– Typpi kasveille käyttökelpoisemmassa muodossa (ammonium) – Osviittaa (lanta)fosforin käyttökelpoisuuden noususta

– Orgaaninen aines

• Jäännöksen turvallisuus ja ympäristöhyödyt varmistettavissa

– Esim. hygienisointi tarvittaessa; lainsäädännössä prosessivaatimukset – Jäännöksen varastoinnissa, levityksessä ja jatkojalostuksessa

minimoitava päästöt ilmaan (erit. ammoniakki) ja vesiin

• Oikea aika ja levitystapa, kasvintarve

• Käsittelyjäännöksen tuotteistaminen tärkeää etenkin isommissa laitoksissa

– Alueellisia ravinnekeskittymiä

– Veden, typen ja fosforin erottaminen väkevämmiksi tuotteiksi

– Teknologioiden kehitys ja käyttöönotto (alku)vaiheessa myös maailmalla

Esimerkki jäännöksen jalostustekniikoista

• Ammoniakin strippaus

– Ammoniumtypen väkevöinti ja talteenotto ammoniakkina kaasufaasin kautta haluttuun pesunesteeseen

– Käsittelyjäännöksen jakeistus kuiva- ja nestejakeeksi – Nestejakeen pH nostetaan korkeaksi, jolloin suurin osa

ammoniumtypestä on ammoniakkimuodossa ja siirrettävissä puhaltamalla kaasufaasiin

– Kaasu johdetaan pesuriin, jossa ammoniakki liukenee pesunesteeseen – Lopputuote lannoitevalmiste, esim. ammoniumvesi, ammoniumsulfaatti

Kokonaisketjut hallittava

Kaikki vaikuttaa kaikkeen - teknisesti, energiantuoton maksimoinnissa, ravinnekiertojen maksimoinnissa, kannattavuudessa,

ympäristövaikutusten hallinnassa.

Seuraavassa yksi esimerkki kokonaisketjuista 19500 t laitoksessa (Marttinen ym. 2015. Luonnonvara- ja biotalouden tutkimus 14/2015)

Esimerkki: lietelannan ja nurmen yhteiskäsittely

16 000t lietettä sikalassa

Sähkön tuotanto

Lietteen varastointi P lann. tuotanto

N lann. tuotanto

K lann. tuotanto. K lann. levitys P lann. levitys.

N lann. levitys

Lietteen lastaus ja

kuljetus

Biokaasu- prosessi

Kuivajakeen levitys

N P K Kuivajakeen

lastaus ja kuljetus

Jäännöksen separointi

Nestejakeen levitys Nestejakeen

lastaus ja kuljetus

N P K Lämpöenergian tuotanto

Sähkön tuotanto

Lämmön tuotanto

Jäännöksen varastointi

Jäännöksen lastaus ja

kuljetus

Jäännöksen levitys

Kuivajakeen varastointi

Nestejakeen varastointi

N P K

1.

2.

Nurmen varastointi

ja syöttö Nurmen

lastaus ja kuljetus 3 500 t

nurmeaHVP-

Nurmen korjuu Polttoaineen tuotanto

Esimerkin massatase ja energiantuotto

Käsittelyjäännös 93-95 %

N 100 % NH4-N 130-134 %

P 100 % K 100 % Biokaasuksi 5-7 %

B oi ak a us pr o s es si

Massavirta biokaasuprosessiin 100 %

Nestejae 77-79 % N 70 % NH4-N 105-108 %

P 26 % K 88 %

Kuivajae 16 % N 30 % NH4-N 25-26 %

P 74 % K 12 % Biokaasuksi 5-7 %

Käsittelyjäännös93-95 %

S ep a or ni t i B

oi ak a us pr o s es si

Massavirta biokaasuprosessiin 100 %

6100 MWh 6100 MWh

Esimerkin energiatuoton jakautuminen

Biokaasuprosessi 15 % 29 % lämmöntuotannosta Häviöt CHP:ssa 15 %

Biokaasuprosessi 3 % 9 % sähköntuotannosta

Separointi 1 % 4 % sähköntuotannosta

Kaasun käsittely 1 % 3 % sähköntuotannosta

Ylijäämäsähkö 28 % 84 % sähköntuotannosta

Sähköntuotanto CHP:ssa33 %Lämmöntuotanto CHP:ssa 52 % Ylijäämälämpö 37 %

71 % lämmöntuotannosta

Syötteiden energiasisältö 100 %

Esimerkin ympäristövaikutukset

• Ilmastonmuutos

– Riippuu, miten energia hyödynnetään ja mitä sillä korvataan – Lanta+nurmi tuottaa hyvin energiaa, vaikutus yleensä

voimakkaasti positiivinen

• Rehevöityminen

– Riippuu jäännöksen käsittelystä ja hyödyntämisestä

– Positiivinen, mikäli typpitappiot varastoinnissa minimoidaan ja levitys tehdään asianmukaisesti

• Happamoituminen

– Riippuu jäännöksen käsittelystä

– Positiivinen, mikäli typpitappiot varastoinnissa minimoidaan ja levitys tehdään asianmukaisesti

Biokaasulaitosten kokonaisketjut:

Paljon mahdollisuuksia - myös tehdä virheitä

RUOKINTA ERITYS

ELÄINSUOJA

PROSESSOINTI VARASTOINTI

LEVITYS

Koko käsittelyketju oltava kunnossa (1)

• Syötemateriaalit mahdollisimman nopeasti laitokseen

– Orgaanisen aineen ja typen tappioiden minimointi

• Biokaasun energiasisältö hyödynnettävä tehokkaasti

– Tapauskohtainen optimointi: pelkkä lämpö, sähkö ja lämpö vai liikennepolttoaine

– Jälkikaasun keruu ja hyödyntäminen – Vuotojen ja häiriöiden minimointi

 Metaani voimakas kasvihuonekaasu, räjähtävä sopivana seoksena ilman kanssa

Koko käsittelyketju oltava kunnossa (2)

• Typen liukoistuminen ja korkea pH lisäävät ammoniakkipäästöjen

mahdollisuutta

– Jäännöksen varastointi katettuna – Sijoittaminen ja multaaminen

kasvukaudella kasvin tarpeen mukaan

– Jalostuksessa typpitappioiden minimointi

• Lopputuotteiden ominaisuudet

tunnettava hyvin, jotta osataan

hyödyntää oikein

Ylipäätään…

• Biokaasulaitoksilla on tutkitusti potentiaalia vähentää

merkittävästi päästöjä yhdessä muiden oikeiden ja oikea- aikaisten toimien kanssa

• Ympäristöetujen varmistamiseksi prosessoitujen

lopputuotteiden oikea käsittely avainasemassa

Lisätietoa!

MTT Raportti 103

BIOKAASUYRITTÄJÄN TOIMINTAYMPÄRISTÖ SUOMESSA

Sanna Marttinen, Heikki Lehtonen, Sari Luostarinen ja Saija Rasi

TULOSSA

MAATILOJEN YKSINKERTAISET BIOKAASULAITOKSET

KESKITETTY BIOKAASULAITOS LANTARAVINTEIDEN

Kiitos!

Yhteydenotot:

sari.luostarinen@luke.fi