Biokaasusta uusiutuvaa energiaa maaseudulle

EU:lla ja Suomella on monia uusiutuvan energian käytön lisäämiseen ja päästöjen vähentämiseen liittyviä tavoitteita. Biokaasu on yksi niistä energiamuodoista, joiden hyödyntämisessä on mahdollisuuksia erityisesti maaseudulla. Viime vuosina biokaasun hyödyntämistä energialähteenä on lisääntynyt ja kehitys jatkunee samansuuntaisena. Maatilakohtaisten biokaasulaitosten rakentaminen on myös yleistynyt. Maaseudun mahdollisuuksia hyödyntää uusiutuvaa energiaa ja parantaa energiatehokkuutta tuodaan esille LAMKin hallinnoimassa InforME – Informaatiomuotoilulla maaseudun uusiutuvan energian mahdollisuudet esille -hankkeessa. Kumppaneina hankkeessa ovat Lappeenrannan teknillinen yliopisto (LUT), Hämeen ammattikorkeakoulu Oy (HAMK), ProAgria Etelä-Suomi ry ja ProAgria Keskusten Liitto ry.

Kirjoittajat: Henna Ikäläinen ja Susanna Vanhamäki

 

Uusiutuvat energialähteet ja kestävät toimintaperiaatteet sekä energiatehokkuus tuovat huomattavia pitkäaikaisia hyötyjä niin yksilön kannalta, paikallisesti, kansallisesti kuin globaalisti. Puhtaan ja kotimaisen energiaan hyödyntäminen johtaa vähentyneeseen fossiilisten polttoaineiden tuonnin riippuvaisuuteen sekä kasvihuonekaasupäästöjen vähenemiseen. Fossiiliset polttoaineet voidaan korvata uusiutuvilla energialähteillä. (Dahlquist 2013, 7.) Uusiutuvan energian käyttö luo myös uusia työpaikkoja, tukee talouskasvua sekä parantaa kilpailukykyä ja maaseudun kehityksen edellytyksiä (Euroopan komissio 2015). Uusiutuvaa energiaa pyritään lisäämään ihmisten kannustamisella, lakiasetuksin ja tavoitteilla. Vuonna 2013 uusiutuvan energian osuus oli noin 31 prosenttia energian kokonaiskulutuksesta (Motiva 2016). Suomella on tavoitteena lisätä päästöttömän uusiutuvan energian käytön osuutta yli 50 prosenttiin 2020-luvulla (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 19).

Biokaasu on uusiutuvaa energiaa ja sen tuotannolla on paljon positiivisia vaikutuksia ja potentiaalia Suomessa. Tässä artikkelissa käsitellään kirjallisuuden pohjalta biokaasutuotantoa erityisesti maatilamittakaavassa. Biokaasua tuotetaan mädättämällä biokaasureaktorissa biomassaa, esimerkiksi lietettä, lantaa tai peltobiomassoja (Motiva 2015a). Biokaasuteknologia mahdollistaa ravinnekierrätyksen, tuottaa uusiutuvaa energiaa ja edistää resurssitehokkuutta (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 7). Biokaasu on monipuolinen energiamuoto ja sitä voidaan käyttää moneen eri käyttötarkoitukseen, kuten sähkön- ja/tai lämmöntuotantoon tai sitä voidaan jalostaa liikennepolttoaineeksi soveltuvaksi biometaaniksi (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 17). Maatilakohtaisten biokaasulaitosten rakentaminen on yleistynyt huomattavasti, ja tällä hetkellä Suomessa on kymmenkunta maatalouden biokaasulaitosta, jotka käsittelevät pääosin maatalouden lietteitä ja peltobiomassoja (Biokaasuyhdistys 2016).

Uusiutuvan energian käyttöä tuetaan

Uusiutuvien energialähteiden käyttöä pyritään lisäämään erilaisilla tukitoimilla. Syöttötariffilla tuotetulle sähkölle taataan vähimmäishinta tietyksi ajaksi ja valtio maksaa erotuksen suhteessa markkinahintaan. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 19.) Syöttötariffi on tarkoitettu uudelle biokaasulaitokselle, joka syöttää sähköä sähköverkkoon. Sen tarkoituksena on synnyttää energiaa tuottavia yli 100 kVA biokaasulaitoksia. Investointituilla kannustetaan rakentamaan biokaasulaitoksia, jotka tuottavat energiaa, mutta eivät sovellu syöttötariffin mukaiseen määritelmään. (Åkerlund 2016.)

Maatiloille tarkoitettua investointitukea myönnetään tilojen omaa energiantarvetta palveleville laitoksille (Åkerlund 2016). Investointitukien päätavoitteena on maatalouden toimintaedellytysten ja kilpailukyvyn kehittäminen. Tukien avulla edistetään maataloustuotannon tehokkuutta ja laatua kestävän kehityksen periaatteita noudattaen. Maatila voi siis saada tukea biokaasulaitoksen rakentamiseen, jonka avulla biomassasta tuotetaan kaasua käytettäväksi esimerkiksi maatilan rakennusten lämmittämiseen. (Motiva 2015c.) Tuilla pyritään erityisesti edistämään uuden energiateknologian käyttöönottoa ja markkinoille saattamista (Motiva 2015b).

Biokaasuteknologia hyödyntää biohajoavia jätteitä

Biokaasu, tai toiselta kutsumanimeltään kaatopaikkakaasu, on yleensä tuotettu orgaanisesta aineksesta anaerobisesti hajottamalla. Biokaasua voi myös tuottaa pyrolyysi- ja kaasutusprosessien kautta. Ensisijaisia biokaasun lähteitä ovat liete, biojäte, lanta, nurmi ja olki. (Dahlquist 2013, 26.) Periaatteessa kaikki biohajoava soveltuu biokaasun syötteeksi, lukuun ottamatta puuta, joka sisältää vaikeasti hajoavaa orgaanista ainesta (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 21). Biokaasun hajoamisprosessissa syntyy metaania, jota on biokaasussa yleensä 50 – 70 prosenttia riippuen raaka-aineista ja tuotantoprosessista. Biokaasu sisältää myös hiilidioksidia, jota on noin 30 – 50 prosenttia. Hiilidioksidia voidaan hyödyntää esimerkiksi kasvihuoneissa. Prosessista syntyvä käsittelyjäännös sisältää kaikki käsiteltävien materiaalien ravinteet ja soveltuu sellaisenaan tai jatkojalostettuna lannoitteeksi tilan kasvintuotantoon. (Motiva 2015a.) Maatalouden biokaasulaitokset on integroitu eläintalouteen tai/ja viljantuotantoon, jolloin lanta ja kasvibiomassat ovat yleisimpiä syötteitä (Luostarinen ym. 2011, 13).

Tasapainoisen biokaasun tuotannon edellytyksenä ovat sopivat reaktoriolosuhteet, joihin vaikuttaa suurelta osin syötekoostumus. Seostaminen on tärkeä osa syöteseoksen koostumuksen ja laadun kannalta. Sopivalla seostamisella voidaan saavuttaa optimaalinen hajoaminen ja biokaasutuotto. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 44.)

 

Biokaasuprosessit

Biokaasulaitoksessa on yleensä tietynlaiset prosessivaiheet laitoksen mittakaavasta riippumatta. Syötteet esikäsitellään ja esivarastoidaan, minkä jälkeen ne siirretään biokaasureaktoriin. Prosessista syntyvä mädätysjäännös kootaan varastoon tai jälkikaasualtaaseen, mistä se kuljetetaan jatkokäyttöön tai varastoon. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 82.) Biokaasutuotannon eri metodit voidaan jaotella neljään eri osaan perustuen prosessin ominaisuuksiin. Biokaasuprosessit voi jaotella prosessin vaiheiden lukumäärän (yksi- tai kaksivaiheinen), lämpötilan (psykrofiilinen, mesofiilinen tai termofiilinen), syöttötavan (jatkuva- tai panostoiminen) tai syötteen kuiva-ainepitoisuuden mukaan (märkä- tai kuivamädätys). (Dahlquist 2013, 302.)

Yksivaiheisuus tarkoittaa sitä, että biokaasulaitoksessa on yksi biokaasureaktori, jossa pääosa raaka-aineiden hajoamisesta ja biokaasutuotosta tapahtuu. Jälkikaasualtaan voi laskea laitoksen toiseksi vaiheeksi tai olennaiseksi osaksi prosessia. Kaksivaiheisessa prosessissa on kyse erillisistä hydrolyysivaiheen sekä metaanituottovaiheen reaktoreista. Yksivaiheinen prosessi on yleisempi hallittavuuden ja kustannuksien takia. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 88-89.)

Psykrofiilinen biokaasuprosessi tapahtuu alle 25 °C lämpötilassa, jolloin metaanin tuotto on hidasta ja kaasun muodostuminen melko vähäistä. Tämän on tavallista luonnossa soilla ja lietealtaissa ihmisten toiminnan seurauksesta. Mesofiilinen prosessi toimii lämpötilavälillä 32 – 42 °C, joka on yleisin lämpötilaväli biokaasulaitoksille. Prosessi on tällöin helppo pitää vakaana ja biokaasunmuodostus on hyvä. Termofiilinen mädäntyminen tapahtuu 50 – 60 °C:ssa, jolloin syötteen hajoaminen kestää vain puolesta kahteen kolmasosaan siitä ajasta kuin mesofiilisessä mädätyksessä. Termofiiliset prosessit ovat herkempiä häiriöille ja energiankulutus on suurempi kuin mesofiilisissä prosesseissa. (Motiva 2013.)

Biokaasureaktorin jatkuvatoimisuus tarkoittaa säännöllistä syöttöä ja poistoa tietyin väliajoin sekä jatkuvaa ja mahdollisimman tasaista biokaasutuottoa. Jatkuvatoimiset märkäprosessit operoidaan usein jatkuvatoimisella täyssekoitusreaktorilla ja syötteet syötetään reaktoriin tietyn ajan välein samanaikaisesti poistaen mädätettä. (Luostarinen ym. 2011, 17.) Panosprosessissa reaktori täytetään, suljetaan, ja syöte jätetään hajoamaan tietyksi ajaksi, jonka jälkeen reaktori tyhjennetään. Panosprosessit ovat käytössä kuivien materiaalien käsittelyssä. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 83.)

Märkämädätys on yleisin biokaasun tuotantoprosesseista maatalousalalla (Dahlquist 2013, 304). Märkäprosessissa jatkuvatoiminen, täyssekoitteinen reaktori on yleisin. Märkämädätyksessä syötteen kuiva-ainepitoisuus on yleensä alle 15 %, jolloin syötteen voi pumpata reaktoriin ja sieltä pois (kuva 1). Alhainen kuiva-ainepitoisuus mahdollistaa myös reaktorimassan tehokkaan mekaanisen sekoittamisen. Kuivamädätyksessä käytetään yleensä orgaanista jätettä tai uusiutuvia materiaaleja. Kuivamädätys voi olla jatkuva- tai panostoimista ja mädätteen kuiva-ainepitoisuus on yleensä 20 – 40 %. Kuivempaa syötettä on vaikea pumpata ja prosessin tekniikka on hankalampi, jonka takia se ei ole toistaiseksi yleistynyt. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 83).

 Märkämädätysprosessin läpi kulkenutta lietettä, joka levitetään pellolle lannoitteeksi. Kuva: Kimmo Heponiemi

Kuva 1: Märkämädätysprosessin läpi kulkenutta lietettä, joka levitetään pellolle lannoitteeksi. Kuva: Kimmo Heponiemi

 

Biokaasu maatiloilla

Maataloudessa muodostuu paljon orgaanisia sivutuotteita ja jätteitä, joiden hyödyntämiseen liittyy yhä puutteita. Biokaasuteknologia mahdollistaa ravinnekierrätyksen, tuottaa uusiutuvaa energiaa ja edistää materiaalikierrätystä, minkä takia biokaasuteknologian soveltaminen maatilatason ratkaisuissakin on kannattavaa ja se onkin lisääntynyt viime aikoina. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 7, 11.) Kansainvälisen selvityksen mukaan yleinen reaktori maatalouden sivutuotteiden ja jätteiden käsittelyyn onkin yksivaiheinen jatkuvatoiminen täyssekoitusreaktori. Prosessin lämpötila on reaktorissa yleensä mesofiilinen, eli 35 – 40 °C. (Luostarinen ym. 2011, 17.)

Huutolan tilan omistaja Markus Moilanen Suomussalmelta näki biokaasulaitoksessa potentiaalia sivuelinkeinona ja suunnitteli ja toteutti laitoksen lokakuussa 2012. Itse suunniteltu biokaasulaitos on tuonut vuosien varrella haasteita muun muassa sekoittajan ja tuotekehityksen kanssa, mutta Moilanen on kuitenkin ollut todella tyytyväinen laitoksen toimintaan ja kaasua on tullut hyvin. Biokaasulaitoksen takaisinmaksuajaksi on laskettu 11 vuotta, ja laskelmissa on otettu huomioon laitoksen tuotot ja kulut. Kokonaisrakentamiskustannukset olivat 262 000 euroa. (Huutolan tila 2016, Moilanen 2016.)

Huutolan tilan biokaasuaggregaatti seuraa tilan sähkönkulutusta ja tuottaa sähköä tarvittavalla teholla. Aggregaatin moottorista syntyvää hukkalämpöä käytetään reaktorin, lisäsyöterakennuksen, konehallin ja kahden asuinrakennuksen lämmitykseen sekä navetan ja asuinrakennusten käyttöveden lämmitykseen. Navetasta tuleva liete pumpataan reaktoriin, jolloin liete saadaan käsiteltyä tehokkaasti. (Huutolan tila 2016, Moilanen 2016.)

Biokaasulaitoksen kannattavuuden arviointi

Moilanen (2016) suosittelee biokaasulaitoksen rakentamista maatiloille. Maatilakohtainen biokaasulaitos on kuitenkin arvokas investointi, joten laitoksen kannattavuutta tulee selvittää ja suunnittelu tehdä huolella. Suunnitteluun ja kustannuslaskelmiin liittyen on opastusta tarjolla esimerkiksi ProAgrialta tai erilaisilta yrityksiltä. Kannattavuuteen vaikuttavat muun muassa investoinnin suuruus, mahdolliset tuet, tuotetun energian arvo sekä käsittelyjäännöksen ravinteiden arvo. Maatilan biokaasulaitos mitoitetaan saatavilla oleville syöttömateriaaleille ja tekniikka valitaan niille soveltuvaksi. Biokaasulaitos voi toimia energiantuotannon lisäksi ratkaisuna maatilan lannankäsittelylle, joissain tapauksissa tämä voi olla jopa ensisijainen motiivi laitoksen rakentamiselle.

Sikaloilla on yleisesti suurempi energiantarve, erityisesti lämmön osalta, kuin karjatiloilla. Sikaloiden biokaasulaitoksilla energia saadaan yleensä hyödynnettyä tilalla ostoenergian korvaajana kokonaisuudessaan (kuva 2). Karjatiloilla lämmöntarve on alhaisempi. Maatilakohtaisissa laitoksissa parhaan hinnan sähkölle saavuttaa, kun sitä tuotetaan omaan käyttöön. Mikäli sähköä tuotetaan omaa tarvetta enemmän tai sähkö halutaan myydä, on neuvoteltava paikallisen energiayrityksen kanssa sähkönoston ehdoista. (Luostarinen 2013, 22.)

Kuva 2: Sikatilalle rakennettu biokaasulaitos. Kuva: Kimmo Heponiemi

Kuva 2: Sikatilalle rakennettu biokaasulaitos. Kuva: Kimmo Heponiemi

Esimerkiksi 160 lypsylehmän karjatilan biokaasulaitos tuottaa vuodessa 256 MWh sähköä ja lämpöä 440 MWh käyttäen syötteinä lietelantaa, sontaa ja hävikkisäilörehua. Vuosittain tilan sähkön tarve on arviolta 266 MWh ja lämmön tarve 94,5 MWh. Sähkön osalta tuotto jää vajaaksi, mutta lämmön tarve saadaan katettua biokaasun tuotannolla. (Kässi ym. 2015, 6, 9-10.)

On olemassa laskureita, joiden avulla maatilat voivat alustavasti arvioida biokaasulaitosinvestoinnin kannattavuuden. Käytettävät arvot ovat suuntaa antavia. Biokaasulaskurin avulla voidaan esimerkiksi arvioida eri syötteistä saatavissa olevaa metaanimäärää. Laskurin käyttöön voi tutustua InforME-hankkeessa tuotetun videon kautta. Video on tehty HAMKin opiskelijoiden toimesta.

Lähteet

Biokaasuyhdistys. 2016. Biokaasu ja maatilat [viitattu 9.5.2016]. Saatavissa: http://www.biokaasuyhdistys.net/tietoa-biokaasusta/biokaasu-ja-maatilat/

Dahlquist, E. 2013. Technologies for Converting Biomass to Useful Energy. Alankomaat: CRC Press/Balkema.

Euroopan komissio. 2015. Muistio uusiutuvan energian ja ilmastonmuutoksen lakipaketista [viitattu 19.5.2016]. Saatavissa: http://europa.eu/rapid/press-release_MEMO-08-33_fi.htm

Huutolan tila. 2016. Biokaasulaitos [viitattu 10.6.2016]. Saatavissa: http://www.huutolantila.fi/biokaasulaitos/

Kymäläinen, M. & Pakarinen, O. 2015. Biokaasuteknologia. Suomen Biokaasuyhdistys ry [viitattu 11.5.2016]. Saatavissa: http://www.theseus.fi/handle/10024/104180

Kässi, P., Luostarinen, S., Pyykkönen, V., Regina, K. & Winquist, E. 2015. Maatilojen biokaasulaitosten kannattavuus ja kasvihuonekaasujen päästövähennys. Luonnonvarakeskus [viitattu 10.5.2016]. Saatavissa: https://jukuri.luke.fi/bitstream/handle/10024/486091/luke-luobio_36_2015.pdf?sequence=4

Luostarinen, S. 2013. Biokaasuteknologiaa maatiloilla. Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus MTT [viitattu 27.5.2016]. Saatavissa: http://jukuri.luke.fi/bitstream/handle/10024/481263/mttraportti113.pdf?sequence=1

Luostarinen, S., Normak, A. & Edström, M. 2011. Overview of biogas technology. Baltic MANURE [viitattu 27.5.2016]. Saatavissa: http://www.balticmanure.eu/download/Reports/baltic_manure_biogas_final_total.pdf

Moilanen, M. 2016. Huutolan tilan omistaja. Haastattelu 10.6.2016.

Motiva. 2013. Biokaasun tuotanto maatilalla [viitattu 3.6.2016]. Saatavissa: http://www.motiva.fi/files/6958/Biokaasun_tuotanto_maatilalla.pdf

Motiva. 2015a. Biokaasu [viitattu 4.5.2016]. Saatavissa: http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/bioenergia/energiaa_pelloilta/biokaasu

Motiva. 2015b. Investointituet uusiutuvalle energialle [viitattu 19.5.2016]. Saatavissa: http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/uusiutuva_energia_suomessa/uusiutuvan_energian_tuet/investointituet_uusiutuvalle_energialle

Motiva. 2015c. Maatalouden investointituet [viitattu 19.5.2016]. Saatavissa: http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/uusiutuva_energia_suomessa/uusiutuvan_energian_tuet/maatalouden_investointituet

Motiva. 2016. Uusiutuva energia Suomessa [viitattu 3.6.2016]. Saatavissa: http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/uusiutuva_energia_suomessa

Åkerlund, F. 2016. Biokaasulaitosten tukijärjestelmät Suomessa. Motiva [viitattu 18.5.2016]. Saatavissa: http://www.motiva.fi/files/5160/Biokaasun_tukiratkaisut.pdf

Kirjoittajat

Henna Ikäläinen on opiskelee ympäristöteknologiaa Lahden ammattikorkeakoulusta ja on työskennellyt harjoittelijana InforME-hankkeessa. Susanna Vanhamäki on ympäristöalan TKI-asiantuntija Lahden ammattikorkeakoulusta ja toimii projektipäällikkönä InforME-hankkeessa.

Lahti 3.9.2016

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *