Peltoenergiaan pohjautuvan biokaasun tuotannon tuotantoketjun kestävyys energiatase ja kasvihuonekaasupäästöt

Transkriptio

1 ENKAT-projekti Energiakasveihin pohjautuvan biokaasulaitoskonseptin teknis-taloudelliset edellytykset pohjoisissa olosuhteissa Osaraportti Peltoenergiaan pohjautuvan biokaasun tuotannon tuotantoketjun kestävyys energiatase ja kasvihuonekaasupäästöt Bio- ja ympäristötieteiden laitos Jyväskylän yliopisto

2 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO NURMENVILJELY BIOKAASUNTUOTANTOON ENERGIA- JA KASVIHUONEKAASUTASEEN LASKEMISEN PERIAATTEET Energiatase Kasvihuonekaasupäästöt BIOKAASULAITOKSEN LÄHTÖTIEDOT BIOKAASULAITOS JA JÄRJESTELMÄ RAJAUS SYÖTETTÄVÄT JAKEET BIOKAASUN TUOTANNON ENERGIAPANOKSET JA KASVIHUONEKAASUPÄÄSTÖT NURMEN VILJELY Lannoitus Säilöntäaineet Torjunta-aineet Kalkitus Maaperän N 2 O-päästöt Maaperän hiilikertymä TYÖKONEIDEN POLTTOAINEET KULJETUKSET BIOKAASULAITOKSEN SÄHKÖNKULUTUS BIOKAASULAITOKSEN LÄMMÖNKULUTUS PROSESSIJÄÄNNÖS BIOKAASUN TUOTANTO JA KÄYTTÖ TULOKSET BIOKAASULAITOKSEN ENERGIATASE BIOKAASULAITOKSEN KASVIHUONEKAASUPÄÄSTÖT BIOKAASULAITOKSEN ENERGIATASEEN JA KASVIHUONEKAASUPÄÄSTÖJEN OPTIMOINTI SKENAARIOT Nurmen satotason nousu Metaanintuotanto kasvaa 20 % Tuulisähkö VERTAILU MUIHIN TUTKIMUKSIIN JA BIOPOLTTOAINEISIIN JOHTOPÄÄTÖKSET KIRJALLISUUS

3 1 JOHDANTO Tämä raportti (Peltoenergiaan pohjautuvan biokaasuntuotannon tuotantoketjun kestävyys) on osa ENKAT Energiakasveihin pohjautuvan biokaasulaitoskonseptin teknis-taloudelliset edellytykset pohjoisissa olosuhteissa projektikokonaisuutta. Hankkeen koordinaattorina toimii Jyväskylä Innovation Oy ja muut toteuttajat ovat Jyväskylän yliopiston Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Watrec Oy ja Metener Oy. Hanketta rahoittaa pääosin Manner- Suomen maaseudun kehittämisrahasto (Euroopan maaseudun kehittämisen maatalousrahasto: Eurooppa investoi maaseutualueisiin), alalla toimivat yritykset (Watrec Oy, Gasum Oy, Valtra Oy, Metener Oy) ja Jyväskylän yliopisto. Hankkeen tavoitteena on kehittää Suomen pohjoisiin ilmasto-olosuhteisiin soveltuva biokaasulaitoskonsepti, jonka tuotanto perustuu pelloilla viljeltäviin energiakasveihin. Tavoitteena on myös tuottaa tietoa biokaasuntuotannon nykytilanteesta Suomessa, peltoenergiaa hyödyntävän biokaasulaitoksen teknisistä ratkaisuista, toimintamalleista, liiketoiminnasta, energiataseesta, kasvihuonekaasupäästöistä sekä biokaasuprosessin olosuhteista. Tässä raportissa tarkastellaan teknis-taloudellisesti optimaalisen biokaasulaitoksen energiatasetta ja kasvihuonekaasupäästöjä syötteen viljelystä biokaasun jalostukseen asti. Biokaasulaitoksen teknis-taloudelliset edellytykset on kuvattu ENKAT-hankkeen raportissa (Peltoenergiaan pohjautuvan biokaasulaitoskonseptin teknis-taloudellinen analyysi pohjoisissa olosuhteissa). Energiatase ja kasvihuonekaasupäästöt lasketaan biokaasulaitokselle, joka hyödyntää tuotetun energian yhdistettyyn sähkön ja lämmöntuotantoon (CHP), jalostaa energian biometaaniksi (BIOMETAANI), tai jalostaa energian biometaaniksi ja hyödyntää sitä biokaasulaitokselle toimitettavan nurmirehun viljelyssä ja kuljetuksissa biometaanilla toimivassa traktorissa (BIOTRAKTORI). Tässä työssä lasketaan edellä mainittujen energiantuotantovaihtoehtojen energiatase sekä eri tuotantojärjestelmien tuottamat kasvihuonekaasupäästöt sekä vähenemät verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin. 2

4 1.1 Nurmenviljely biokaasuntuotantoon Suomessa nurmien osuus maatalousmaasta vuonna 2012 oli 29 % eli noin ha (Matilda, 2012). Nurmenviljelyalan lisäksi Suomen kesantoala oli ha (11,7 % peltopinta-alasta), joka sisältää kesannot, luonnonhoitopellot ja viherlannoitusnurmet (Matilda, 2012). Ruokohelven viljelypinta-ala vuonna 2012 oli ha (Matilda 2012). Myös ruokohelpeä voidaan käyttää biokaasuprosessissa, jos kasvusto korjataan heinä-elokuussa. Kesantopellot, luonnonhoitopellot (pl. riistapellot) sekä suojakaistat tarjoavat merkittävän nurmiraaka-aineen lähteen biokaasuntuotantoon samoin kuin ruokohelpipellot (yhteensä ha). Tämän perusteella biokaasuntuotantoon viljeltävien nurmikasvien käyttöön on peltoa käytettävissä vaarantamatta rehun ja ruuantuotantoa. Rehunurmien satovaihtelun vuoksi myös ajoittain muodostunut ylimääräinen säilörehusato sopii biokaasulaitosten syötteeksi. Biokaasulaitoksille korjatun nurmibiomassan määrä riippuu nurmenviljelyn intensiivisyydestä ja siitä kuinka suurelta rehunurmialalta voidaan säilörehua korjata syötteeksi biokaasulaitoksille energiantuotantoon. Biokaasuprosessin raaka-aineiksi sopivat myös luomutuotannossa käytettävien viherkesantojen kasvibiomassa. Kasvibiomassa voidaan korjata biokaasureaktoriin syötteeksi ja käyttää jäännös lannoitteena luomutuotannossa. Tämän lisäksi nurmibiomassan viljely biokaasulaitoksille energiantuotantoon olisi hyvä lisä viljan viljelyalueiden yksipuoliseen viljelykiertoon. Viljelemällä monivuotisia nurmikasveja viljelykierrossa parannetaan pellon kasvukuntoa ja myös tulevia viljasatoja. MTT:n tutkimusten mukaan biokaasuntuotantoon käytettävissä oleva nurmibiomassa vastaa energiasisällöltään 4,7 TWh vuodessa (Niemeläinen, 2012). Määrä vastaa n henkilöauton liikennepolttoaineen tarvetta. Maataloudessa toimivien biokaasulaitosten yleisin syöte on sian tai lehmän lietelanta. Lanta onkin hyvä perussyöte kaikissa biokaasulaitoksissa tarjoten paljon ravinteita ja puskurointikykyä biokaasuprosessiin. Syöttämällä biokaasuprosessiin energiakasveja, kuten nurmirehua voidaan lisätä biokaasulaitoksen energiatuotantoa huomattavasti. Biokaasuprosessissa syntyvä prosessijäännös voidaan edelleen levittää pellolle, jolla viljellään nurmea tai muuta kasvibiomassaa biokaasulaitoksen käyttöön. Tällöin voidaan saavuttaa lähes suljettu ravinnekierto biokaasulaitokselle syötteitä viljelevillä pelloilla. Biokaasuprosessin jäännös 3

5 sisältää yhtä paljon ravinteita kuin sinne syötettävä materiaali eli prosessin aikana kasvinravinteet eivät häviä vaan muuttuvat kasville käyttökelpoisempaan muotoon. Esimerkiksi typpi muuttuu ammoniumtypeksi, mikä on kasveille heti käyttökelpoisessa muodossa. Valittaessa biokaasuprosessiin soveltuvia kasvilajeja on valinnassa otettava huomioon useita eri näkökohtia. Energiakasveiksi soveltuvien kasvilajien tulisi tuottaa mahdollisimman paljon biomassaa vähäisellä viljelypanostuksella (peltotyö, lannoitus, kasvinsuojelu), kasvien tulisi olla helppoja viljellä, korjata ja varastoida, sekä mahdollisimman kestäviä ja vaatimattomia. Monivuotisten kasvien tulisi lisäksi olla hyviä talvehtimaan. Jotta kasvibiomassan energiantuotantopotentiaali on mahdollisimman korkea, tulisi biomassan sisältää runsaasti helposti hajoavia hiilihydraatteja sekä vähän huonosti hajoavaa ligniiniä. Suomen olosuhteisiin perinteisesti rehuna käytetyt monivuotiset nurmikasvilajit ovat yksi tehokkaimmista biomassan tuottajista. Koska nurmikasvit on jalostettu rehuksi, on niiden hajoaminen biokaasureaktorissa (vertaa märehtijöiden pötsi) hyvä. Nurmen viljelyyn tarvittava kalusto, viljelytekniikka ja asiantuntemus ovat olemassa ja ne ovat tuttuja viljelijöille. Nurmikasvit ovat melko vaatimattomia, helppoja viljellä sekä varastoida säilörehumenetelmällä. 1.2 Energia- ja kasvihuonekaasutaseen laskemisen periaatteet Energiatase Uusiutuvan energian tuotannon on tapahduttava mahdollisimman tehokkaasti sekä taloudellisesta että ympäristönäkökulmasta. Viljelykasveista energiaa tuotettaessa on tärkeää, että koko tuotantoketjun (kasvin viljely, korjuu, kuljetus, varastointi, prosessointi) energiatase on korkea. Tuotantoon kuluvien panosten ollessa mahdollisimman pienet suhteessa tuotettuun energiaan voidaan tuottaa tehokkaasti uusiutuvaa energiaa sekä saavutetaan haluttua vähennystä tuontipolttoaineista. Maatalouden biokaasuteknologia on ulkomaisissa elinkaarianalyyseissä havaittu energiataseeltaan tehokkaaksi verrattuna bioetanolin ja 4

6 biodieselin tuotantoon. Energiatase kertoo kuinka paljon primäärienergiaa kuluu koko tuotantoketjussa yhden energiayksikön energian tuottamiseen. Energiatase panostuotossuhteena lasketaan kaavalla 1. Panos-tuotos suhde =E Panos /E Tuotos (1) Energiataselaskelmien ulkopuolelle rajataan tässä tarkastelussa toiminnalle välttämättömän infrastruktuurin, koneiden ja laitteiden valmistus sekä huolto, mikä vastaa yleistä käytäntöä elinkaariarvioinnissa. Syynä tähän on, että koneiden ja laitteiden valmistukseen kuluvan energian määrästä ei ole tarpeeksi tietoa saatavilla Kasvihuonekaasupäästöt Euroopan unionin (EU) uusiutuvista lähteistä peräisin olevan energian edistämisdirektiivin (EU 2009, 2009/28/EY) mukaan uusiutuvien polttoaineiden käytön tulisi olla liikenteen loppukulutuksesta 10 % vuonna Samalla uusiutuvista polttoaineista aiheutuvien kasvihuonekaasupäästöjen tulee olla vähintään 35 % pienemmät kuin fossiilisen vertailupolttoaineen päästöt. Vuonna 2017 kasvihuonekaasupäästöjen pitää olla 50 % pienemmät ja vuodesta 2018 eteenpäin uusilla biopolttoaineita tuottavilla laitoksilla 60 % pienemmät kuin fossiilisilla polttoaineilla. Suomi on asettanut biopolttoaineiden loppukäytölle vielä EU:n tavoitteita korkeammat tavoitteet, sillä uusiutuvien polttoaineiden osuus liikenteen loppukulutuksesta tulisi Suomessa olla 20 % vuonna 2020 (Finlex 2007a, Laki: Biopolttoaineiden käytön edistäminen liikenteessä, 446/2007). Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivin uusiutuvista lähteistä peräisin olevan energian käytön edistämisestä (RES-direktiivi) 2009/28/EY antaa oletusarvot viljelyn tuottamille kasvihuonekaasupäästöille (EU 2009). Direktiivissä ei ole annettu oletusarvoja energiakasveja käyttävän biokaasulaitoksen tuottamille kasvihuonekaasupäästöille. 5

7 Biokaasulaitoksen kasvihuonekaasuista tarkastellaan hiilidioksidia (CO 2 ), metaania (CH 4 ), ja dityppioksidia eli typpioksiduulia (N 2 O), jotka ovat merkittävimmät kasvihuonekaasut. Kasvihuonekaasujen lämmitysvaikutuksen tarkastelujaksona käytetään 100 vuotta, ja kasvihuonekaasujen lämmittävä vaikutus ilmoitetaan hiilidioksidiekvivalenttina (CO 2 -ekv.) RESdirektiivin määrittelemien kertoimien mukaan. Tällöin CO 2 =1, CH 4 = 23 ja N 2 O=296 CO 2 -ekv. (EU 2009). Tässä tarkastelussa biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöt lasketaan bioenergialle (sähkö ja lämpö) ja biopolttoaineille (biometaani) seuraavan kaavan (2) mukaan (EU, 2009). Biopolttoaineista saatavat vähennykset kasvihuonekaasupäästöissä lasketaan kaavalla 3 (EU, 2009). E= e ec +e l + e p + e td + e u - e sca - e ccs - e ccr - e ee (2) missä, E polttoaineen käytöstä aiheutuvat kokonaispäästöt e ec e l e p e td e u raaka-aineiden tuotannosta tai viljelystä aiheutuvat päästöt maankäytön muutoksista johtuvista hiilivarantojen muutoksista aiheutuvat päästöt jalostuksesta aiheutuvat päästöt kuljetuksesta ja jakelusta aiheutuvat päästöt käytössä olevasta polttoaineesta aiheutuvat päästöt e sca paremmista maatalouskäytännöistä johtuvasta maaperän hiilikertymästä saatavat vähennykset päästöissä e ccs e ccr hiilidioksidin talteenotosta ja geologisesta varastoinnista saatavat vähennykset päästöissä hiilidioksidin talteenotosta ja korvaamisesta saatavat vähennykset päästöissä 6

8 e ee sähkön ja lämmön yhteistuotannosta saatavasta ylimääräisestä sähköstä saatavat vähennykset päästöissä VÄHENNYS = (E F E B )/E F (3) missä E B biopolttoaineesta tai bionesteestä aiheutuvat kokonaispäästöt E F fossiilisesta vertailukohdasta aiheutuvat kokonaispäästöt 2 Biokaasulaitoksen lähtötiedot Energiatase ja kasvihuonekaasu tarkastelu pohjautuvat hankkeen edellisessä raportissa tarkasteltuun teknis-taloudellisesti optimaalisen biokaasulaitoksen lähtötietoihin. 2.1 Biokaasulaitos ja järjestelmä rajaus Energiataseen ja kasvihuonekaasupäästöjen laskennassa täytyy asettaa tarkasteltavalle systeemille rajat, mitkä kertovat huomioon otettavat asiat laskennassa. Biokaasulaitoksen energiataseen ja kasvihuonekaasupäästöjen laskennassa otetaan huomioon nurmenviljelyn kuluttama primäärienergia, kuten peltotyöt ja viljelypanokset (polttoaineet, lannoitteet, kalkki, kasvinsuojeluaineet) sekä biokaasulaitokselle kuljetettavien syötteiden (nurmirehu ja karjanlanta) ja biokaasuprosessin jäännöksen kuljetukseen tarvittava energia (Kuva 1). Myös biokaasuprosessin tarvitsema sähkön ja lämmön kulutus sekä biokaasun jalostamiseen kuluttama energia otetaan tarkastelussa huomioon. Biokaasulaitos koostuu kolmesta rinnakkain toimivasta sylinterimäisestä reaktorista, joiden tilavuus on 2330 m 3 eli yhteistilavuus 7000 m 3. Yhden biokaasureaktorin korkeus on 6 m ja säde 11,15 m. Biokaasureaktorin lämpötila on 35 C, jolloin kysymyksessä on mesofiilinen prosessi. 7

9 Biokaasulaitoksen pääasiallinen syöte on siis nurmirehu, jota syötetään reaktoriin t tuorepainoa (TP) vuoden aikana. Nurmirehun lisäksi reaktoriin syötetään 5600 t TP lehmien tai sikojen lietelantaa vakaan biokaasuprosessin takaamiseksi. Biokaasuprosessin reaktoriliete separoidaan reaktoreiden jälkeen kuivajakeeksi ja rejektilietteeksi. Osa rejektilieteestä (15000 t TP) kierrätetään takaisin biokaasureaktoreihin ylläpitämään biokaasuprosessia. Reaktoreiden kokonaiskuormitus on 2,8 kgvs/m 3 /d (VS=volatile solids = orgaanisen aineen määrä), josta nurmirehua 2,3 kgvs/m 3 /d, eläinten lietelantaa 0,1 kg/vs/m 3 /d ja kierrätettyä rejektilietettä 0,4 kg/vs/m 3 /d. Päivässä reaktoriin syötetään siis 70 t TP nurmirehua, 16 t TP lietelantaa ja kierrätetään 42 t TP separoitua rejektilietettä (Taulukko 1). Tarvittavan nurmirehun tuottamiseen tarvitaan peltoa noin 900 ha ja lehmän lietelantaa 230 lypsylehmältä tai sian lietelantaa 2800 lihasikapaikalta vuodessa. Metaanihävikki koko laitoksessa on 1 % tuotetusta biokaasusta. Teknis-taloudellisesti optimaalinen biokaasulaitos käyttää tuotetun biokaasun joko yhdistettyyn sähkön ja lämmön tuotantoon tai puhdistaa biokaasun biometaaniksi liikenteen käyttöön. Energiatase ja kasvihuonekaasupäästöt lasketaan kolmelle eri vaihtoehdolle: CHP: Biokaasulaitos käyttää tuotetun biokaasun yhdistettyyn sähkön ja lämmön tuotantoon CHP (combined heat and power). Biokaasuprosessin tarvitsema sähkö ja lämpö tuotetaan itse (Kuva 1). Primäärienergiaa tarvitaan biokaasulaitoksen ulkopuolelta viljelypanoksiin sekä polttoainetta kuljetuksiin. BIOMETAANI: Biokaasulaitos puhdistaa tuotetun biokaasun biometaaniksi, jolloin se voidaan käyttää liikennepolttoaineena. Biokaasulaitos tarvitsee primäärienergiaa systeemin ulkopuolelta peltoviljelypanoksiin, syötteiden ja jäännösten kuljetuksiin sekä biokaasuprosessin sähkön ja lämmön tarpeeseen (Kuva 2). BIOTRAKTORI: kuten BIOMETAANI, mutta tuotettua biometaania käytetään biokaasutraktorissa viljelyyn sekä kuljetuksiin (Kuva 2). 8

10 Kuva 1. Biokaasulaitoksen systeemirajaus yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotanto laitoksella (CHP). Primäärienergian lähteinä nurmenviljelyn viljelypanokset ja polttoaineet kuljetuksiin sekä peltotöihin. Järjestelmä tuottaa lämpöä ja sähköä, joista osa käytetään biokaasulaitoksen ylläpitoon. 9

11 Kuva 2. Biokaasulaitoksen systeemirajaus biokaasua biometaaniksi jalostavalla laitoksella. BIOMETAANI-vaihtoehdossa primäärienergiapanoksia ovat viljelyn tuotantopanokset, polttoaine kokonaisuudessaan sekä biokaasulaitoksen tarvitsema sähkö ja lämpö. BIOTRAKTORI-vaihtoehdossa osa fossiilisesta polttoaineesta korvataan biokaasulaitoksen tuottamalla biometaanilla peltoviljelyssä ja kuljetuksissa. Molemmissa tapauksissa on tuotteena biometaani liikenteen biopolttoaineeksi. 2.2 Syötettävät jakeet Biokaasulaitokseen syötettävät jakeet ovat nurmirehu sekä sikojen tai lehmien lietelanta. Tämän lisäksi biokaasureaktoriin kierrätetään separoitua rejektilietettä, että, jonka kuiva-aine pitoisuus (total solid = TS) on 7 %. Lietelantaa syöttämällä sekä kierrättämällä nestejaetta biokaasulaitoksen reaktorin TS pitoisuus on 8-9 %, toimivan prosessin takaamiseksi. Lietelanta kuljetetaan laitokselle lietevaunulla ja varastoidaan syötettäväksi lietealtaaseen. Lietelannan osalta tarkastelu alkaa vasta kuljetuksista biokaasulaitokselle, koska RES-direktiivin 10

12 laskentametodin mukaisesti jäteraaka-aineen päästöjen laskenta aloitetaan kuljetuksesta jalostuslaitokselle. Nurmisäilörehun ollessa biokaasulaitoksen pääasiallinen syöte siitä syntyy myös suurin osa tuotetusta biokaasusta. Nurmisäilörehu voi koostua eri nurmikasveista, kuten timoteistä, nurminadasta, ruokonadasta, apiloista. Mitään tarkkaa kasvilaji ja lajike koostumusta ei määritetä, koska nurmirehua viljellään noin 900 hehtaarin alalla. Nurmen kuiva-ainepitoisuus on 26 % (Taulukko 1). Taulukossa 1 on esitetty biokaasulaitokselle syötettävien jakeiden ominaisuudet (TS, volatile solid eli orgaaninen aine (VS)), syöttömäärät päivässä ja vuodessa sekä metaanintuottopotentiaali (m 3 CH 4 /t TS). Taulukko 1. Biokaasulaitoksen syötteiden ominaisuudet, syöttömäärät, metaanintuottopotentiaali sekä energiantuottopotentiaali. Nurmirehu Lietelanta Rejekti TS VS Syöttö t TP/d Syöttö t TP/a m 3 CH 4 /t TS m 3 CH 4 /t TP

13 3 Biokaasun tuotannon energiapanokset ja kasvihuonekaasupäästöt 3.1 Nurmen viljely Biokaasulaitokselle pääasiassa syötettävää nurmea viljellään noin 900 hehtaarin peltopintaalalla. Nurmi korjataan biokaasuprosessin raaka-aineeksi tarkkuussilppurilla kaksi kertaa kasvukaudessa kesä- ja elokuun puolessa välissä. Nurmenviljelyssä oletetaan käytettävän maatalouskoneita, jotka ovat tiloilla yleisesti käytettävissä olevaa kokoluokkaa. Nurmi uudistetaan viiden vuoden välein suojaviljaan. Sato korjataan viitenä peräkkäisenä vuotena, jonka jälkeen nurmi lopetetaan glyfosaatti ruiskutuksin. Biokaasulaitoksen jäännöksen kuivajae levitetään uudistettaville nurmilohkoille ja kynnetään välittömästi, kun nurmenviljely lohkolla lopetetaan. Suojaviljan energiankulutusta ei oteta laskelmassa huomioon, koska suojaviljaa ei käytetä biokaasureaktorissa. Nurmen siemenen kylvömäärä suojaviljaan on 25 kg/ha. Nurmen siemenien energiankulutus on 12 MJ/kg eli 0,06 GJ/ha/a (Kelm ym., 2004). Nurmen siemenen kasvihuonekaasupäästöjä ei oteta tarkastelussa huomioon, koska kasvihuonekaasupäästöt ovat niin vähäiset Lannoitus Nurmet lannoitetaan biokaasuprosessista saatavalla rejektillä sekä kuivajakeella. Kuivajae levitetään pelloille nurmien uudistamisen yhteydessä syksyllä tai keväällä ennen nurmen kyntöä ja rejektivesi keväällä sekä ensimmäisen niiton jälkeen. Rejekti sisältää 4,6 kg/t liukoista typpeä, 6,8 kg/t kokonaistyppeä sekä 0,9 kg/t fosforia. Kuivajae sisältää kokonaistyppeä 7,3 kg/t, josta liukoista typpeä 2,2 kg/t, ja fosforia 1,5 kg/t. Ympäristötukiehtojen mukaan karjanlannasta/biokaasuprosessin jäännöksestä lasketaan mukaan vain liukoinen typpi (Mavi, 2009). Lannoituksessa kokonaisfosforista otetaan huomioon lietelannalla 85 % (Mavi, 2009). Biokaasulaitoksen tuottama prosessijäännös ei riitä kattamaan koko viljelyalan typentarvetta, 12

14 jos nurmea lannoitetaan ympäristötukiehtojen mukaisesti 160 kg N/ha kasvukauden aikana. Väkilannoitetyppeä käytetään 25 kg/ha/a. Lannoitteiden valmistus kuluttaa energiaa keskimäärin 11,7 GJ/t, kun lannoitteena käytetään kevätviljan Y3 NPK (20-3-8) (Mäkinen ym., 2006). Lannoitteiden valmistuksessa typen valmistus on eniten päästöjä aiheuttava toimi. Tämän takia kasvihuonekaasupäästöjen laskennassa käytetään Yara:lta saatua yhden typpikilon aiheuttamaa päästöarvoa 3,6 kg CO 2 -ekv./kg N (Yara, 2012) Säilöntäaineet Nurmen korjuun yhteydessä nurmirehuun lisätään säilöntäainetta paremman varastoinnin takaamiseksi. Säilöntäaineen käyttömäärä on vain puolet tavanomaisesta, koska nurmirehun laatu ei ole niin ratkaisevassa asemassa syötettäessä biokaasureaktoriin kuin syötettäessä rehuksi lehmille. Säilöntäaineena käytetään AIV2+ säilöntäainetta, jonka käyttömäärä on 2,5 l/t nurmea. Säilöntäaineen valmistus kuluttaa energiaa 3,675 GJ/t (Grönroos & Voutilainen, 2001) ja valmistuksessa syntyy kasvihuonekaasuja 3073 kg CO 2 -ekv./t(grönroos& Voutilainen, 2001) Torjunta-aineet Torjunta-aineita käytetään ainoastaan nurmikasvuston lopettamiseen ennen nurmen kyntämistä. Torjunta-aineena käytetään glyfosaattia 3 l/ha (glyfosaattia 360 g/l). Torjuntaaineiden valmistus kuluttaa energiaa 273,6 MJ/kg (Mikkola & Ahokas, 2009) ja valmistuksesta aiheutuvat päästöt ovat 4,92 kg CO 2 /kg, 0,00018 kg CH 4 /kg ja 0,0015 kg N 2 O/kg (Ahlgren ym., 2009) Kalkitus Nurmi kalkitaan nurmen perustamisen yhteydessä (4 t/ha). Kalkin valmistus kuluttaa primäärienergiaa 0,5 GJ/t ja valmistus sekä kuljetus aiheuttavat kasvihuonekaasupäästöjä 20,5 kg CO 2 ekv./t (Mäkinen ym., 2006). Maaperästä kalkin aiheuttamat päästöt ovat 431 kg CO 2 ekv./t (Mäkinen ym., 2006). 13

15 3.1.5 Maaperän N 2 O-päästöt Dityppioksidia (N 2 O) vapautuu maaperästä mikrobitoiminnan aiheuttamien nitrifikaatio- ja denitrifikaatioprosessien seurauksena. Prosessien voimakkuuteen ja N 2 O muodostumiseen sekä vapautumiseen vaikuttavat mm. typen määrä ja kemiallinen olomuoto, maan happitila, ph, kosteus, lämpötila ja liukoisen hiilen määrä. IPCC:n ohjeiden mukaan maatalousmaiden N 2 O päästöjen arvioinnissa on otettava huomioon lisääntyneestä typpikuormituksesta aiheutuvat suorat ja epäsuorat N 2 O-päästöt. Maaperän suorat N 2 O-päästöt muodostuvat lannoitteiden käytön ja kasvitähteiden aiheuttamista N 2 O-päästöistä. Lannoitteiden käytöstä aiheutuvat päästöt lasketaan kaavalla 4 (IPCC, 2006). N 2 O fert = N fert * EF* 44/22 (4) missä N fert on käytetyn typen määrä (kg) EF on päästökerroin (0,01 kg N 2 O-N/kg N) Kasvintähteistä aiheutuvat N 2 O -päästöjen laskennassa tulee ottaa huomioon sekä kasvin maanpäällinen biomassa että maanalainen biomassa (juuret). Tässä tarkastelussa maanpäällistä kasvitähdettä ei huomioida, koska sitä ei synny, kuten viljan viljelyssä pellolle jäävä olki. Kasvitähteistä aiheutuvat N 2 O päästöt lasketaan kaavalla 5 (IPCC, 2006). Tässä tarkastelussa juurien massa on 40 % maanpäällisestä biomassasta ja juurten typpipitoisuus 1 % (Känkänen 2001). N 2 O kasvitähde = (m juuret * N juuret )* EF * 44/28 (5) missä m juuret on maanalaisen biomassan määrä (kg) N juuret Maanalaisen biomassan typpipitoisuus (%) 14

16 EF on päästökerroin (0,0125 N 2 O-N/kg N) Epäsuorat N 2 O-päästöt muodostuvat lannoitteiden käytöstä aiheutuvasta typen haihdunnasta ja valunnasta ja ne lasketaan kaavalla 6 (IPCC 2006). N 2 O epäsuora = (N fert * Frac Gasf * EF Gasf + N fert * Frac Leach * EF Leach )* 44/28 (6) missä Frac Gasf on haihtuva osa typestä (0,1) EF Gasf on päästökerroin haihtuvalle osalle (0,01 kg N 2 O-N/kg N) Frac Leach on valuva osa typestä (0,15) EF Leach on päästökerroin valuvalle osalle (0,0075 kg N 2 O-N/kg N) Laskennassa käytetyt kertoimet ovat IPCC:n (2006) ohjeiden mukaisia, paitsi valuva osa typestä, joka on kansallisen kasvihuonekaasuinventaarion mukainen (Statistics Finland, 2009), koska se kuvaa Suomen tilannetta paremmin. Suorista ja epäsuorista N 2 O-päästöistä voidaan vähentää vertailumaankäyttötavan kasvihuonekaasupäästöt, joka yleensä tarkoittaa kesantoa. Tässä tarkastelussa ei vähennetty vertailumaan päästöjä Maaperän hiilikertymä Maatalousmaiden hiilidioksiditaseet tunnetaan huonosti. Jos kasvihuonekaasupäästöjen laskennassa otetaan huomioon nurmen kyky sitoa hiiltä maaperään, biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöt vähenevät. Tutkimuksissa on todettu, että nurmen viljely voi sitoa hiiltä 0,6-2 t C/ha/a (Korres ym., 2010). Tässä tarkastelussa nurmen hiilensitomiskykynä käytetään 0,6 t C/ha/a. 15

17 3.2 Työkoneiden polttoaineet Työkoneissa ja ajoneuvoissa käytettävien ulkomaisten polttoaineiden ja jalosteiden (diesel ja raskas polttoöljy) välillinen primäärienergiantarpeen ja kasvihuonekaasupäästöjen laskenta perustuu Mäkisen ym. (2006) käyttämiin laskentaperusteisiin. Diesel-öljyn tiheys on 0,83 kg/l, lämpöarvo 43 MJ/kg ja kun dieselin tuotantoon ja jakeluun on kulunut energiaa 16 % dieselin lämpöarvon verran, saadaan yhden diesel litran primäärienergiantarpeeksi 0,83 kg/l * 43 MJ/kg * 1,16= 41,4 MJ/l. Dieselin kasvihuonekaasupäästöt ovat 83,8 g CO 2 -ekv/mj. Nurmenviljelyn työvaiheet ja niihin kuluva energia on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. Nurmen viljelyn työvaiheet, polttoaineen kulutus (l/ha) ja niihin kuluva energia hehtaaria ja vuotta kohti. Työvaihe l /ha krt/a MJ/ha/a Lähteet Kyntö a, b, c, d, e Tasausäestys a, b, c Äestys 3,8 m a, c, d, e, f Kylvölannoitus 2,5m a, b, c, d, e Kalkitus d Kasvuston hävittäminen a, e Torjunta-aineen ruiskutus b, c, d Lannoitus (väkilannoitteella) e Prosessijäännöksen levitys 2 2.2* 182 b Niitto 2,8 m a, c, e Keräys noukinvaunulla c, d a Dalgaard et al., 2001 b Kelm et al., 2004 c Mikkola & Ahokas, 2009 d Mäkinen et al., 2006 e Palonen & Oksanen, 1993 f Smyth et al., 2009 * Sisältää myös kuivajakeen levityksen 16

18 3.3 Kuljetukset Tarvittavat syötteet (nurmirehu ja lietelanta) kuljetetaan biokaasulaitokselle traktorilla. Traktorin keskimääräinen kulutus on 14 l/h tyhjällä kuormalla ja 17 l/h täydellä kuormalla. Tässä tarkastelussa toinen kuljetusmatka tehdään tyhjällä kuormalla. Nurmirehun keskimääräinen kuljetusmatka biokaasulaitokselle on 5 km. Nurmirehu kuljetetaan pellolta korjuun yhteydessä suoraan biokaasulaitoksen välittömässä läheisyydessä sijaitseviin laakasiiloihin noukinvaunulla, jonka tilavuus on 35 m 3 (Taulukko 3). Lietelannan kuljetus biokaasulaitokselle ja rejektin kuljetus biokaasulaitokselta pelloille tehdään 25 m 3 kokoisella lietevaunulla. Rejektiveden kuljetusmatkana käytetään myös 5 kilometrin matkaa, koska rejekti kuljetetaan samoille pelloille, mistä nurmirehu korjataan reaktoriin. Kuivajae kuljetetaan biokaasulaitokselta 20 m 3 kokoisella kuivalannan levityskärryllä uudistettaville nurmipelloille (Taulukko 3). Taulukko 3. Biokaasulaitokselle ja biokaasulaitokselta kuljetettavan jakeen kokonaismäärät, kaluston koko ja käytettävä energiamäärä/t TP. Kaluston koko (m 3 ) Levitettävä määrä (t) Energian kulutus (MJ/t) Nurmirehu ,7 Lietelanta ,1 Kuivajae ,4 Rejekti ,1 17

19 3.4 Biokaasulaitoksen sähkönkulutus Biokaasulaitoksen toiminta kuluttaa sähköä. Sähköä kuluu nurmen syöttämiseen reaktoreihin, reaktoreiden sekoittamiseen, reaktorijäännöksen pumppaamiseen ja separointiin sekä lietelannan ja rejektin pumppaamiseen reaktoriin (Taulukko 4). Biokaasulaitoksen maksimi sähköntarve on 183 kw (Taulukko 4). Jatkuva sähköntarve arvioidaan olevan 55 % maksimi tarpeesta eli 101 kw. Suomessa tuotetun sähkön kokonaisprimäärienergiakerroin oli 2,21 vuosien keskiarvona (Keto 2010) ja keskimääräinen CO 2 ominaispäästökerroin vuosina oli keskimäärin 269 g CO 2 -ekv./kwh (Keto, 2010). Taulukko 4. Biokaasulaitoksessa sähköä kuluttavat koneet ja laitteet sekä niiden sähköteho. Sähkölaite Määrä Teho kpl kw/kpl kw yhteensä Syöttöpöytä/laite Pumput yhteensä Lietelanta reaktoriin Prosessi jäännös separointiin Rejekti reaktoriin Reaktoreiden sekoitus 11 kw Separointi Paineilmakompura Lämminvesikierto Sähköteho yhteensä Biokaasulaitoksen lämmönkulutus Biokaasulaitoksen reaktorin lämmittämiseen 35 C asteeseen tarvitaan lämpöenergiaa. Lämpöä tarvitaan sekä syötettävän nurmirehun ja lietelannan lämmittämiseen että reaktorirakenteista tapahtuvan lämmönhukan korvaamiseen. Syötteen lämmittämiseen tarvittava energianmäärä lasketaan käyttämällä syötteelle veden ominaislämpökapasiteettia (4,184 MJ/t C) ja syötteen 18

20 lämpötilan korotuksena 35 C. Lämmönhukka reaktorikuoren läpi arvioidaan olevan 30 % reaktorisyötteen tarvitsemasta lämpöenergiasta. Kaukolämmön keskimääräinen hyötysuhde on 0,80 vuosien perusteella ja keskimääräiset CO 2 päästöt 216 g CO 2 -ekv./kwh (Keto, 2010). 3.6 Prosessijäännös Biokaasuprosessissa syntyvä prosessijäännös separoidaan kahdessa separaattorissa (10kW). Prosessissa syntyy kuivajaetta ja nestejaetta eli rejektiä. Kuivajaetta syntyy vuodessa noin t ja se levitetään uudistettaville nurmipelloille ennen kyntämistä. Rejektiä syntyy vuodessa t, josta 44 %(15200 t) kierrätetään takaisin biokaasureaktoriin ja loput t syötetään katettuun säiliöön ja levitetään pelloille keväällä ja ensimmäisen sadonkorjuun jälkeen. Kuivajakeen ja rejektin ravinnepitoisuudet on ilmoitettu kappaleessa Lannoitus. 3.7 Biokaasun tuotanto ja käyttö CHP -vaihtoehdossa yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa laitteiston hyötysuhde on 85 %, josta lämmön osuus on 50 % ja sähkön 35 % (CHP vaihtoehto). Liikennepolttoaineen eli biometaanin valmistuksessa biokaasu puhdistetaan paine-vesiabsorptiota käyttäen, jolloin sähköenergian kulutus on 0,3 kwh/m 3 metaania ja paineistus 250 baariin kuluttaa sähköenergiaa 0,2 kwh/m 3 metaania (BIOMETAANI ja BIOTRAKTORI-vaihtoehdot). BIOTRAKTORI- vaihtoehdossa nurmen viljelyssä ja kuljetuksissa käytetään Valtra Oy Ab:n kehittämää biokaasulla toimivaa traktorimallia, jota on testattu mm. Suomessa ja Ruotsissa. Kyseessä on dual-fuel moottori, joka toimii diesel moottorin tapaan, mutta tehosta % saadaan biokaasulla (biometaanilla) (Riipinen & Chantrelle, 2011). Biokaasu traktorimalli on T133 HiTech, jonka teho on 112 hv. Traktori on varustettu etukuormaimella sekä etunostolaitteella ja voimanotolla. Biokaasuratkaisu ei rajoita traktorin käyttöä erilaisissa 19

21 töissä, eri olosuhteissa tai erilaisten työkoneiden kanssa. Käyttämällä polttoaineena sekä biokaasua että biodieseliä voidaan traktoria käyttää täysin uusiutuvalla energialla. Biokaasun käytöllä voidaan saada myös huomattavia säästöjä traktorin polttoainekuluissa (Valtra Oy Ab, 2011). 4 Tulokset 4.1 Biokaasulaitoksen energiatase Biokaasulaitos (7000 m 3 ), johon syötettiin nurmirehua 55 %, lietelantaa 12 % ja kierrätettiin rejektilietettä 33 % syötteen märkäpainosta, tuotti vuodessa m 3 biokaasua. Nurmirehusta syntyi biokaasua m 3, mikä on 97 % koko biokaasun tuotannosta. Lietelannasta biokaasua tuotettiin siis noin 3 %, mikä vastaa noin m 3 /a. Kun biokaasun metaanipitoisuus on 55 %, biokaasulaitos tuotti vuodessa metaania m 3. Tämän perusteella laitoksen tuottama energiamäärä oli GJ/a. Nurmirehun metaanintuottopotentiaali on huomattavasti suurempi kuin lietelannan (Taulukko 1), mutta prosessin toimivuuden kannalta on tärkeää, että lietelantaa syötetään myös reaktoriin. Nurmirehua pääasiallisena syötteenä käyttävän biokaasulaitoksen energiatase laskettiin kolmella vaihtoehdolla: CHP (yhdistetty lämmön ja sähkön tuotanto), BIOMETAANI (biokaasun paineistus ja puhdistus liikennepolttoaineeksi) sekä BIOTRAKTORI (biometaanin käyttö biokaasutraktorissa peltoviljelyssä sekä kuljetuksissa). CHP-vaihtoehto tuotti energiaa kokonaisuudessaan GJ/a, josta oman lämmön ja sähkön kulutuksen jälkeen myytäväksi jäi GJ/a (40 GJ/ha bruttoenergiaa), jolloin sähkön osuus laitoksen ulkopuolelle tuotetusta energiasta oli GJ/a ja lämmön osuus GJ/a. CHP laitoksen tuottama sähkö (oma kulutus pois) riittäisi 650 keskikokoisen omakotitalon sähkön kulutukseen (7000 kwh/a) ja lämpö riittäisi lämmittämään 420 omakotitaloa (13000 kwh/a) (Adato, 2008). 20

22 BIOMETAANI -vaihtoehdossa tuotettu energia on lähes kaksinkertainen GJ/a, mikä vastaa bruttoenergiana 82 MJ/ha. BIOTRAKTORI vaihtoehto tuotti GJ/a (81 GJ/ha bruttoenergiana), koska tuotettua biometaania käytettiin biokaasulaitoksella nurmen viljelyssä sekä kuljetuksissa. BIOMETAANI-vaihtoehdossa tuotettu liikennebiokaasu riittää noin 1700 henkilöauton vuosittaiseksi kaasumääräksi (7 m 3 CH 4 /100 km, km/a). Kun energiantuotannosta vähennetään primäärienergiankulutus (sähkö, lämpö, viljelypanokset ja polttoaineet), saadaan selville eri biokaasulaitosvaihtoehtojen nettoenergiatuotto. Nettoenergiatuotto on CHP-vaihtoehdossa GJ/a, BIOMETAANI-vaihtoehdossa GJ/a ja BIOTRAKTORI-vaihtoehdossa GJ/a. Tämän perusteella suurin nettoenergian tuotanto saadaan BIOTRAKTORI-vaihtoehdossa. Kun taas verrataan eri laitoskonseptien panos/tuotos -suhteita, eli kuinka monta prosenttia kuluu energiaa yhtä tuotettua energiayksikköä kohden, CHP-vaihtoehdossa tuotettua energiayksikköä kohden kuluu primäärienergiaa vain 11 %, kun vastaava luku on BIOMETAANI ja BIOTRAKTORI-vaihtoehdoissa %(Taulukko 5). Taulukko 5. Panos/tuotos suhteet % eri biokaasun jalostamisvaihtoehdoilla ja eri energiatase ja kasvihuonekaasupäästöjenoptimointi skenaarioilla. Skenaariot on esitetty luvussa 4.3. SKENAARIO CHP BIOMETAANI BIOTRAKTORI Perus 11 % 33 % 30 % +20 % TS/ha 9 % 32 % 30 % met+20 9 % 30 % 27 % Tuulisähkö 11 % 33 % 30 % Primäärienergiapanos biokaasun tuotannossa oli tarkastelluissa vaihtoehdoissa % tuotetusta energiasta. Suurin yksittäinen energiaa kuluttava tekijä BIOMETAANI- ja BIOTRAKTORI-vaihtoehdoissa oli biokaasun puhdistus ja paineistus, jonka osuus oli 11 % energiantuotannosta. Toiseksi eniten energiaa kulutti lämmitys, jonka osuus oli noin 9-11 % tuotosta kaikissa tarkasteluvaihtoehdoissa. Biokaasuprosessissa sähkö, lämpö ja biokaasun 21

23 puhdistus sekä paineistus kuluttivat kaikesta tarvittavasta energiasta % ( GJ/a), lopun energian kulutuksen jäädessä peltoviljelyn (1 316 GJ/a), kuljetuksien (346 GJ/a) sekä viljelypanoksien (1 870 GJ/a) kuluttamaksi energiaksi (Kuva 3) Oma lämpö GJ/a Oma sähkö Paineistus ja puhdistus Lämpö Sähkö Diesel kuljetus Diesel viljely Peltoviljelyn panokset 0 CHP BIOMETAANI BIOTRAKTORI Kuva 3. Biokaasulaitoksen energiankulutus vuodessa CHP, BIOMETAANI ja BIOTRAKTORI vaihtoehdoissa. CHP-vaihtoehdossa näkyy myös biokaasulaitoksen oma sähkön ja lämmön kulutus. Kun tarkastellaan ainoastaan nurmen viljelyn, korjuun ja kuljetuksen energian kulutusta, suurin osa energiasta kului traktorin polttoaineisiin 1662 GJ/a. BIOTRAKTORI-vaihtoehdossa dieseliin kuluva primäärienergia oli 307 GJ/a ja biokaasulaitoksella tuotettua biometaania kului 1160 GJ/a. Käyttämällä biokaasutraktoria nurmen viljelyssä ja syötteiden sekä jäännöksen kuljetuksissa viljelytoimenpiteiden primäärienergian kulutus pieneni lähes 50 % (Kuva 4, BIOTRAKTORI). 22

24 GJ/a Säilöntäaine Torjunta-aineet Lannoitus Kalkitus Siemen Diesel kuljetus Diesel viljely 0 CHP BIOMETAANI BIOTRAKTORI Kuva 4. Tuotantopanosten, peltoviljelyn ja kuljetusten tarvitsema energiamäärä (GJ) 7000 m 3 biokaasulaitoksella vuoden aikana, kun nurmea viljellään noin 900 hehtaarilla. BIOTRAKTORIvaihtoehdossa on biometaanin käyttö viljelyssä ja kuljetuksissa vähennetty. 23

25 4.2 Biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöt Biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöt laskettiin EU:n biopolttoaineita koskevan kestävyys direktiivin mukaisesti (EU 2009). Pienimmät kasvihuonekaasupäästöt olivat g CO 2 - ekv./mj BIOMETAANI ja BIOTRAKTORI-vaihtoehdoissa ja suurimmat CHP-vaihtoehdossa 56 g CO 2 -ekv./mj (Kuva 5). Kun tarkastellaan biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöjä laitosta kohti CHP-vaihtoehto tuottaa 2000 t CO 2 -ekv./a ja BIOMETAANI ja BIOTRAKTORI 3200 ja 3100 t CO 2 -ekv./a tässä järjestyksessä. CHP-vaihtoehdon kasvihuonekaasupäästöt ovat kuitenkin suuremmat tuotettua energiayksikköä kohden, koska tuotettu energiamäärä (MJ) on pienempi kuin BIOMETAANI- ja BIOTRAKTORI vaihtoehdoissa. 60 Metaanihävikki 40 Diesel 20 N2O päästöt pellolta g CO 2 -ekv./mj 0 CHP BIOMETAANI BIOTRAKTORI Sähkö Lämpö -20 Kalkki -40 Torjunta-aineet -60 Lannoitus -80 Maaperän hiilikertymästä saatavat vähennykset Kuva 5. Biokaasun tuotannosta syntyvät kasvihuonekaasupäästöt kolmessa eri tarkastelu vaihtoehdossa (g CO 2 -ekv./mj). 24

26 Suurimmat kasvihuonekaasupäästöt syntyivät pellon suorista ja epäsuorista dityppioksidi päästöistä g CO 2 -ekv./mj ja toiseksi eniten päästöjä aiheutti biokaasulaitoksen käyttämä sähkö (11 g CO 2 -ekv./mj) biometaanin jalostus vaihtoehdoissa (BIOMETAANI ja BIOTRAKTORI) (Kuva 5). Myös biokaasulaitoksen metaanihävikki tuotti merkittävästi kasvihuonekaasupäästöjä 6,5 13 g CO 2 -ekv./mj. Taulukko 6. Päästövähennykset laskettuna EU:n biopolttoaineita koskevan kestävyys direktiivin (EU 2009) mukaisesti eri biokaasun jalostusvaihtoehdoille sekä eri energiatase ja kasvihuonekaasupäästöjenoptimointi skenaarioilla. Skenaariot esitetty luvussa 4.3. SKENAARIO CHP BIOMETAANI BIOTRAKTORI Perus 34 % 48 % 50 % - maaperän C kertymä a 99 % 80 % 81 % + TS20 43 % 52 % 54 % - maaperän C kertymä a 97 % 79 % 81 % + met % 54 % 55 % - maaperän C kertymä a 96 % 80 % 82 % Tuulisähkö 34 % 61 % 63 % - maaperän C kertymä a 99 % 93 % 95 % a Kasvihuonekaasupäästöjen vähennys verrattuna vastaavaan fossiiliseen polttoaineeseen, kun nurmenviljelyssä maaperään sitoutunut hiilikertymä otettu mukaan laskelmaan. Päästövähenemät verrattuna fossiiliseen polttoaineeseen olivat 48 % BIOMETAANI-, 50 % BIOTRAKTORI- ja 34 % CHP-vaihtoehdossa (Taulukko 6). Tämän mukaan mitkään tarkastelluista biokaasulaitoskonsepteista ei voida luokitella kestäväksi biopolttoaineeksi vuodesta 2018 eteenpäin (vähenemä suurempi kuin 60 %). Kasvihuonekaasutaseiden laskentaan liittyy kuitenkin useita epävarmoja arvoja ja oletuksia riippuen laskentatavasta. Pellon dityppioksidipäästöjen laskennan epävarmuus on suuri, koska päästöt vaihtelevat mm. typen määrän ja kemiallisen olomuodon, maan happitilan, ph:n, kosteuden, lämpötilan ja liukoisen hiilen määrän mukaan. Nurmen viljelyn on todettu sitovan hiiltä maaperään laajan ja vahvan juuristonsa kautta. Direktiivin mukaisessa laskelmassa tämä otetaan huomioon (Kaava 2). Kun 25

27 hiilikertymä otetaan huomioon myös tässä laskelmassa (maaperään kertyvän hiilen määrä 0,6 t C/ha/a) ovat koko ketjun hiilidioksidi päästöt 1,3 17 g CO 2 -ekv./mj ja päästövähenemät yli 80 % (Kuva 5). Tällöin kaikilla tarkasteluvaihtoehdoilla tuotettu biokaasu luokitellaan kestäväksi polttoaineeksi myös vuoden 2018 jälkeen (päästövähenemä yli 60 %) (Taulukko 6). Tämän lisäksi on arvioitu, että lietelannan paremmasta käsittelytekniikasta johtuvat kasvihuonekaasu vähenemät voivat olla 5 g CO 2 -ekv./mj(sinkko ym., 2012). Kun tarkastellaan pelkän nurmenviljelyn aiheuttamia kasvihuonekaasupäästöjä, suurin kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttaja on kalkitus. Kalkin valmistuksessa syntyy vain 5 % kalkituksen aiheuttamista päästöistä ja loput 95 % ovat vapautuvia kasvihuonekaasupäästöjä maaperästä. Biokaasutraktorin (BIOTRAKTORI) käyttö nurmen viljelyssä sekä syötteiden ja prosessijäännöksen kuljetuksissa vähensi tuotantoketjun hiilidioksidipäästöjä 1,5 g CO 2 -ekv./mj verrattuna BIOMETAANI-vaihtoehtoon (Kuva 6). g CO 2 -ekv./mj Diesel Säilöntäaine Kalkki Torjuntaaineet Lannoitus 0 CHP BIOMETAANI BIOTRAKTORI Kuva 6. Nurmen viljelyn, korjuun sekä syötteiden ja jäännöksen kuljetusten kasvinhuonekaasupäästöt (CO 2 -ekv./mj) eri vaihtoehdoissa. 26

28 4.3 Biokaasulaitoksen energiataseen ja kasvihuonekaasupäästöjen optimointi skenaariot Teknis-taloudellisesti optimaalisen biokaasulaitoksen energiataseen ja kasvihuonekaasupäästöjen tarkastellaan vielä muutamassa eri skenaariossa, joiden avulla nähdään miten yhden lähtöarvon muuton vaikuttaa koko laitoksen energiataseeseen ja kasvihuonekaasupäästöihin. Muutos ei välttämättä vaikuta biokaasulaitoksen sekä energiataseeseen että kasvihuonekaasupäästöihin. Tarkasteltavat skenaariot ovat nurmen satotason nousu, nurmen ja lannan metaanintuottopotentiaalin nousu sekä tuulisähkön käyttö BIOMETAANI- ja BIOTRAKTORI-vaihtoehdoissa Nurmen satotason nousu Kun nurmen satotaso nousee 20 % eli 7,4 t TS/ha -> 8,9 t TS/ha vähenee tarvittava peltopintaala 750 hehtaariin. Satotason nousu ei vaikuta biokaasulaitoksen biokaasun tuotantoon lainkaan, vaan sama määrä nurmirehua tuotetaan vain pienemmällä hehtaarimäärällä, jolloin peltotöiden ja peltoviljelyn panosten kuluttama energiamäärä pienenevät. Koska tarvittava peltopinta-ala pienenee, riittää biokaasulaitoksen jäännöksen sisältämät ravinteet lannoitukseksi koko nurmisadolle, jolloin väkilannoitteita ei tarvita. Peltoviljelyyn tarvittavat panokset vähenevät 387 GJ/a, mikä on 40 % pienempi kuin perusvaihtoehdoissa. Peltotöihin tarvittava energiamäärä (diesel) pienenee 17 % mikä vastaa 220 GJ/a vähemmän energiaa vuodessa. CHP-vaihtoehdossa tarvittavan primäärienergianmäärä pienenee 21 % ja BIOMETAANI ja BIOTRAKTORI-vaihtoehdoissa 2-3 % (Kuva 7). Optimaalisella nurmenviljelyllä voidaan sama määrä nurmirehua tuottaa pienemmällä pinta-alalla, mikä osaltaan vähentää koko laitoksen kustannuksia mm. korjuuketjuissa. Vuoden aikana saadaan myös huomattavat säästöt aikaan lannoitteissa, kun biokaasuprosessin jäännös riittää lannoitteeksi koko peltopinta-alalle. Biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöt pienenevät noin 8 g CO 2 -ekv./mj CHP+TS20 vaihtoehdoissa ja 4 g CO 2 -ekv./mj BIOMETAANI+TS20 ja BIOTRAKTORI+TS20 vaihtoehdoissa (Kuva 8). Nämä kasvihuonekaasupäästö vähenemät takaavat edelleen biokaasun luokittelun kestäväksi polttoaineeksi, kun hiilenkertyminen maaperään on huomioitu (Taulukko 6) 27

29 4.3.2 Metaanintuotanto kasvaa 20 % Kun biokaasulaitokseen syötettävän nurmen ja lannan metaanintuottopotentiaali nousee 20 %, (300 -> 360 m 3 CH 4 /t TS) myös biokaasulaitoksen energiantuotanto nousee 19 %. CHP tuotannossa (CHP+met20) laitos tuottaisi GJ/a ja liikennepolttoaineen tuotanto vaihtoehdoissa GJ/a (BIOMETAANI+met20) ja GJ/a (BIOTRAKTORI+met20) (Kuva 7). Tällöin primäärienergian kulutuksen osuus energiantuotannosta laskisi kaikissa tarkasteluvaihtoehdoissa 2,5 3,6 prosenttiyksikköä (primäärienergiankulutuksen osuus tuotosta GJ/GJ, 9 % CHP+met20, 30 % BIOMETAANI+met20, 27 % BIOTRAKTORI+met20). Biokaasulaitoksen tuottamat kasvihuonekaasupäästöt vähenevät energiayksikköä kohden 5-11 g CO 2 -ekv./mj, johtuen suuremmasta energian tuotosta, jolloin kokonaiskasvihuonekaasupäästöt jakautuvat suuremmalle energiamäärälle (Kuva 8). Nämä kasvihuonekaasupäästö vähenemät takaavat biokaasun luokittelun kestäväksi polttoaineeksi, kun hiilenkertyminen maaperään on huomioitu (Taulukko 6) 28

30 Paineistus ja puhdistus Lämpö Sähkö GJ/a Peltoviljelyn panokset Diesel kuljetus Diesel viljely Kuva 7. Biokaasulaitoksen primäärienergian kulutus (GJ/a) vuodessa eri tarkasteluvaihtoehdoissa Tuulisähkö Käyttämällä sähköntuotannossa uusiutuvia energianlähteitä voidaan biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöjä vähentää tuotettua energiayksikköä kohden liikenteen biopolttoaineen tuotantovaihtoehdoissa (BIOTUULI ja BIOTRAKTUULI). Tuulisähkön kasvihuonekaasupäästöt ovat 0 g CO 2 -ekv./mj (Keto 2010). BIOTUULI ja BIOTRAKTUULI skenaarioissa biokaasulaitoksen tuottamat kasvihuonekaasupäästöt vähenevät 11 g CO 2 - ekv./mj (Kuva 6). Tämä vähennys kasvihuonekaasupäästöissä on niin suuri, että biokaasu luokitellaan kestäväksi biopolttoaineeksi, vaikka hiilenkertymistä ei oteta laskennassa huomioon, koska päästövähennys on yli 60 %(Taulukko 6). 29

31 Kuva 8. Biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöt eri tarkasteluvaihtoehdoissa energiankulutuksen ja kasvihuonekaasupäästöjen pienentämiseksi. Kuvassa ei ole huomioitu maaperään kertyvää hiiltä. Biokaasulaitoksen energiatasetta ja samalla kasvihuonekaasupäästöjä voidaan alentaa edelleen monilla erilaisilla teknisillä ratkaisuilla. Biokaasulaitoksen biokaasureaktoria olisi mahdollista lämmittää hakelämmöllä tai pumpata ilmalämpöpumpulla poistetusta reaktorilietteestä lämpöä reaktoriin. 30

32 4.4 Vertailu muihin tutkimuksiin ja biopolttoaineisiin Biokaasulaitosten energiataseiden ja kasvihuonekaasupäästöjen vertailu eri tutkimusten välillä on hyvin hankalaa, sillä laskelmissa on käytetty erilaisia lähtöarvoja peltoviljelyn, peltoviljelyn panosten, syötteen sekä jäännöksen kuljetusmatkojen, laitoksen sähkön ja lämmöntarpeen osalta. Myös biokaasulaitoksen sijainti vaikuttaa paljon energiataseeseen, sillä esimerkiksi Saksassa biokaasureaktoreita ei juuri lämmitetä ja hehtaarilta saatavat sadot ovat paljon suurempia pidemmän ja lämpöisemmän kasvukauden takia. Pohjoisiin olosuhteisiin lasketussa nurmi biokaasun energiataseessa energiantarve oli % tuotetusta energiasta (Smyth ym., 2009) ja ruotsalaisessa tutkimuksessa % tuotetusta energiasta (Berglund & Börjesson, 2006). Suomen oloihin lasketussa nurmi biokaasuun perustuvassa biokaasun tuotannossa biokaasun panos/tuotos suhde on ollut eri tarkasteluvaihtoehdoissa % (Tuomisto & Helenius, 2008), kun tässä tarkastelussa primäärienergian kulutus tuotettua energia yksikköä kohden oli % riippuen tarkasteluvaihtoehdosta. Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi uusiutuvista lähteistä peräisin olevan energian käytön RES-direktiivissä on annettu kasvihuonekaasupäästöjen oletusarvot biopolttoaineiden ja bionesteiden viljelylle. Direktiivin arvot ovat etanolille vehnästä tuotettuna 23 g CO 2 -ekv./mj ja biodieselille rapsista tuotettuna 29 g CO 2 -ekv./mj. Näihin lukuarvoihin ei Suomessa kuitenkaan tulla pääsemään. Direktiivistä puuttuvat kuitenkin kokonaan arvot kasviperäiselle biokaasuntuotannolle. Aikaisemmissa tarkasteluissa, jotka on Suomessa tehty RES-direktiivin mukaisesti, ohran viljely etanolin tuotantoon tuotti 33,5 34,5 g CO 2 -ekv./mj ja rypsin viljely biodieselin tuotantoon tuotti g CO 2 -ekv./mj (Sinkko ym., 2010). Tässä tarkastelussa nurmenviljely biokaasun tuotantoon tuotti g CO 2 -ekv./mj riippuen tarkastelu vaihtoehdosta ja 1-17 g CO 2 -ekv./mj, jos huomioidaan nurmenviljelyn kerryttämä hiili maaperään. Aikaisemmissa tutkimuksissa nurmisäilörehua ja lantaa käyttävän biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöt ovat olleet 35 g CO 2 -ekv./mj (Sinkko ym., 2012) ja 31

33 31 34 g CO 2 -ekv./mj (Tuomisto & Helenius, 2008), jotka ovat samaa tasoa tämän tarkastelun kanssa. 5 JOHTOPÄÄTÖKSET Tässä tarkastelussa biokaasulaitoksen (7000 m 3 ) tuottama energiamäärä oli GJ/a, mikä vastaa m 3 biokaasua ( m 3 biometaania). CHP-, BIOMETAANI ja BIOTRAKTORI-vaihtoehtojen tuottivat energiaa 35880, ja GJ/a ja käyttivät systeemin rajojen ulkopuolelta tulevaa primäärienergiaa (energiatase) 11, 33 ja 30 % tuotetusta energiasta, tässä järjestyksessä. Eniten energiaa biokaasuprosessissa kuluttivat sähkö, lämpö ja biokaasun puhdistus sekä paineistus, joiden osuus energiankulutuksesta oli %. Biokaasutraktorin käyttö nurmen viljelyssä ja syötteiden sekä jäännöksen kuljetuksissa pienensi viljelytoimenpiteiden ja kuljetusten primäärienergian kulutusta lähes 50 %. Vaikka CHP-vaihtoehdon energiatase on korkein, biokaasulaitokselta myytävä energiamäärä on kaikkein pienin, koska tuotetusta energiasta käytetään sähköä ja lämpöä biokaasuprosessissa. CHP-tuotannossa syntyy myös huomattava määrä lämpöä, jolle täytyy löytää käyttökohde läpi koko vuoden. Tästä syystä monet maatilamittakaavan biokaasulaitokset Keski-Euroopassa hyödyntävät ylimääräistä lämpöenergiaa kuivattamalla haketta ja polttopuita. Jalostettaessa biokaasu kokonaan biometaaniksi ja myymällä liikennekäyttöön saadaan myytyä lähes kaksinkertainen määrä energiaa biokaasulaitoksen ulkopuolelle. Biometaania voidaan syöttää suoraan kaasuverkkoon ja käyttää liikenteen biopolttoaineena. Biokaasun tuottaminen on RES-direktiivin mukaan kestävää, koska biokaasun päästövähennykset ovat yli 60 % verrattuna vastaavaan fossiiliseen polttoaineeseen. Biokaasulaitoksen kasvuhuonekaasupäästöt olivat g CO 2 -ekv./mj riippuen biokaasu jalostuksesta. Suurimmat kasvihuonekaasupäästöt syntyivät pellon suorista ja epäsuorista dityppioksidi päästöistä g CO 2 -ekv./mj ja toiseksi eniten päästöjä aiheutti 32

34 biokaasulaitoksen käyttämä sähkö (11 g CO 2 -ekv./mj). Kun tuotetuista kasvuhuonekaasupäästöistä vähennetään nurmenviljelyn hiiltä sitova hiilivähennys, ovat koko ketjun hiilidioksidi päästöt 1,3 17 g CO 2 -ekv./mj ja päästövähenemät yli 80 %. Biokaasulaitoksen kasvihuonekaasupäästöjä voidaan vähentää käyttämällä uusiutuvia energianlähteitä sekä lämmön että sähkön tuotannossa, kuten biokaasulaitoksen lämmittäminen hakkeella ja tuuli tai aurinko sähkö käyttäminen. Biokaasun tuotannossa voidaan hyödyntää ylimääräistä nurmirehua ja sitä voidaan viljellä huonosti ruoan ja rehuntuotantoon soveltuvilla pelloilla sekä vesistöihin rajoittuvilla pelloilla estämään valumia vesistöihin. Biokaasun tuotanto soveltuu erinomaisesti luomutuotannossa olevien kasvinviljelytilojen viljelykiertoon, koska luomutuotannossa käytetään viherlannoitusnurmia. Viherlannoitusnurmien nurmibiomassa kynnetään normaalisti peltoon, mutta vaihtoehtoisesti nurmibiomassa voitaisiin korjata biokaasureaktoriin ja reaktorijäännös palauttaa peltoon, jolloin viherlannoitusnurmesta tuotettaisiin energiaa ja sen lisäksi ravinteet palautettaisiin takaisin peltoon seuraavien ruoka ja rehuntuotanto kasvien käytettäväksi. 33

35 Kirjallisuus Adato 2008, Kotitalouksien sähkönkäyttö Ahlgren, S., Hansson, P-A., Kimming, M., Aronsson, P. & Lundkvist, H Greenhouse gas emissions from cultivation of agricultural crops for biofuels and production of biogas from manure , Revised version. Dnr SLU ua /08 Berglund, M. & Börjesson, B Environmental systems analysis of biogas systems Part I: Fuel-cycle emissions. Biomass and Bioenergy 30, Dalgaard, T., Halberg, N., & Porter, JR A model for fossil energy use in Danish agriculture used to compare organic and conventional farming. Agriculture, Ecosystems and Environment 87, EU 2009, Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2009/28/EY annettu 23 päivänä huhtikuuta 2009, uusiutuvista lähteistä peräisin olevan energian käytön edistämisestä sekä direktiivien 2001/77/EY ja 2003/30/EY muuttamisesta ja myöhemmästä kumoamisesta. Finlex, 2007, Laki biopolttoaineiden käytön edistämisestä liikenteessä, Grönroos, J. & Voutilainen, P Maatalouden tuotantotavat ja ympäristö - Inventaarioanalyysin tulokset. Suomen ympäristökeskus 231. Helsinki. 34