RUOKOHELVEN BIOKAASUTUSKOKEET Loppuraportti

Transkriptio

1 RUOKOHELVEN BIOKAASUTUSKOKEET Loppuraportti Juha Luostarinen (Kannen kuva: Ruokohelpikasvusto 1. korjuun hetkellä)

2 Johdanto Ruokohelpi on Suomessa merkittävissä määrin viljelty energiakasvi, vuonna 2009 Vapo Oy:n mukaan viljelyala on noin ha ja energiantuotantoarvio 230 GWh. Ruokohelpi käytetään lähes yksinomaan energiantuotantoon kevätkorjattuna polttolaitoksissa. Yksi vaihtoehtoinen käyttötapa on hyödyntää ruokohelpi säilönurmiketjun ja fermentaatioprosessin kautta biokaasun tuotantoon, jolloin helpi on hyödynnettävissä korkealaatuisena moottoripolttoaineena, joka soveltuu myös liikennekäyttöön. Suomessa ruokohelven käyttöä biokaasun tuotantoon on aiemmin tutkittu laboratoriomittakaavassa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää ruokohelven soveltuvuutta biokaasun tuotantoon pilot - mittakaavassa ja selvittää sen biokaasuntuottopotentiaali. Ruokohelpeä biokaasureaktorissa käsiteltäessä lopputuotteena on biokaasu, jota voidaan käyttää lämmön ja sähkön tuotantoon tai autojen ja työkoneiden polttoaineena. Lopputuotteena syntyy myös maanparannusainetta, joka sisältää samat ravinteet kuin syötemateriaalissa on, tosin liukoisemmassa ja siten kasvien paremmin käytettävissä olevassa muodossa. Biokaasuteknologia on vahvasti kestävän kehityksen mukaista, sillä se yhdistää paikallisen uusiutuvan energian tuotannon ja kestävän ravinne- ja materiaalikierron. Työn on tilannut Oulunkaaren seutukunnan Uusiutuvan energian yrityskeskus -hanke. Koe- ja analyysimenetelmät Kokeet suoritettiin 2,5 m 3 :n täyssekoitteisessa mesofiilisessä (~37 C) koereaktorissa. Kokeet kestivät 68 päivää. Kaasun metaanipitoisuutta mitattiin jatkuvatoimisesti IR-mittalaitteella ja kaasun määrää paljetilavuusmittarilla. Myös reaktorin ph mitattiin jatkuvatoimisesti. Mittaustiedot tallentuivat tietokoneen kovalevylle. Kuiva-ainepitoisuus ja orgaanisen aineen määritys suoritettiin metodin 2540, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater mukaisesti. Syötteen ja reaktorilietteen kuiva-ainepitoisuus ja orgaanisen aineen osuus kuiva-aineesta määritettiin viikoittain. Reaktorilietteen puskurointikykyä mitattiin bikarbonaatti-ionien puskurointina (PA, partial alkalinity) ja haihtuvien rasvahappojen (VFA) puskurointina (IA, intermediate alkalinity). Määritykset tehtiin metodin 3230B, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater sekä artikkelin L.E. Ripley ym., 1986, Journal WPCF, Volume 58:5 pohjalta sovellettuna. Analyysit suoritettiin viikoittain. Kokeen lopussa tilattiin laajat analyysit Viljavuuspalvelu Oy:ltä eri korjuuajankohtien säilötystä ruokohelvestä sekä prosessijäännöksestä.

3 Käytetty ruokohelpi Kokeessa käytetty ruokohelpi saatiin Pohjoisen Keski-Suomen Oppimiskeskuksen viljelemältä lohkolta Saarijärveltä. Ruokohelpi korjattiin kasvuston ollessa juuri tulossa röyhylle. Kasvusto niitettiin karholle (niittokone JF 320) ja sen annettiin kuivua aurinkoisessa säässä neljän tunnin ajan. Karhot silputtiin JF FCT 900 -tarkkuussilppurilla 2-4 cm palakokoon. Korjattu rehu säilöttiin Bon Silage -biologista säilöntä-ainetta tuotteen ohjeen mukaisesti käyttäen. Rehu säilöttiin avopäätyisiin 200 litran tynnyreihin, kannen tiiveys varmistettiin silikonimassalla ja tiivistämällä lisäksi ulkoisesti pakkauskelmulla. Säilöntä onnistui hyvin, rehu oli täysin homeetonta ja tuoksu oli hyvälaatuiselle rehulle ominainen. Ruokohelven sato mitattiin kahdeksalta 0,25 m 2 alalta, ja keskimääräiseksi arvoksi saatiin 19,0 märkätonnia / ha, rehunäytteiden keskimääräisten TS- ja VS pitoisuuksien mukaan laskettuna kuiva-ainesato oli 4,5 t / ha ja orgaanisen aineen sato 4,0 t / ha. Kokeessa määritettiin myös 2. sadon määrä 5.8, jolloin Artturi -palvelun mukaan Saarijärvellä toisen sadon D-arvo arvio oli 70. Sadon määrä oli 10 märkätonnia / ha, kuiva-ainesato oli 1,9 t / ha ja orgaanisen aineen sato 1,7 t / ha. Kokonaissato (1. ja 2. sato) koelohkolta oli siis 29 t / ha, kuivaainesato 6,4 t / ha ja orgaanisen aineen sato 5,7 t / ha. Ruokohelven rehuominaisuuksista huomionarvoista on alhainen D-arvo eli sulavuus, joka kuvaa materiaalin sulavuutta pötsissä ja siten soveltuvuutta nautakarjan ruokintaan. Biokaasuprosessissa halutut ominaisuudet ovat likipitäen samoja, joten arvo on käyttökelpoinen myös biokaasuntuotantoa ajatellen. Tavoitteellinen arvo on nurmikasveilla luokkaa 70, ja hyvin sulavilla maissilajikkeilla jopa 90. Kokeessa käytetty ruokohelpi jäi alhaisemmalle tasolle, vaikka kasvuston kasvuaste ei ollut liian pitkällä ja alueelliset D-arvoennusteet odottivat perinteisille nurmikasveille luokkaa 70 olevia arvoja. Ensimmäisessä korjuussa oli mukana jonkin verran kuivaa kevätkorjuun korjuutappiota, joka alentaa sulavuutta, mutta alhainen sulavuus toistui myös 2. sadon näytteissä, joissa ylivuotista kasvustoa ei ollut mukana lainkaan. Samankaltaisia tuloksia alhaisemmista D- arvoista on saatu myös aikaisemmissa tutkimuksissa (Isolahti, Lamminen ja Huuskonen 2006) Rehuerät analysoitiin Viljavuuspalvelu Oy:ssä, analyysitulokset on esitetty taulukossa 1. Seuraavaksi syöttöön tulevasta ruokohelpierästä määritettiin joka viikon alussa kuiva-aineen ja orgaanisen kuiva-aineen osuus (taulukko 2), ja tämä huomioitiin reaktorin syöttömäärässä. TS % TVS % Energia-arvo MJ / kg ka Raakakuitu % ph D-arvo 1. sato 25,2 22,8 9,35 9,6 4,8 58,4 2. sato 18,7 16,7 9,19 7,5 5,6 57,4

4 Taulukko 2. Kokeessa käytetyn ruokohelven ominaisuudet. Kuiva-ainepitoisuus Orgaanisen aineen osuus (TS) kuiva-aineesta (VS) 1. viikko 24,9 % 91,5 % 22,8 % 2. viikko 23,7 % 90,0 % 21,4 % 3. viikko 24,0 % 89,8 % 21,5 % 4. viikko 22,0 % 93,7 % 20,7 % 5. viikko 23,2 % 88,9 % 20,6 % 6. viikko 21,0 % 87,6 % 18,4 % 7. viikko 25,2 % 90,0 % 22,7 % 8.viikko 22,8 % 87,7 % 20,0 % 9. viikko (viljavuuspalvelu) 25,2 % 90,3 % 22,8 % keskiarvo 23,7 % 89,9 % 21,2 % Biokaasutuskoe Orgaanisen kuivaaineen pitoisuus (TVS) Kokeen alussa reaktoria kuormitettiin viikon ajan alhaisemmalla kuormituksella, keskimäärin 1,5 kgvs / m 3 reaktori / päivä. Edellisten, eri materiaaleilla suoritettujen biokaasutuskokeiden jäljiltä olevat reaktorilietteen ph ja biokaasun metaanipitoisuus asettuivat tämän jakson aikana tutkitulle massalle ominaiselle tasolle, jolla ne säilyivät kokeen loppuajan. Reaktoriin syötettiin varsinaisen kokeen aikana helpeä keskimäärin 38,0 kg / m 3 reaktori / päivä, joka vastaa orgaanisena aineena kuormitusta 3 kgvs / m 3 reaktori / päivä. Viipymä oli syötön vakiinnuttua keskimäärin 66 päivää. Koe keskeyti kahdesti sekoittimen rikkouduttua muutaman päivän ajaksi kunnes varaosat saatiin hankittua. Kokeen aikana reaktorilietteen ph vakiintui tasolle 7,83 ja biokaasun metaanipitoisuus oli keskimäärin 54,1 %. Kokeen aikana ruokohelpeä syötettiin yhteensä 1953 kg. Kokeen aikana reaktorilietteen kiintoainepitoisuus nousi edellisten kaasuntuottokokeiden jäljiltä ja vakiintui tasolle 8 % (Kuva 1.) Kokeen aikana reaktorilietteen prossessin kannalta hyödynnettävissä oleva puskurointikyky (PA) ja ph nousivat hieman sopeutumisvaiheen jälkeen ja jäivät vakaalle tasolle, ja haihtuvien rasvahappojen määrä (IA) pysyi vakaalla tasolla (Kuva 2.). Puskurointikyvyn ja rasvahappojen määrää kuvaava IA/PA suhdeluku pysyi kokeen aikana kirjallisuudessa raportoidun optimaalisen 0,3 alapuolella lukuunottamatta alkupuolen sopeutimisvaiheen pientä ylitystä. (Kuva 3.)

5 PA (mg CaCO3 / l) IA (mg CaCO3 / l) ph 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6, ,0 Kuva 2. Reaktorilietteen puskurointikyky (IA) ja ph hyödynnettävissä oleva puskurointikyky (PA), rasvahappojen 0,50 IA/PA 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Kuva 3. Prosessin vakaudesta kertova IA/PA suhdeluku kokeen aikana Reaktorin vakiinnuttua ruokohelven käyttöön noin yhden hydraulisen viipymän ajan kaasuntuotto määritettiin kokeen lopusta 7 vuorokauden syötön perusteella. Säilötyn ruokohelpimassan ominaiskaasuntuotto kokeen perusteella on 53 m 3 CH4 / märkätonni tai orgaanista ainetta kohti ilmoitettuna 246 m 3 CH4 / t VS. Biokaasutuskokeessa havaittiin, että tutkitun ruokohelven sulavuus on jonkin verran alhaisempaa kuin perinteisillä nurmikasveilla. Tämä on osittain seurausta kasvilajin ominaisuuksista ja osittain massan mukana olevasta pienestä määrästä ylivuotista kortta, joka oli jäänyt lohkolle kevätkorjuun korjuutappioina. Seurauksena oli prosessin kuiva-ainepitoisuuden nousu ja partikkelien hajoamattomuus. Vastaavia ongelmia täyden mittakaavan laitoksella saattaa aiheutua mikäli korjuuta ei pystytä suorittaa optimaalisena ajankohtana, tai mikäli samoilta lohkoilta korjataan satoa kevät- ja kesäkorjuuna. Teknisenä ratkaisuna on kuitumaisen kuiva-aineen separointi kiinteäksi ja nestemäiseksi prosessijäännökseksi ja osa nesteestä palautetaan prosessiin alentamaan kuivaainepitoisuutta.

6 Ruokohelven energiapotentiaali Biokaasutuskokeiden perusteella tonnista ruokohelpeä voidaan tuottaa biokaasuna energiaa 530 kwh, josta on yhdistetyssä lämmön- ja sähköntuotannossa kaasumoottorilla hyödynnettävissä 159 kwh sähkönä ja 265 kwh lämpönä, tai liikennepolttoaineeksi puhdistettaessa saadaan biokaasuautolla 660 ajokilometriä (keskikulutus (8 Nm 3 / 100 km). Hehtaarikohtaisesti kokeen perusteella voidaan yhdeltä hehtaarilta vuodessa energiaa tuottaa 15,4 MWh tai toimittaa polttoaine yhdelle biokaasuautolle ( km / a). Vapon arvoiden mukaisesti laskettuna Suomessa ruokohelpi tuottaa keskimäärin noin 11,5 MWh / ha keväällä korjattuna ja polttolaitoksessa käytettynä. Tutkimuslohkon satotason ja suoritettujen kokeiden perusteella biokaasuketjua hyödyntämällä voidaan siis päästä samaan ellei korkeampaan energiasaantoon kuin kevätkorjuulla ja poltettaessa. Hehtaarikohtaisen energiatuoton arvioimista vaikeuttaa viljelylohkojen ja vuosien keskinäiset erot ja näiden vaikutus satotasoon. Tämän tutkimuksen perusteella ruokohelvestä saatavat hehtaarituotot kuitenkin vaikuttaisivat olevan heikompia kuin perinteisillä nurmikasveilla tai rehumaissilla. Nurmen metaanintuotto verrattuna muihin biokaasuprosessissa yleisesti käytettyihin materiaaleihin oli keskitasoista (taulukko 2). Muihin energiakasveihin verrattuna ruokohelven tuotto oli kokeiden perusteella alhaisempaa kuin muilla energiakasveilla johtuen huonommasta sulavuudesta. Tulokset poikkeavat aiemmista laboratoriomittakaavassa tehdyistä tutkimuksista, joissa ruokohelven metaanintuotto oli samaa luokkaa perinteisten rehukasvien kanssa (Lehtomäki 2006). Taulukko 2. Eri materiaalien biokaasuntuottoja Materiaali Kuiva-ainepitoisuus % Metaanintuotto Nm 3 / t Metaanintuotto Nm 3 / t orgaanista ainetta Naudan lietelanta ~ 7 % Sian lietelanta ~ 7 % Ruokohelpi ~ 23 % Perunan kuorimajäte ~ 20 % Nurmisäilörehu ~ 25 % Maissisäilörehu ~ 25 % Roskakala ~ 22 % Kotitalouksien biojäte ~ 30 % Leipomojätteet ~ 70 % Paistorasvajäte ~ 90 % Biokaasutuksella voidaan poistaa jonkin verran käsiteltävää massaa kaasumaiseksi. Ruokohelven osalta kokeen tuloksia ja massataselaskentaa käyttäen prosessin lopputuotteena saatava mädätysjäännös on massaltaan 86 % syötettävästä määrästä. Erotus poistuu prosessista hiilidioksidija metaanikaasuna. Orgaanisesta kuiva-aineesta kaasuuntuu prosessissa 65 %, joten prosessijäännös sisältää lähinnä vettä, tuhkaa ja kuitumaista hajoamatonta orgaanista ainesta.

7 Ruokohelven ravinteiden käyttäytyminen kokeessa Kokeen lopussa prosessijäännöksen lannoiteominaisuudet analysoitiin Viljavuuspalvelu Oy:ssä (taulukko 3). Raaka-aineeseen verrattuna prosessijäännöksen pitäisi teoriassa sisältää samat ravinteet kuin syötteen, sillä prosessissa ainetta poistuu ainostaan kaasun muodossa hiilenä, vetynä ja happena. Kokeen perusteella typpipitoisuus on samaa luokkaa syötteessä ja prosessijäännöksessä, mutta prosessijäännöksessä fosforin ja kaliumin pitoisuudet ovat alemmat. Selityksenä on todennäköisesti se, että kokeessa prosessijäännös poistettiin pohjan kautta, jolloin poistettava massa sisälsi enemmän saostunutta fosforia ja kaliumia, mutta Viljavuuspalveluun lähetetty näyte otettiin reaktorin keskivaihelta näytteenottoyhteestä, jolloin e. m. ravinteita näytteessä oli vähemmän. Prosessijäännöksessä liukoisen typen osuus on 76 %, jolloin lannoitekäytössä huomattava osa on kasvien välittömästi käytettävissä. Verrattuna naudan lietelantaan prosessijäännöksen ravinnepitoisuudet ovat korkeampia, tyypillinen suomalaisen lanta sisältää 3,0 kg N / t, josta liukoista 60 %, 0,5 kg P / t ja 3,3 kg K / t (Viljavuuspalvelu 2009). Prosessijäännöksen typen ja fosforin arvo on 5,7 / t, jos typen hinnaksi oletetaan 1 / kg ja fosforin 1,5 / kg. Lisäarvoa on myös orgaanisen aineen aiheuttama mullasaineen lisäys viljelymaalle. Korkeasta liukoisen typen osuudesta johtuen suositeltavin levitystapa on sijoittaminen, koska pintalevityksenä liukoisen typen haihtuminen aiheuttaa typpihäviötä. Prosessijäännös Sato 1 Sato 2 Kokonaistyppi kg / t 4,9 5,3 3,6 Liukoinen typpi kg / t 3,7 n.a n.a P kg / t 0,55 0,95 0,84 K kg / t 4,8 7,0 5,8 TS % 8,7 25,2 18,7 TVS % 6,4 22,8 16,7 Taulukko 3. Prosessijäännöksen ominaisuudet Johtopäätökset Kokeiden perusteella ruokohelpi soveltuu käytettäväksi biokaasuprosessissa ainoana syöttteenä, mikäli prosessin suunnittelussa otetaan huomioon ruokohelven käyttö. Ruokohelven käyttö yhteiskäsittelylaitoksessa energiantuoton lisääjänä muiden nurmikasvien tapaan on myös mahdollista. Ruokohelven energiantuottopotentiaali biokaasunprosessin kautta on merkittävä, mutta kokeen perusteella alhaisempi kuin rehukäyttöön kehitetyillä nurmilajikkeilla. Prosessijäännös on ravinnepitoisuudeltaan lietelantaa parempaa maanparannusainetta.