Bioenergiaselvitys. (Käännös)

Transkriptio

1 (Käännös) Bioenergiaselvitys Biopohjaisen lämmöntuotannon ja biopohjaisen sähkön ja lämmön yhteistuotannon vaatima tekniikka ja kannattavuus sekä biomassan saatavuus Paraisten kaupungin saaristo-osissa Anders Bäckman Parainen 2014

2 Esipuhe Kiinnostus bioenergiaa kohtaan on viime aikoina kasvanut voimakkaasti. Ympäristöystävällinen bioenergia on kiinnostava vaihtoehto eritoten maaseudulla, jossa metsänomistajat ja maanviljelijät saavat sitä kautta käyttöä muuten hukkaan meneville sivutuotteille. Myös EU:ssa bioenergiaan panostetaan voimakkaasti, rakennerahastojen ohjelmakauden kantavana teemana on vähähiilinen talous. Keskiössä on siirtyminen fossiilisiin raaka-aineisiin perustuvasta taloudesta resurssitehokkaampaan talouteen, joka pohjautuu uusiutuviin raaka-aineisiin ja ekosysteemipalveluiden kestävään käyttöön. Tämä selvitys on tehty Paraisten kaupungin elinkeinopalveluiden aloitteesta bioenergian edellytysten selvittämiseksi kaupungin saaristo-osissa. Selvitys on tehty yhteistyössä EUrahoitteis en EETU-hankkeen kanssa, jonka tavoitteena on tarjota yrittäjille ja yhteisöille energianeuvontaa Varsinais-Suomessa toimivan energianeuvojaverkoston kautta. 1

3 Sisällysluettelo 1 Johdanto Selvityksestä Erityiset haasteet Yleistä bioenergiasta Bioenergian nykytila Paraisten kaupungissa 8 2 Aikaisemmat bioenergiaselvitykset Nauvo Kyrkbacken vuonna Kyrkbacken vuonna Korppoo Korppoon kirkonkylää koskeva selvitys Stenbrinkin Kviståkerin aluetta koskeva selvitys Houtskari Träskin koulua koskeva selvitys Klemetsåkeria koskeva selvitys Houtskarin kansanopistoa koskeva selvitys 11 3 Biomassan esikäsittely bioenergian tuottamista varten Mekaaninen käsittely Terminen käsittely eli lämpökäsittely Kaasutus Fermentointi eli biologinen käsittely Biokaasu Mädätysjäännös Biokaasun substraatit Biomassan kemiallinen käsittely Bioöljyjen esteröinti 21 2

4 4 Lämmöntuotannon sekä sähkön ja lämmön yhteistuotannon tekniikat Lämmöntuotanto kattilassa ORC (Organic Ranking Cycle) Kuumailmaturbiini Stirlingmoottori Mikroturbiini Diesel-/kaasumoottori Höyrymoottori Polttokennot 26 5 Bioenergian tuotantoa säätelevät lait ja säädökset Jätteen polttamista koskevat säädökset Jätteen hygienisointi biokaasuntuotantoa varten Tariffijärjestelmä Biokaasupohjaisen sähkön- ja lämmöntuotannon tariffit ja preemiot Puuta raaka-aineena käyttävän sähkön ja lämmön yhteistuotannon tariffit Investointituki vuonna Saatavilla olevat biomassatyypit ja bioenergian tuottaminen niistä Biojäte ravintoloista ja yksityisistä kotitalouksista Biomassa jätevesijärjestelmästä Jätevesiliete Musta jätevesi Järviruoko Turve Puu Viljanviljelystä saatava olki Nurmenviljely Muut maatalouden sivutuotteet Peruna ja sokerijuurikas 40 3

5 6.8.2 Kasvihuoneet ja marjanviljely Lanta Teurasjäte ja kuolleet eläimet Kalajäte 43 7 Kannattavuuslaskelmat Biokaasun kannattavuus Biokaasu, substraattina viljakasvien olki Biokaasu, substraattina lehmänlanta Lämpökattiloiden kannattavuus ORC-laitosten kannattavuus Kuumailmaturbiinien kannattavuus Mikroturbiinien kannattavuus Kaasumoottoreiden kannattavuus 50 8 Yhteenveto ja päätelmät Päätelmät yksittäisistä tyyppitapauksista Tyyppitapaus 1: Nauvon kirkonkylä Tyyppitapaus 2: Korppoon kirkonkylä Tyyppitapaus 3: Stenbrink Kviståker Tyyppitapaus 4: Träskin koulu Tyyppitapaus 5: Klemetsgård Tyyppitapaus 6: Houtskarin kansanopisto 55 4

6 Liitteet 56 LIITE 1. Talbott s BG 100 -kuumailmaturbiinin kannattavuuslaskelma 56 LIITE 2. Stirlingmoottoreiden kannattavuuslaskelma 57 LIITE 3. Mikroturbiinien kannattavuuslaskelmat eri tyyppitapauksissa 58 LIITE 4. Kaasumoottoreiden kannattavuuslaskelmat eri tyyppitapauksissa 61 LIITE 5. ORC-laitosten kannattavuuslaskelmat 64 LIITE 6. Lämpökattiloiden kannattavuus 71 LIITE 7. Biokaasulaskelmat 77 Viitteet 79 Kuvaluettelo Kuva1. Vastavirtakaasutin 16 Kuva 2. Myötävirtakaasutin 16 Kuva 3. Biokaasun muodostumisprosessi 18 Kuva 4. Biokaasun valmistus- ja jalostusprosessi 19 Kuva 5. Klemetsgårdin hakelämpökeskus Houtskarissa 22 Taulukkoluettelo Taulukko 1. Aikaisemmat bioenergiaselvitykset 9 Taulukko 2. Jätevesilietteen kaasu- ja energiapotentiaali saaristossa 32 Taulukko 3. Mustan jäteveden kaasu- ja energiapotentiaali saaristossa 32 Taulukko 4. Järviruo on määrä ja energiapotentiaali poltettaessa 33 Taulukko 5. Järviruo on talvikorjuun kustannukset 34 Taulukko 6. Järviruo on metaani- ja energiapotentiaali märkämädätyksessä 34 Taulukko 7. Järviruo on metaani- ja energiapotentiaali kuivamädätyksessä 35 Taulukko 8. Arvio oljen viljelyaloista 37 5

7 Taulukko 9. Kunnanosakohtainen arvio olkisadosta 38 Taulukko 10. Kunnanosakohtainen arvio oljen sivutuotepotentiaalista 38 Taulukko 11. Kunnanosakohtainen arvio oljen biokaasupotentiaalista 38 Taulukko 12. Kunnanosakohtainen arvio oljen energiapotentiaalista poltettaessa 39 Taulukko 13. Nurmenviljelyn peltoala, satopotentiaali ja energiapotentiaali 40 Taulukko 14. Kunnanosakohtainen arvio lehmien ja kanojen määrästä 42 Taulukko 15. Kunnanosakohtainen arvio hevosten ja ponien määrästä 42 Taulukko 16. Kunnanosakohtainen arvio eläintenlannan metaani- ja energiapotentiaalista 42 Taulukko 17. Kannattavuuslaskelmien tyyppitapaukset 45 Taulukko 18. Lehmänlantapohjaisen biokaasun kannattavuuslaskelmat tyyppitapauksissa Taulukko 19. Olkea polttoaineena käyttävien lämpökattiloiden kannattavuuslaskelmat tyyppitapauksissa Taulukko 20. Puuta polttoaineena käyttävien lämpökattiloiden kannattavuuslaskelmat 47 Taulukko 21. Puuta polttoaineena käyttävien ORC-laitosten kannattavuus 47 Taulukko 22. Olkea polttoaineena käyttävien ORC-laitosten kannattavuus 48 Taulukko 23. Mikroturbiinien kannattavuus 49 Taulukko 24. Kaasumoottoreiden kannattavuus 50 Taulukko 25. Kannattavuuden tunnusluvut tyyppitapauksessa 1 52 Taulukko 26. Kannattavuuden tunnusluvut tyyppitapauksessa 2 53 Taulukko 27. Kannattavuuden tunnusluvut tyyppitapauksessa 3 53 Taulukko 28. Kannattavuuden tunnusluvut tyyppitapauksessa 4 54 Taulukko 29. Kannattavuuden tunnusluvut tyyppitapauksessa 5 54 Taulukko 30. Kannattavuuden tunnusluvut tyyppitapauksessa

8 1 Johdanto 1.1 Alustus Bioenergia on viime vuosina noussut pinnalle öljyn ja energian hinnan noustessa. Tämän myötä monet sellaiset biopolttoaineisiin perustuvat ratkaisut, jotka aikaisemmin eivät ole olleet taloudellisesti kilpailukykyisiä, ovat nyt sellaisia. Energian ja öljyn hinnan odotetaan tulevaisuudessa edelleen nousevan, mikä osaltaan voidaan nähdä syyksi selvittää erilaisten bioenergiaratkaisujen kannattavuutta. Bioenergiaratkaisujen parempi taloudellinen kilpailukyky on saanut aikaan myös sen, että niihin liittyvä tekniikka on kehittynyt ja kaupallistunut. Myös tästä syystä erilaisten bioenergiaratkaisujen kannattavuutta on perusteltua selvittää. Tämän selvityksen tarkoituksena on selvittää keskitetyn eli useamman kuin yhden kotitalouden lämmöntuotannon sekä sähkön ja lämmön yhteistuotannon edellytyksiä. Selvityksessä on tehty arvio potentiaalisten raaka-aineiden määrästä ja luotu yleiskatsaus tarkoitukseen soveltuvista tekniikoista. Huomioon on otettu sekä tekniset että taloudelliset näkökohdat, lainsäädännön vaikutus toimintaan ja erilaisten tukien maksamisen ehdot. Tämän perusteella on arvioitu erilaisten polttoaineiden ja tekniikoiden soveltuvuutta erilaisiin tarpeisiin saaristossa. Kunnan saaristo-osissa aikaisemmin tehtyjä kaukolämpöselvityksiä on käytetty tyyppitapauksina arvioitaessa erilaisten skenaarioiden kannattavuutta, ja kyseisten selvitysten tulokset voitaneen nähdä suuntaa antavina toisille vastaavantyyppisille tapauksille. Tämä selvitys on esiselvitys, eli se antaa karkean arvion käsiteltävästä aihealueesta. Siinä voi olla merkityksellisiä virhelähteitä ja numeeriset tulokset voivat heittää kymmeniä prosentteja. Koska selvityksen tiedot on koottu monista eri-ikäisistä lähteistä, ne eivät myöskään ole täysin vertailukelpoisia keskenään. Selvityksen tarkoituksena on antaa yleiskuva käsiteltävästä aiheesta ja suuntaviivat sille, mihin keskittyä tulevissa yksityiskohtaisemmissa selvityksissä. Tämä selvitys ei myöskään ole tieteellinen tutkimus, vaan konsulttiraporttimuotoinen selvitys. Tämä on mahdollistanut viitteiden pois jättämisen silloin, kun niiden on katsottu olevan epäolennaisia tai lukukokemusta häiritseviä. Raporttimuodon valitseminen on myös ollut tietoinen valinta, jotta viiteluettelosta on voitu jättää pois esimerkiksi niiden henkilöiden nimet, joiden kanssa on käyty epävirallisia keskusteluja. 1.2 Erityiset haasteet Saaristo on monin tavoin ainutlaatuinen, ja tästä seuraa monia mahdollisuuksia, mutta myös haasteita. Saaristossa toiminta on useimmiten pienimuotoista ja yhdyskuntarakenne hajanainen. Kuljetusmatkat ovat usein pitkiä ja liikenneyhteydet huonommat kuin mantereella. Tämän vuoksi monet asiat on usein ratkaistava paikallisesti, käytettävissä olevin paikallisin resurssein. Tämä pätee suurelta osin myös energiahuoltoon. 7

9 1.3 Yleistä bioenergiasta Bioenergia on biomassaan perustuvaa energiaa. Bioenergia ei ole synonyymi ympäristöystävälliselle energialle tai ekologisesti kestäville energiaratkaisuille, sillä esimerkiksi tuulienergiaa ja maalämpöä ei katsota bioenergiaksi ja turpeen käyttöä energianlähteenä voidaan pitää ympäristölle haitallisena. Bioenergiaratkaisuja voidaan käyttää sähkön, lämmön tai liikennepolttoaineiden tuottamiseen. Bioenergiaa tuotettaessa tapahtuu aina biomassan palamista. Tämä merkitsee sitä, että biomassaan perustuva sähköntuotanto ei ole mahdollista ilman, että samanaikaisesti syntyy lämpöä, vaikka lämpö joissakin tapauksissa voidaankin jättää hyödyntämättä. Biomassaa käytetään tämän vuoksi usein yhdistettyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon, vaikka myös pelkän lämmön tuottaminen on yleistä. Yhdistetystä sähkön- ja lämmöntuotannosta käytetään nimitystä CHP-tuotanto (Combined Heat and Power Production) tai sähkön ja lämmön yhteistuotanto. Ennen polttamista biomassa on yleensä esikäsitelty joko mekaanisesti tai termisesti (eli lämpökäsitelty), fermentoitu (eli bakteerikäsitelty) taikka käsitelty kemiallisesti. Tyypillisiä biopolttoaineen lähteitä ovat puu ja muut metsätalouden tähteet, maatalouden tähteet, energiakasvit, karjaeläinten uloste, jätevesijärjestelmistä saatava biomassa, yksityisten kotitalouksien ja ravintoloiden biojätteet sekä elintarviketeollisuuden tähteet. (U. S. Environmental Protection Agency 2007.) Näiden lisäksi selvityksessä on tutkittu myös mahdollisuutta tuottaa bioenergiaa teurasjätteestä, kalastuksen, kalanviljelyn ja turkistarhauksen tähteistä ja jätteistä sekä järviruo osta ja turpeesta. 1.4 Bioenergian nykytila Paraisten kaupungissa Bioenergian tuotanto Paraisten kaupungissa perustuu nykyisin pääasiassa puuhakkeen polttamiseen. Paraisten Kaukolämmöllä on Lehtiniemessä biolämpökeskus, jossa on 8 MW:n hakekattila, ja sinne ollaan parhaillaan rakentamassa toista, teholtaan 4 MW:n hakekattilaa. Houtskarissa Träskin koululla ja Klemetsåkerissa on lisäksi pienemmät, lähilämpöä tuottavat hakelämpökattilat. Iniössä sijaitsevan Lyckans Fisk -nimisen yrityksen kalanperkaamossa syntyvä rasva kuljetetaan Uuteenkaupunkiin, jossa se käytetään biodieselin tuottamiseen. 8

10 2 Aikaisemmat bioenergiaselvitykset Nauvossa, Korppoossa ja Houtskarissa on tehty muutamia aikaisempia selvityksiä erilaisista lähija kaukolämmön tuotantoon soveltuvista, puuhakkeen polttamiseen perustuvista bioenergiavaihtoehdoista. Kyseisiä selvityksiä on käytetty tämän selvityksen pohjana energian- ja tehontarpeen sekä lämpöverkon pituuden jne. osalta. Selvitykset voidaan myös nähdä tyyppitapauksina muista vastaavanlaisista paikoista. Alla on käyty lyhyesti läpi aikaisemmat selvitykset. Tiedot niistä on koottu myös taulukkoon 1. Taulukko 1. Aikaisemmat bioenergiaselvitykset Selvitys Lämpöenergian tarve, MWh Tehontarve, MW Lämpöverkon pituus, metriä Nauvo , Nauvo , Korppoon kirkonkylä 957 0, Stenbrink Kviståker 563 0, Träskin koulu 225 0,185 0 Klemetsgård 563 0, Houtskarin kansanopisto 448 0, Nauvo Nauvon Kyrkbackenin alueelle on tehty kaksi selvitystä. Ensimmäisen teki Nauvon kunta vuonna 2005 ja toisen Länsi-Turunmaan kaupunki yhteistyössä Kustens skogscentralin kanssa vuonna Tämän jälkeen muutamat kiinteistöistä ovat hankkineet maalämmön, mikä laskee energiantarvetta, ellei niiden tilalle kytketä korvaavia kiinteistöjä Kyrkbacken vuonna 2005 Selvitys on tehty alueelle, jonka vuotuinen kokonaislämmöntarve on kwh ja kokonaistehontarve kw. Selvityksessä ehdotettiin teholtaan 0,8 MW:n hakekattilan hankkimista sekä öljykattilan hankkimista lämmöntuotantoon lämmönkulutuksen ollessa korkeimmillaan. Lämpöverkon pituudeksi arvioitiin metriä Kyrkbacken vuonna 2011 Selvitys on tehty alueelle, jonka vuotuinen kokonaislämmöntarve on kwh ja kokonaistehontarve kw. Selvityksessä ehdotettiin teholtaan 1 MW:n hakekattilan hankkimista sekä öljykattilan hankkimista lämmöntuotantoon lämmönkulutuksen ollessa korkeimmillaan. Lämpöverkon pituudeksi arvioitiin metriä. 9

11 2.2 Korppoo Paraisten kaupunki on tehnyt selvityksen Korppoon kirkonkylälle vuonna 2012 yhteistyössä Kustens skogscentralin kanssa. Lisäksi on tehty lähilämpöselvitys Stenbrinkin Kviståkerin alueella. Stenbrinkin Kviståkerin aluetta koskevan selvityksen on tehnyt BioEnergy Team Finland Oy vuonna Korppoon kirkonkylää koskeva selvitys Selvitys on tehty kirkonkylän alueelle, joka käsittää myös Stenbrinkin ja Kviståkerin alueen, josta tehtiin selvitys vuonna Selvitys on tehty alueelle, jonka vuotuinen kokonaislämmöntarve on 957 kwh ja kokonaistehontarve 407 kw. Selvityksessä arvioitiin, että lämmönjakokanavaa tarvittaisiin noin 700 metriä Stenbrinkin Kviståkerin aluetta koskeva selvitys Arvioitu vuotuinen lämpöenergian kokonaistarve oli Stenbrinkin osalta 323 MWh ja Kviståkerin osalta 240 MWh eli yhteensä 563 MWh. Tehontarve oli Stenbrinkin osalta 186 kw ja Kviståkerin osalta 119 kw. Yhteensä tehontarve oli 305 kw. Selvityksen mukaan lämpökeskukselta pitäisi rakentaa 150 metrin lämpöjohto. 2.3 Houtskari Houtskarissa on tehty lähilämpöselvitykset Träskin koululle, Klemetsåkeriin ja Houtskarin kansanopistolle. Ne kaikki on tehnyt BioEnergy Team Finland Oy vuonna Tällä hetkellä Paraisten kaupungilla on käytössä hakekattila Träskin koululla ja Klemetsåkerissa Träskin koulua koskeva selvitys Selvityksen mukaan vuotuinen kokonaislämmöntarve oli 225 MWh ja kokonaistehontarve 185 kw. Laskelmaan ei ole sisällytetty lämpöverkkoa, koska kaikki Träskin koulun yhteydessä olevat kiinteistöt sijaitsevat niin lähellä toisiaan. Selvityksen jälkeen paikalle on rakennettu hakekattila Klemetsåkeria koskeva selvitys Arvioitu vuotuinen lämpöenergian kokonaistarve on Fridhemin osalta 353 MWh ja Ängeshusetin osalta 115 MWh eli yhteensä 563 MWh. Tehontarve on Fridhemin osalta 173 kw ja Ängeshusetin osalta 45 kw. Yhteensä tehontarve on 218 kw. Selvityksen mukaan lämpökeskukselta pitäisi rakentaa 150 metrin lämpöjohto. Selvityksen jälkeen paikalle on rakennettu hakekattila. 10

12 2.3.3 Houtskarin kansanopistoa koskeva selvitys Houtskarin kansanopistolla on kaksi erillistä rakennusryhmää 100 metrin etäisyydellä toisistaan. Toinen rakennusryhmä sijaitsee rannassa, ja sen osalta selvityksessä on pohdittu myös merilämpöä. Hieman etäämmällä rannasta sijaitsevan rakennusryhmän vuotuinen lämmöntarve on 296 MWh ja tehontarve 148 kw. Meren äärellä sijaitsevan rakennusryhmän lämmöntarve on 152 MWh ja tehontarve 76 kw. Yhteensä rakennusryhmien lämmöntarve on 448 MWh ja tehontarve 224 kw. 11

13 3 Biomassan esikäsittely bioenergian tuottamista varten Biomassa on käytännössä aina esikäsiteltävä ennen kuin sitä voidaan hyödyntää sähkön tai lämmön tuottamiseen taikka käyttää liikennepolttoaineena. Erilaiset esikäsittelymenetelmät voidaan jakaa karkeasti mekaaniseen esikäsittelyyn, termiseen käsittelyyn, fermentointiin ja kemialliseen käsittelyyn. Usein käytetään useamman käsittelymenetelmän yhdistelmiä. Mekaanisessa käsittelyssä biomassa hienonnetaan mekaanisesti tai puristetaan esimerkiksi pelleteiksi. Biomassan kemiallinen koostumus ei muutu. Tyypillinen esimerkki mekaanisesta käsittelystä on puutavaran haketus. Mekaanisesti käsitelty biomassa poltetaan tavallisesti kiinteän polttoaineen kattiloissa. Termisessä käsittelyssä biomassa lämpökäsitellään, mikä muuttaa sen kemiallista rakennetta. Biomassan lämpökäsittelyssä syntyy tavallisesti sekä kaasumaisessa, nestemäisessä että kiinteässä olomuodossa olevia palavia tuotteita. Tätä kutsutaan pyrolyysiksi. Reaktion ohjaamistavasta riippuen syntyy erisuuruisia määriä kaasumaisia, nestemäisiä ja kiinteitä tuotteita. Fermentoinnissa biomassaa, jota tässä yhteydessä kutsutaan substraatiksi, käsitellään bakteereilla niin, että osa biomassasta muuttuu haluttuun muotoon. Fermentointia käytetään esimerkiksi biokaasun tuotannossa ja etanoliksi käytettäessä. Kemiallinen käsittely on melko epätavallista CHP-yhteyksissä, mutta sitä käytetään esimerkiksi valmistettaessa biodieseliä kasvi- tai eläinperäisistä bioöljyistä. Poltettaessa tai jalostettaessa biomassaa sähkön ja lämmön yhteistuotantoon polttoaineen kosteuspitoisuudella, palamislämpötilalla sekä ilman pääsyllä prosessiin on ratkaiseva merkitys. Yleensä polttoaineesta tuotettavissa olevan energian määrä laskee, mitä kosteampaa polttoaine on, koska osa tuotettavasta energiasta on käytettävä kosteuden höyrystämiseen polttoaineesta. Liian korkea kosteuspitoisuus voi häiritä myös biomassan termistä kaasutusta, kun taas biokaasun valmistuksessa substraatin tietty kosteuspitoisuus on välttämätöntä. Palamislämpötilasta riippuen palamisessa muodostuu erilaisia tuotteita. Mitä korkeampi lämpötila on, sitä täydellisempää palaminen yleensä on ja sitä vähemmän muodostuu haitallisia tuotteita. Liian korkeista lämpötiloista saattaa kuitenkin seurata tuhkan sulamiseen liittyviä ongelmia. Biomassan lämpökäsittelyssä eli pyrolyysissä lämpötila ohjaa ratkaisevalla tavalla muodostuvien tuotteiden suhdetta. Biokaasun valmistuksessa oikean lämpötilan ylläpitäminen on tärkeää, sillä biokaasua tuottavat bakteerit ovat aktiivisimmillaan tiettyjen määrättyjen lämpötilarajojen sisällä. Palamisessa on tärkeää, että prosessiin pääsee riittävästi ilmaa niin, että palaminen on täydellistä eikä haitallisia palamistuotteita synny. Liiallinen ilmansaanti voi kuitenkin olla haitallista, koska ilma voi laskea palamislämpötilaa ja kuljettaa mukanaan pois epätäydellisesti palaneita kaasuhiukkasia, jotka voivat olla haitallisia ympäristölle. Biomassan termisen käsittelyn ja biokaasun valmistuksen tulee tapahtua vähähappisessa tai hapettomassa ympäristössä, eli niin, että prosessiin pääsee vain vähän tai ei lainkaan ilmaa. 12

14 3.1 Mekaaninen käsittely Mekaanisessa käsittelyssä biomassa kerätään ja esikäsitellään niin, että se soveltuu poltettavaksi tai että muut esikäsittelymenetelmät ovat mahdollisia. Tyypillisiä biomassan mekaanisia esikäsittelymenetelmiä ovat kuivaus, vedenerotus ja hienonnus jauhattamalla, murskaamalla, hiertämällä tai hakettamalla. Biomassa voidaan myös puristaa esimerkiksi briketeiksi tai pelleteiksi taikka koota paaleiksi kuljetuksen ja polttamisen helpottamiseksi. Myös kasviöljyjen puristaminen esimerkiksi öljykasveista on mekaanista esikäsittelyä. Polttoaineita, jotka usein esikäsitellään pelkästään mekaanisesti, ovat puuperäiset polttoaineet, olki, turve ja järviruoko. Monissa maissa myös eläinten uloste ja jätevesiliete poltetaan pelkän mekaanisen käsittelyn jälkeen, mutta Suomessa se on lainsäädännöllisistä syistä mahdollista vain suurissa jätteenpolttolaitoksissa, eikä sitä näin ollen käsitellä tässä selvityksessä. Tässä selvityksessä on tutkittu yksityiskohtaisesti vain pelkästään mekaanisesti käsitellyn puuhakkeen ja oljen polttamisen kannattavuutta. Kunnan alueella saatavilla olevan turpeen määrä katsottiin liian pieneksi, ja alustavien järviruokoa koskevien laskelmien mukaan järviruo on polttamisesta saatavan kokonaisenergian arvo jää pienemmäksi kuin mitä sen korjuu ja kuljetus polttolaitokselle maksaisivat. Puuhaketta ja olkea voidaan polttaa kiinteän polttoaineen kattiloissa lämmön tuottamiseksi lähija kaukolämpöverkkoon. Jos halutaan tuottaa myös sähköä, polttolaitokseen on kytkettävä sähkögeneraattori. Tavallinen tapa tuottaa sähköä palamislämmöstä on klassinen lauhdevoimalaitos, jossa lämpöä käytetään kuumentamaan vettä, joka höyrystyy ja pyörittää turbiinia, joka puolestaan pyörittää sähkögeneraattoria. Höyryturbiinia käyttävien lauhdevoimalaitosten kokonaishyötysuhde on yleensä noin 90 % siten, että energiasta voidaan hyödyntää lämpönä noin 60 % ja sähkönä noin 30 %. Sähköteholtaan alle 2 MW:n sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitokset ovat osoittautuneet taloudellisesti kannattamattomiksi (Bionova Consulting 2011). Koska lämmöntarve saariston eri paikoissa on huomattavasti pienempi kuin lämpömäärä, joka vaadittaisiin, jotta höyryturbiinitekniikkaan perustuva sähkön ja lämmön yhteistuotanto olisi kannattavaa, kyseisestä tekniikasta ei ole tehty kannattavuuslaskelmia tässä selvityksessä. Kannattavuuslaskelmat on sen sijaan tehty ORC-tekniikkaan (Organic Ranking Cycle) ja kuumailmaturbiineihin perustuvista CHP-laitoksista. Kävi ilmi, että ORC-laitoksia voidaan oikeiden edellytysten täyttyessä käyttää taloudelliseen sähkön ja lämmön yhteistuotantoon Paraisten kaupungin saaristo-osissa. 3.2 Terminen käsittely eli lämpökäsittely Kun biomassa lämpökäsitellään tarpeeksi korkeissa lämpötiloissa vähähappisessa ympäristössä, sen kemiallinen koostumus ja osittain myös olomuoto muuttuvat lämpökäsittelyn seurauksena. Tätä kutsutaan pyrolyysiksi. Syntyvien tuotteiden energiasisältö on teoriassa sama kuin raakaaineen, mutta energian tuottaminen niistä voi pyrolyysin seurauksena olla käytännössä helpompaa, minkä vuoksi energian käyttäminen materiaalin kuumentamiseen voi olla perusteltua. 13

15 Käytännössä prosessiin saadaan energiaa usein niin, että osa raaka-aineesta poltetaan lämpöenergian valmistamiseksi prosessia varten. Tämä vaatii sitä, että prosessiin pääsee tietty kontrolloitu määrä ilmaa. Biomassan pyrolyysissä muodostuu useimmissa tapauksissa aina sekä kaasumaisessa, nestemäisessä että kiinteässä olomuodossa olevia tuotteita. Pääasiassa pyrolyysin lämpötilasta riippuen kaasumaisessa, nestemäisessä ja kiinteässä olomuodossa oleviksi tuotteiksi muuttuu erisuuruisia osia biomassasta. Korkeat lämpötilat ohjaavat pyrolyysireaktiota sellaiseen suuntaan, että syntyy pääasiassa kaasumaisessa olomuodossa olevia tuotteita. Pyrolyysikaasu koostuu pääosin vedystä (H 2 ), metaanista (CH 4 ), hiilimonoksidista (CO) ja hiilidioksidista (CO 2 ). Sitä voidaan polttaa sähkön ja lämmön yhteistuotantoon tarkoitetuissa kaasumoottoreissa tai kaasuturbiineissa. Biomassan kaasutukseen perustuvia, erikokoisia sähkön ja lämmön yhteistuotantoon tarkoitettuja kaupallisia laitoksia on useita erityyppisiä. Käytettävä tekniikka on suhteellisen uusi. Matalammissa, noin 500 C:n pyrolyysilämpötiloissa muodostuu pääasiassa ns. pyrolyysiöljyä, joka on erilaisten bioöljyjen seos. Pyrolyysiöljyn lämpöarvo on yleensä tavallisen polttoöljyn lämpöarvoa pienempi ja sen varastointikestävyys on huonompi. Tästä huolimatta sitä käytetään jonkin verran polttoöljyn korvaajana. Siitä voidaan myös jatkojalostaa biodieseliä. Itse pyrolyysiöljyn tuottamiseen käytettävä tekniikka on vanha, esimerkiksi terva on eräänlainen pyrolyysiöljy, mutta tekniikkaa on alettu käyttää kaupallisesti vasta melko hiljattain. Kaupalliset pyrolyysiöljyn tuotantolaitokset ovat suhteellisen suuria. Ne tuottavat päivässä vähintään kymmeniä tonneja pyrolyysiöljyjä. Sen kokoluokan kaupallisia sovelluksia ei ole olemassa, jotka soveltuisivat pienimuotoiseen tuotantoon saaristossa C:n pyrolyysilämpötiloissa muodostuu pääasiassa kiinteitä tuotteita. Tällaista biomassan käsittelyä kutsutaan torrefioinniksi. Torrefioinnissa biomassa paahdetaan niin, että kosteus ja osa haihtuvista pyrolyysikaasuista poistuvat biomassasta, mikä parantaa tuotteen palamisominaisuuksia ja lisää sen energia-arvoa suhteessa sen painoon. Torrefioimalla valmistetaan esimerkiksi puuhiiltä. Sähkön ja lämmön yhteistuotantoon käytettävän biomassan kaupalliseen torrefiointiin soveltuvasta tekniikasta on toistaiseksi olemassa vähän kaupallisia sovelluksia. Biomassan torrefiointia hyödyntäviä pilottilaitoksia on useita, mutta ne ovat kapasiteetiltaan niin suuria, etteivät ne sovellu pienimuotoiseen käyttöön Paraisten kaupungin saaristo-osissa. Koska ainoa biomassan termistä käsittelyä hyödyntävä sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitostyyppi, joka on pienimuotoisessa kaupallisessa käytössä, ovat kaasutuslaitokset, tässä selvityksessä on tutkittu yksityiskohtaisesti ainoastaan niitä. Alustavien kannattavuuslaskelmien mukaan nämä laitokset voivat joissakin tapauksissa olla taloudellisesti itsensä kannattavia Paraisten kaupungin saaristo-osissa. 14

16 3.2.1 Kaasutus Biomassan kaasutuksessa biomassa altistetaan lyhyeksi aikaa yli 700 C:n lämpötiloille, jolloin se kaasuuntuu käytännössä kokonaan. Tällä tavalla valmistettua kaasua kutsutaan synteesikaasuksi. Prosessi on melko herkkä ja vaatii prosessiin syötettävältä biomassalta tasalaatuisuutta ja ennen kaikkea tasaista kosteuspitoisuutta. Oletetun kosteuspitoisuuden ylittävä kosteuspitoisuus laskee kaasutussäiliön lämpötilaa ja häiritsee kaasutusprosessia, mikä voi johtaa lisääntyneeseen tervan eli pyrolyysiöljyn tuotantoon. Tästä syystä kaasutettava biomassa on yleensä kuivattava ennen kaasutusta. Se on myös hienonnettava sopivan kokoiseksi erilaisilla mekaanisilla prosesseilla. Kaasutusprosessin herkkyyden takia kaasutukseen perustuvaa sähkön ja lämmön yhteistuotantoa on pidetty epäluotettavana. Kaasutettavan biomassan tarkoituksenmukaisen esikäsittelyn ja varastoinnin pitäisi kuitenkin poistaa tämä ongelma. Kaasuttimia on useantyyppisiä, mutta pienimuotoisiin ratkaisuihin käytetään ainoastaan kiinteäpetikaasuttimia. Kaasutin kytketään vuorostaan sähköntuotantolaitokseen. Pienessä mittakaavassa käytetään sähköteholtaan 2 20 kw:n ns. stirlingmoottoreita, sähköteholtaan kw:n mikroturbiineja ja sähköteholtaan jopa 2000 kw:n diesel-/kaasumoottoreita. Tarkoitusta varten ollaan kehittämässä polttokennoja, mutta ne eivät vielä ole lyöneet itseään läpi kaupallisesti synteesikaasuun perustuvassa sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Stirlingmoottoreiden ja mikroturbiinien sähköhyötysuhde on yleensä % ja lämmöntuotannon hyötysuhde %. Diesel-/kaasumoottoreiden sähköhyötysuhde on yleensä % ja lämmöntuotannon hyötysuhde %. (Europaeus 2014.) Pienimuotoiset kiinteäpetikaasuttimet voidaan jakaa karkeasti kahteen eri tyyppiin: myötävirtakaasuttimiin ja vastavirtakaasuttimiin. Molemmissa kaasutintyypeissä polttoaine syötetään kaasuttimen yläosasta. Vastavirtakaasuttimessa ilma syötetään kaasuttimen alaosasta ja se liikkuu vastakkaiseen suuntaan polttoaineeseen nähden. Syntyvä tuotekaasu tulee ulos reaktorin yläosasta, minkä jälkeen se voidaan polttaa tai varastoida. (Svenskt Gastekniskt Center AB 2011.) 15

17 Kuva 1. Vastavirtakaasutin Lähde: Svenskt Gastekniskt Center AB (2011) Myös myötävirtakaasuttimessa polttoaine syötetään kaasuttimen yläosasta. Syntyvä tuotekaasu tulee ulos reaktorin alaosasta. Vastavirtakaasuttimet kestävät yleensä paremmin kosteaa polttoainetta, mutta syntyvän tuotekaasun terva- eli pyrolyysiöljypitoisuus on korkeampi kuin myötävirtakaasuttimissa. (Svenskt Gastekniskt Center AB 2011.) Kuva 2. Myötävirtakaasutin Lähde: Svenskt Gastekniskt Center AB (2011) Riippuen siitä, millä tekniikalla syntyvä tuotekaasu poltetaan sähkön ja lämmön yhteistuotantoa varten, voidaan päästä erilaisiin kannattavuustasoihin. Erilaisia moottoreita tai turbiineja voidaan 16

18 käyttää riippuen siitä, kuinka mittavaa sähkön ja lämmön yhteistuotanto on. Tässä selvityksessä on tutkittu tarkemmin ainoastaan stirlingmoottoreita, mikroturbiineja ja diesel-/kaasumoottoreita, koska vain niistä on esimerkkejä pienimuotoisessa kaupallisessa sähkön ja lämmön yhteistuotannossa ja vain niiden käyttö- ja investointikustannuksista on olemassa luotettavaa taloudellista tietoa. Teknisesti myös se on mahdollista, että tuotettava kaasu poltetaan lämmönvaihtimella varustetussa lämpökattilassa, joka on kytketty esimerkiksi höyryturbiiniin, ORC-moduuliin tai kuumailmaturbiiniin, mutta tällaisista kaupallisista sovelluksista on ollut vaikea löytää tietoa. 3.3 Fermentointi eli biologinen käsittely Ylivoimaisesti tavallisin fermentointitekniikka, jota käytetään jalostettaessa biomassasta polttoainetta sähkön ja lämmön yhteistuotantoon, on fermentointi biokaasuksi. Brasiliassa myös käyttämällä valmistettua etanolia hyödynnetään voimaloissa polttoaineena, mutta aihetta ei ole tutkittu tarkemmin tässä selvityksessä, koska kyse on uudesta ilmiöstä ja kaikki käytössä olevat etanolivoimalat ovat suhteellisen suuria ja siten huonosti pienen mittakaavan saaristoolosuhteisiin soveltuvia. Suomessa käyttämällä valmistettua etanolia hyödynnetään sen sijaan liikennepolttoaineiden lisäaineena Biokaasu Biokaasua syntyy, kun bakteerit hajottavat helposti hajoavaa orgaanista jätettä hapettomassa ympäristössä. Biokaasun palava komponentti koostuu pääasiassa metaanista (CH 4 ). Muita, palamattomia ainesosia ovat hiilidioksidi ja vesi. Kaikki biomassa ei sovellu biokaasun valmistukseen, vaan biomassan on oltava biologisesti helposti hajoavaa. Puu ei näin ollen sovellu biokaasuntuotantoon, koska puun lahoaminen kestää kauan. Myöskään oljen mädätys ei ole täysin ongelmatonta, koska olki sisältää puun tavoin mädätysprosessia häiritsevää ligniiniä. Oljen puuta pienemmän ligniinisisällön johdosta olkea voidaan kuitenkin käyttää biokaasuntuotantoon, mutta se vaatii pidemmät mädätysajat ja siten suuremman biokaasureaktorin kuin muut mädätettävät substraatit. Sen sijaan esimerkiksi karjaeläinten uloste, jätevesiliete sekä teurasjäte ja kalanperkeet ovat erinomaisia substraatteja biokaasuntuotantoon. Biokaasun valmistus on kolmivaiheinen prosessi, jossa useat erityyppiset bakteerit toimivat yhdessä. Prosessin ensimmäinen vaihe on hydrolyysi, jossa biomassan sisältämät aineet pilkkoutuvat pienemmiksi ainesosiksi, hiilihydraateiksi, rasvoiksi ja proteiineiksi, jotka entsyymit vuorostaan pilkkovat sokereiksi, glyseroliksi ja aminohapoiksi. Toisessa vaiheessa, hapon muodostuksessa, nämä muuttuvat hiilidioksidiksi, vetykaasuksi ja etikkahapoksi. Prosessin viimeisessä vaiheessa, metaanin muodostuksessa, metaania muodostuu pääasiassa etikkahaposta, mutta myös vetykaasusta. Kaikki nämä prosessit tapahtuvat käytännössä samanaikaisesti fermentoinnin käynnistyttyä ja ne ovat monin eri tavoin kytköksissä toisiinsa monimutkaisessa riippuvuussuhteessa. Muun muassa prosessien lämpötila ja ph-arvo eli happamuus vaikuttavat ratkaisevasti siihen, kuinka hyvin biokaasun valmistusprosessi etenee. (Pettersson 2013.) 17

19 Kuva 3. Biokaasun muodostumisprosessi Lähde: Ek (2007) Mädätyslämpötilasta riippuen biokaasuntuotanto voidaan luokitella joko mesofiiliseksi tai termofiiliseksi. Lämpötilan avulla mädätysprosessin eri vaiheita voidaan edistää, sillä biokemialliset prosessit ovat herkkiä lämpötiloille. Mesofiilinen mädätys tapahtuu C:n lämpötilassa, kun taas termofiilinen mädätys tapahtuu yli 45 C:n lämpötilassa. Yli C:n lämpötilassa metaanintuotanto pysähtyy. (Pettersson 2013.) Biokaasuntuotannossa erotetaan myös märkämädätys ja kuivamädätys. Märkämädätys on näistä kahdesta ylivoimaisesti tavallisin prosessi. Märkämädätyksessä mädätetään biomassaa, jonka kuiva-ainepitoisuus on enintään 15 %. Märkämädätyksen etuna on se, että substraatista tulee helposti käsiteltävää, koska sitä voidaan pumpata. Substraatin tulee olla hienojakoista ja sitä on sekoitettava mädätysprosessin aikana. Märkämädätyksessä substraattia voidaan syöttää mädätyssäiliöön jatkuvasti, kun taas kuivamädätys tapahtuu erissä. Kuivamädätys soveltuu ensisijaisesti kiinteiden substraattien, kuten energiakasvien ja hevosenlannan, mädätykseen. Kuivamädätyksessä substraatin kuiva-ainepitoisuus on usein % ja substraatti mädätetään kiinteässä olomuodossa. Kuivamädätyksessä substraatin viipymäajat mädätyssäiliössä ovat tavallisesti pidempiä kuin märkämädätyksessä. Tässä selvityksessä on tarkasteltu yksityiskohtaisesti ainoastaan märkämädätystä, koska saatavilla olevan hevosenlannan määrä oli niin pieni, että biokaasuntuotantoa ei ole mahdollista perustaa hevosenlannan varaan. Energiakasvien käyttö on suljettu pois, koska energiakasveja on saatavilla vain pieniä määriä ja niiden viljelyyn pitäisi käyttää huomattavaa osaa saariston pelloista, jotta niillä olisi minkäänlaista taloudellista merkitystä. Biokaasun saannon määrä vaihtelee käytettävästä substraatista riippuen. Erilaisia substraatteja yhdistämällä voidaan usein saavuttaa suurempi saanto kuin vain yhden substraatin mädätyksellä. Tätä kutsutaan yhteismädätykseksi. Mädätyssäiliöt mitoitetaan yleensä niin, että substraatin viipymäaika mädätyssäiliössä on päivää silloin, kun biokaasulaitoksen ensisijaisena 18

20 substraattina käytetään jonkintyyppistä ulostetta tai lantaa. Tämän jälkeen kaasun saanto hiljalleen heikkenee. Biokaasulaitokset koostuvat useista eri osista ja ne vaativat tavallisesti enemmän tilaa kuin muut biomassaan perustuvat sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitokset, koska biomassan esikäsittely kestää biokaasulaitoksissa huomattavasti kauemmin kuin muuntyyppisessä biomassaan perustuvassa energiantuotannossa. Tästä syystä pienet biokaasulaitokset ovat usein kalliita verrattuna muihin pienen mittakaavan biomassapohjaisiin sähkön ja lämmön yhteistuotantoratkaisuihin. Kuva 4. Biokaasun valmistus- ja jalostusprosessi Lähde: Hushållningssällskapens förbund (2007) Biokaasulaitoksissa, joiden pääasiallisena substraattina käytetään jonkintyyppistä ulostetta, lantaa tai lietettä, substraatti kerätään yleensä ensin sekoituskaivoon tai muuhun vastaavaan laitokseen, jossa se sekoitetaan. Sieltä substraatti pumpataan mädätyssäiliöön, jossa itse biokaasuntuotanto tapahtuu. Joissakin tapauksissa substraatti pumpataan myös suoraan mädätyssäiliöön. Substraattia lisätään mädätyssäiliöön jatkuvasti. Mädätyssäiliössä substraattia sekoitetaan koko ajan ja se muuttuu biokaasuksi. Mädätyssäiliöt ovat yleensä suuria teräs- tai betonisäiliöitä, joiden tilavuus on kymmeniä kuutioita tai enemmän. Ne on usein peitetty muovilla mädätyssäiliön eristämiseksi. Mädätyssäiliöstä kaasu johdetaan edelleen joko kaasuvarastoon, suoraan poltettavaksi tai puhdistuslaitokseen ja mahdolliseen jatkojalostuslaitokseen. Biokaasu puhdistetaan ja jatkojalostetaan pääasiassa silloin, kun sitä käytetään liikennepolttoaineena tai kemianteollisuuden raaka-aineena. Tämä tapahtuu pääasiassa isoissa laitoksissa. 19