Biohiilen monet mahdollisuudet

Transkriptio

1 Biohiilen monet mahdollisuudet Annakaisa Elo Uusiutuvien energiamuotojen-päivä Mustiala

2 Mitä on biohiili? Hiili hiili Grillihiili, charcoil, puuhiili: energiakäyttöön tuotettu hiili, vapauttaa sidotun hiilen (CO 2 ) takaisin ilmaan poltettaessa. Samankaltainen kuin biohiili. Aktiivi-, tekninen hiili, activated carbon: valmistetaan useimmiten kivihiilestä räjäyttämällä, pinta laavamainen, käyttö erilaisissa suodattimissa Torrefioitu, hiilestetty biomassa: biomassan energiapotentiaalin tiivistämistä, käytetään vain energiatuotantoon, tuotetaan alhaisemmassa lämpötilassa (< 300 C) Biohiili, biochar: maaperähiili, jossa biomassan luonnollinen huokosrakenne on säilynyt, tuotetaan hapettomassa pyrolyysissä, kuivatislauksessa. Sivutuotteena saadaan puutislettä (wood vinegar), synteesikaasuja ja lämpöenergiaa.

3 Käsite - biohiili Ei yksiselitteistä määritelmää Charred organic matter, produced with the intent to deliberately apply to soils to sequester C and improve soil properties (Lehmann and Joseph, 2009). Biochar is a predominantly stable black carbon material, one of the major byproducts derived from pyrolyzing biomass under oxygen-limited conditions, which can be applied to land for soil remediation, carbon sequestration, climate change mitigation, and waste management (Tan et al., 2015). A Zero-Waste Solution Biochar is a fine-grained charcoal made by pyrolysis, the process of heating biomass (wood, manure, crop residues, solid waste, etc.) with limited to no oxygen in a specially designed furnace capturing all emissions, gases and oils for reuse as energy (US Biochar initiative). An Ancient Soil Conditioner Biochar has been used in agriculture for more than 2,500 years and is now becoming popular in modern horticulture as a safe, sustainable soil amendmend (US Biochar initiative) Biohiilen määritelmät laajoja, mutta yhdistäviä käsitteitä ovat: hiiltynyt orgaaninen aines, hiilen sidonta, maaperän parannus ja jätteen käsittely

4 Miksi biohiili kiinnostaa? Biohiilen käyttökohteet, ominaisuudet ja raaka-aineet ovat monipuolisia: 1. Raaka-aineena voi toimia lähes mikä tahansa orgaaninen aines! myös ei orgaanisia hiiltä sisältäviä aineita voi hiillettää (esim. muoveja, autonrenkaita) 2. Yleisesti biohiilen sorptio-kyky on hyvä! sitoo itseensä alkuaineita ja kemiallisia yhdisteitä (esim. ravinteita tai haittaaineita), pidättää itseensä vettä jopa 5 x oman massansa 3. Parantaa maaperän laatua! toimii kasvualustana maaperä mikrobeille (myös sienet, mykorritsat) keventää maata pidättää ravinteita huuhtoutumiselta mutta kasveille käyttökelpoisessa muodossa 4. Toimii hiilinieluna ilmastomuutoksen hillitsijä (tulevaisuudessa hiilensidonta = liiketoiminta) 5. Ominaisuuksia voidaan säätää biohiilellä ei ole yhtä aikaa kaikkia toivottoja ominaisuuksia, mutta valmistusparametreja ja raaka-ainetta vaihtelemalla saadaan aikaiseksi jopa päinvastaisia vaikutuksia 6. Valmistusprosessi (pyrolyysi) voi tuottaa myös muita hyödykkeitä mm. kaasua, pyrolyysiöljyä, puuetikkaa ja lämpöä

5 Biohiilen tuotannolla arvoa jäte- ja sivuvirtabiomassoille Tuotanto on skaalautuvaa (mobiilit ja kiinteät pyrolyysilaitteet): kotitalous/maatilamittakaava vs. teollinen mittakaava Pyrolyysin tuottama energia ja lämpö voidaan hyödyntää yksittäisessä kohteessa tai ohjata kunnalliseen kaukolämpöverkkoon (Combined Heat and Power, CHP) Pyrolyysi tuottaa synteesikaasua (syngas), jota voidaan käyttää energian tuotannossa. Pyrolyysi tuottaa myös energiapitoista bioöljyä Hyvinkin erilaisia orgaanisia sivu/jätevirtoja voidaan pyrolysoida, jolloin säästetään jätteenkäsittelymaksuissa tai vältytään jätteen polttamiselta. Vähemmän jätettä = vähemmän CO 2 ja metaanikaasua. Pyrolysointi muuttaa jätteen arvokkaaksi raaka-aineeksi, tuo lisäarvoa arvottomiin tai lisäkustannuksia tuottaviin jäte- tai sivuvirtoihin. Biohiilen tai sen raaka-aineen tuotanto ja myynti voi tuoda lisätuloja maa- ja metsätalouteen. From waste to value Biohiilen tuotannon avulla voidaan tehdä hiilipäästökauppaa, hiilinielu (Lähde US Biochar initiative) BIOCHAR PRODUCTION: GIVING VALUE TO DEAD TREES AND BIOMASS WASTE WHILE REDUCING CARBON DIOXIDE (CO 2 ) IN THE ATMOSPHERE AND PRODUCING RENEWABLE ENERGY (USBI)

6 Biohiili on (pysyvä) hiilinielu Biochar-US.org Bioenergia = hiilineutraali Biohiili (pyrolyysi) = hiilinegatiivinen 1 tn biohiiltä = 3 tn CO 2 Tulevaisuuden päästökauppatuote?

7 Stocholm Biochar Project Pyrolyysilaitos (Pyreg) kytketty Fortumin hakevoimalaan, lämpö kaukolämpöverkkoon Syötteenä puutarhajätteet, biohiili kaupungin ja kuntalaisten viherrakennusprojekteihin Hiilineutraalia energiantuottoa: biohiili sitoo laskennallisesti +/- saman verran CO 2 kuin voimala tuottaa 1 milj Mayors challenge palkinto

8 Biohiilen valmistus Pyrolyysi = kuivatislaus n C Kaasutus hapettomissa tai vähähappisissa olosuhteissa Eksoterminen prosessi, kaasujen palaminen tuottaa lämpöä enemmän kuin prosessiin tarvitaan Ancient pyrolysis methods, USBI USBI Dinesh et al, Organic and inorganic contaminants removal from water with biochar, a renewable, low cost and sustainable adsorbent A critical review, Bioresource Technology 160 (2014)

9 Biohiili biohiili Biohiilen ominaisuuksiin vaikuttavia parametreja valmistusvaiheessa mm: Pyrolyysiprosessin kesto (hidas vs nopea pyrolyysi) Syöte (lähtömateriaali) Kosteus Partikkelikoko Koostumus (ligniinipitoisuus ym) Huokoskoko Lämpötilaprofiili Paine Pyrolyysiprosessin korkein lämpötila Pyrolyysiuuni: Muoto ja mittasuhteet Sekoitus Katalyysi Esikäsittelyt: Kuivaus Aktivointi Pelletöinti Johannes Lehmann, Bio-energy in the black, Front Ecol Environ 2007; 5(7): Lisäksi biohiileen voidaan tuoda kokonaan uusia ominaisuuksia kemiallisilla, fysikaalisilla tai mikrobikäsittelyillä

10 Biohiilellä monia käyttökohteita mm. koska: Parantaa maaperän laatua Lisää maaperän kosteutta ja vedenpidätyskykyä Lisää kationin/anioninvaihtokykyä (jopa 50%) Lisää mikrobiaktiivisuutta Tasapainottaa ph:ta Vähentää maaperän tiivistymistä Sitoo maaperän haitta-aineita (kasvinsuojeluaineet, raskasmetallit), PIMA Sopii erilaista alkuperää olevien biomassojen kierrätykseen Jäte/sivuvirtabiomassan hyödyntäminen (lanta, yhdyskuntalietteet) Korjattu biomassa (hakkuu/korjuutähteet) Raaka-aineen käytön joustavuus Parantaa veden laatua Suodattaa/pidättää/absorboi Ravinteet/raskasmetallit/hiilivedyt ym orgaaniset yhdisteet Valtava pinta-ala, pidättää vettä 5 x oman massansa Korvaa aktiivihiilen veden puhdistuksessa Pitkäikäinen hiilivarasto, hiilinielu Maaperän lyhytaikaiset hiilivarastot (1-5 v) Maaperän pitkäaikainen hiilivarasto > 100 v ( v) Kuva Björn Embren

11 Biohiilen käyttökohteet Biokaasuntuotanto & biohiili Biohiili voi tehostaa biokaasuprosessia ja biokaasuntuottoa Mädätysprosessin tehostaminen biohiililisäyksellä: o Paljon tutkimusnäyttöä, että biohiililisä tehostaa prosessia ja metaanintuottoa (>30%) Oletus: tukee mikrobitoimintaa prosessin aikana parantaa metaanintuottoa o Hiililisästä saatu kuitenkin ristiriitaisia tutkimustuloksia pääsyy: biohiilen laadulla suuri merkitys hiilen laatu ja määrä vaativat testausta ja optimointia kullekin prosessille/syötteelle sopivaksi Mädätysprosessin aikana: Biohiililisäys voi estää/laimentaa/absorboida reaktiota inhiboivia haitallisia aineita, mahdollistaa vaikeiden syötteiden käytön mädätyksessä ja nopeuttaa näiden prosessia Ammoniuminhibitio Absorboi kationinvaihtajana ammoniumioneja Tuo suotuisat olot mikrobeille ( mikroilmasto huokosten sisällä) Parantaa hiili-typpisuhdetta Muut inhiboivat aineet (fenoli, furaani ym) Toimii aktiivihiilen tavoin, inhiboi toksisuutta Puskuroi ph:ta Mahdollistaa suotuisien mikrobien toimintaa Katalysoi prosessia vaikka syötteessä olisikin inhiboivia substraatteja

12 Biohiilen käyttökohteet Biohiili ja mädätyksen lopputuotteet: Biohiiltä voi käyttää tuotetun biokaasun puhdistamiseen, H 2 S strippaukseen Biokaasun H2S on sidottu biohiileen, lopputuote: SulfaChar sisältää rikkiä 36,5% (S ja SO 4 2 ) ja käytetään lannoitevalmisteena (Zhang et al Sulfur-enriched biochar as a potential soil amendment and fertiliser. Soil research 2015) Washington State yliopistossa tutkitaan biokaasun H 2 S strippausta pyrolysoidulla mädätysjäännöksellä (AD fiber) Mädätysjäännöksen ravinteet voidaan sitoa biohiileen Parempi lannoitetuote kuin pelkkä mädätysjäännös, lannoitteet sitoutuvat hiileen ja vapautuvat hitaammin ja ovat paremmin kasvien käytettävissä Lannoitevaikutus pidempiaikainen kuin pelkällä mädätysjäännöksellä ja biohiili+mädätysjäännöksellä saatu parempia satotuloksia Kiinteää mädätysjäännöstä voidaan pyrolysoida biohiileksi ja käyttää maanparanteena/lannoitteena parempi ja pysyvämpi lannoitetuote kuin raaka mädätysjäännös, lietteen ravinteet sitoutuvat biohiileen, toimii maanparannusaineena Julkaisuja: Meyer-Kohlstock D. et al. Biochar as Additive in Biogas-Production from Bio-Waste. Energies 2016, 9, 247 Mumme J. et al. Use of biochars in anaerobic digestion. Bioresource Technology 164 (2014) Torri C and Fabbri D. Biochar enables anaerobic digestion of aqueous phase from intermediate pyrolysis of biomass. Bioresource Technology, 172 (2014)

13 Biohiilen käyttökohteet Biohiili kompostoinnissa Biohiili tehostaa kompostin vedenpidätyskykyä ja estää kuivumista Lisää huokoisuuden kautta kompostin ilmastumista Toimii täyteaineena ja alentaa kompostin tiheyttä Toimii mikrobien elinympäristönä Sitoo ravinteita ja tasaa C/N suhdetta Toimii puskurina ja tasapainottaa ph:ta Keskimäärin 90% vähennys CH 4 päästöissä Parantaa typen kiertoa kompostissa, N 2 O päästöt vähenevät, vähentää yleensäkin typpihävikkiä Biohiilen avulla tuotetun kompostin kationinvaihtokyky (CEC) sekä mikrobien määrä ja niiden laatusuhde on parempi Biohiili pitää kompostointilämpötilaa korkeampana prosessin aikana, yhdessä parantuneen mikrobitoiminnan kanssa tämä vähentää kompostin kypsymisaikaa keskimäärin kuukaudella. Biohiilen lisäys tehostaa ja lyhentää kompostointiprosessia tuottaen parempilaatuista lopputuotetta

14 Biohiilen käyttökohteet Biohiili maatilalla: voidaan integroida tuotantoketjuun eri vaiheissa -tai optimaalisesti samaa biohiiltä voidaan kierrättää läpi koko tuotantoketjun Biohiilen avulla maatilan hiili- ja ravinnekierto paremmin hallintaan Schmidt % biohiiltä säilörehussa vähentää voihapon ja mykotoksiinien kehittymistä, sitoo haitallisia yhdisteitä Biohiilen lisäys rehuun lisää eläinterveyttä ja voi vähentää lehmän metaanipäästöjä <30% Kuivikkeessa sitoo kosteutta, vähentää NH 3 ja CH 4 päästöjä ja hajuja, sitoo ravinteita, parantaa sorkkaterveyttä Lietelantaan lisättynä vähentää ravinnehukkaa, NH3 ja CH4 päästöjä ja hajuja.. Parempaa lannoitetta kasveille. Pyrolyysin sivutuotetta, puuetikkaa, voidaan käyttää lannan hapotukseen Parantaa lannan kompostoitumista ja sitoo kompostin ravinteita, kasvihuonekaasupäästöjä ja hajuja, parempaa kompostituotetta Parantaa maaperän laatua ja mikrobilajistoa

15 Biohiilen käyttökohteet USA biohiilimarkkinat: Pajupojat Oy: Korkealaatuisen (paju) biohiilen myynti eri kohteisiin: Hulevesiratkaisut taajamiin, katu- ja tierakennukseen Biofiltterit matalaravinteisten suoto- ja valumavesien puhdistukseen, maa- ja metsätalouden vesiensuojeluratkaisut Rajatut, kantavat kasvualustat (biohiilen avulla mm hiekoitussepeli kasvualustaksi) Viherrakentaminen, kasvualustat, viherkatot, golf-kentät Kompostointi Pajun kasvatuksen edistäminen biomassakäyttöön

16 Pajupojat Oy:n biohiili Raaka-aineella on merkitystä hiilen laatuun. VTT:n ja Luken tutkimusten mukaan paju on paras raaka-aine biohiilen valmistukseen: Erinomainen huokosrakenne: 200 m 2 /g m 2 /g Sitoo vettä ja siihen liuenneita ravinteita 1 vrk 0,6 m 3 vettä/ 300 kg (n. 1 m 3 ) 3 vrk 0,9 m 3 vettä/ 300 kg (n 1 m 3 ) Pajubiohiili osoittautunut useissa eri sovelluskokeissa funktionaalisimmaksi Enemmän huokosia = enemmän aktiivista, toiminnallista pinta-alaa Lehmann & Joseph 2015 Kuva: Jari Hyväluoma, LUKE

17 Pajupojat Oy hiilen sopimustuottajat Carbofex & Raussin energia Carbofex500-laitoksen kapasiteetti on kg puuhaketta tunnissa, tuottaen kg biohiiltä. Tämän lisäksi elektrostaattinen öljynerottelija tuottaa litraa korkealuokkaista pyrolyysiöljyä. Laitoksen taattu vuosi tuotanto 700 tonnia biohiiltä sekä 600 tonnia öljyä vuodessa. Haluttaessa laitosta voidaan hyödyntää 500 kw-1 MV lämpövoimalana kaukolämpöverkossa, kasvihuoneissa tai teollisuuden tarpeisiin. Laitos voi jopa tuottaa puhdasta hiilidioksidia kasvihuoneen CO2 lannoitukseen. Sijoituspaikkana Tampereen Hiedanranta, lämpö johdetaan kaupungin kaukolämpöverkkoon

18 Suomen hiilinegatiivisin yritys