PERUNAN JA LIETELANNAN HYÖDYNTÄMINEN BIOKAASUTUOTANNOSSA

Transkriptio

1 PERUNAN JA LIETELANNAN HYÖDYNTÄMINEN BIOKAASUTUOTANNOSSA Kokeellinen tutkimus ja laskennallinen tarkastelu HAMK, Bio- ja elintarviketekniikan koulutusohjelma Biotalouden mahdollisuudet -moduuli Visamäki, Hämeenlinna Hanna-Elena Ryyttäri

2 1 SISÄLLYS 1 JOHDANTO Biokaasuteknologia InforME-hanke METAANIPOTENTIAALITESTI Metaanipotentiaalitestin näytteet Metaanipotentiaalitestin tulokset JATKUVATOIMISET BIOKAASUN TUOTANTOKOKEET Koereaktorien syötteet Koereaktorien kuormitus ja visuaalinen arviointi TULOKSET Biokaasun tuotto ja laatu Prosessin tila ph TS ja VS Alkaliteetti ja VFA Liukoinen COD Ammoniumtyppi JOHTOPÄÄTÖKSET BIOKAASULAITOSLASKELMAT Teoriaa investoinnin kannattavuustarkastelusta Annuiteettimenetelmä Sisäisen korkokannan menetelmä Takaisinmaksuajan menetelmä Laskelmien lähtötietoja Tulokset Biokaasulaitoslaskelma 1 ( t/v) Biokaasulaitoslaskelma 2 ( t/v) Biokaasulaitoslaskelma 3 (9 500 t/v) Investoinnin vaikutus sisäiseen korkokantaan Johtopäätökset LÄHTEET... 30

3 2 1 JOHDANTO Työn tavoitteena oli selvittää perunankuorijätteen ja karjan lietelannan hyödynnettävyyttä biokaasutuotannossa Lammi-Hauho-Tuuloksen alueella. Raaka-aineiden biokaasutuottoa tutkittiin Hämeen ammattikorkeakoulun Visamäen yksikön ympäristölaboratoriossa ns. märkäprosessina kolmessa jatkuvatoimisessa koereaktorissa. Reaktoreihin syötettiin eri seokset lietelantaa ja perunankuorijätettä. Koereaktorien tilaa tarkkailtiin poisteanalyysein sekä biokaasun määrä- ja laatumittauksin. Lisäksi raakaaineiden metaanituottopotentiaalia tutkittiin panosluontoisella pullokokeella. Tulosten perusteella tehtiin biokaasulaskuria apuna käyttäen mitoituslaskelmat kolmelle eri kokoiselle biokaasulaitokselle. Työ tehtiin InforME-hankkeelle ja sen suoritti HAMK:n bio- ja elintarviketekniikan opiskelija Hanna-Elena Ryyttäri, työn ohjaajana toimi Laura Kannisto ja ohjaavana opettajana Maritta Kymäläinen. Työ suoritettiin ajalla Biokaasuteknologia Biokaasuteknologiaa eli anaerobisia prosesseja käytetään maatalouden, yhdyskuntien ja teollisuuden eloperäisten jätteiden ja sivutuotteiden käsittelyyn. Eloperäisten jätteiden sisältämä hiili ja ravinteet kuormittavat ympäristöä, hiilen hallitsematon hajoaminen tuottaa kasvihuonepäästöjä ja ravinteet rehevöittävät vesistöjä. Biokaasuprosessissa voidaan tuottaa uusiutuvaa energiaa ja kierrättää ravinteet hyödynnettäväksi kasvintuotannossa. Biokaasuprosessissa materiaali hajotetaan mikrobiologisesti hapettomissa olosuhteissa, prosessin lopputuotteina syntyy biokaasua ja käsittelyjäännöstä. Biokaasu on pääosin metaanin % ja hiilidioksidin % seos ja sitä voidaan hyödyntää lämmöntuotannon polttoaineena, kaasumoottorissa lämmön ja sähkön tuottamiseksi tai jalostaa liikennepolttoainekäyttöön. 1.2 InforME-hanke InforME -hankkeessa tarkastellaan Kanta- ja Päijät-Hämeen maakunnissa mahdollisuuksia tuottaa uusiutuvaa energiaa, liikenteen biopolttoaineita ja parantaa energiatehokkuutta maaseudun yrityksissä. Hankkeen

4 kohderyhmänä ovat uusiutuvasta energiasta ja energian käytön tehostamisesta kiinnostuneet maatilat ja muut maaseudulla toimivat mikro- ja pienyritykset, kyläyhteisöt ja kunnat. InforME-hanketta hallinnoi Lahden ammattikorkeakoulu Oy (LAMK) ja kumppaneina hankkeessa ovat Lappeenrannan teknillinen yliopisto (LUT), Hämeen ammattikorkeakoulu Oy (HAMK), ProAgria Etelä-Suomi ry ja ProAgria Keskusten Liitto ry. Hanke on Manner-Suomen maaseudun kehittämisohjelman rahoittama tiedonvälityshanke. 3 2 METAANIPOTENTIAALITESTI Syötteiden metaanituottopotentiaali määritettiin HAMK:in ympäristötekniikan laboratoriossa panosluontoisella pullokokeella 37 C:ssa Bioprocess Controlin AMPTS (automatic methane potential test system) laitteistolla. Laitteisto on esitetty kuvassa 1: vasemmalla panoskoepullot vesihauteessa, keskellä NaOH-pesupullot ja oikealla kaasukennosto. Metaanituottotestin kesto oli 21 vrk. Panosluontoisessa metaanintuottopotentiaalitestissä tutkittava näyte punnitaan pulloihin herätteenä toimivan ympin kanssa. Pullojen kaasuntuottoa seurataan määräaika. Menetelmässä biokaasun hiilidioksidi absorpoidaan pesupulloissa natriumhydroksidiliuokseen ja mittauskennostoon johdetaan pelkkää metaania. Kuva 1. Bioprocess Control AMPTS -laitteisto

5 4 2.1 Metaanipotentiaalitestin näytteet Metaanipotentiaalitestissä tutkittiin lihakarjan lietelannan, maitokarjan lietelannan, perunan kuoren, jäteperunan ja perunan puristenesteen metaanituottopotentiaalia. Lietelannassa on mukana eläinten sonnan ja virtsan lisäksi eläinsuojan pesuvedet ja mahdollisia muita vesiä. Kuivikkeita lietelannan seassa on vähän tai ei ollenkaan. Perunan kuoret ja jäteperuna ovat perunan jatkojalostuksen sivutuotteita. Puristenestettä syntyy tärkkelyksen erotuksessa. Metaanipotentiaalitestissä ymppinä käytetystä biokaasureaktorin poisteesta ja näytteistä määritettiin kuiva-aine (TS 1) ja orgaaninen aines (VS 1) (taulukko 1). Lihakarjan lietelantaa ja perunankuorta käytettiin myöhemmin jatkuvatoimisessa biokaasureaktorissa, mitä varten otettiin uudet näytteet. Näiden TS- (TS 2) ja VS- (VS 2) pitoisuudet on myös esitetty taulukossa 1. Metaanituottotestissä käytettyjen näytteiden ja myöhemmin jatkuvatoimisten reaktorien syötteiden TS- ja VSpitoisuuksien erot johtuvat eroista näytteenotossa esim. näyte eri tavoin sekoittunut, näytteenotto eri kohdista (pinnasta/pohjasta). Taulukko 1. Näytteiden TS- ja VS-arvot TS (1) VS (1) TS/VSsuhde TS (2) VS (2) TS/VS - suhde Lihakarjan lietelanta 10,4 % 8,3 % 80,0 % 12,8 % 10,4 % 81,0 % Maitokarjan lietelanta 8,5 % 7,1 % 84,0 % ,3 % 16,5 % 90,0 % 20,1 % 18,3 % 91,0 % Peruna 18,8 % 18,1 % 96,0 % Perunankuori Puristeneste *) 21,2 % 20,0 % 94,0 % 15,3 % 13,6 % 89,0 % *) Puristeneste [(1)-näyte] oli poikkeuksellisen paksua ja kuiva-aineeltaan korkea, joten tästä otettiin uusintanäyte [(2)-näyte]. Panoskoetulos laskettiin kuitenkin taulukossa 1 esitettyjen TS(1) ja VS (1) -arvojen mukaan, sillä tämä näyte vastasi panoskokeessa testattua näytettä.

6 CH4 (ml/gvs) Ympin ja näytteiden TS- ja VS-pitoisuuksien perusteella laadittiin resepti näytteiden ja ympin määrille (näytevs/ymppivs suhteella 0,5). Ympistä sekä jokaisesta näytteestä tehtiin kolme rinnakkaista panoskoepulloa Metaanipotentiaalitestin tulokset Metaanituottopotentiaalitestin tulokset on laskettu tuorepainoa (g), kuiva-ainetta (gts) ja orgaanista kuiva-ainetta (gvs) kohti (taulukko 2). Metaanituottojen laskemisessa käytetyt TS- ja VS-arvot on esitetty taulukossa 1. Taulukko 2. Näytteiden metaanipotentiaalit Näyte Metaanituotto ml/g näytettä Metaanituotto ml/gts Metaanituotto ml/gvs Lihakarjan lietelanta Maitokarjan lietelanta Perunankuori Peruna Puristeneste 90* * Puristenesteen tuotto märkää näytettä kohti on todellista suurempi, sillä testiin käytetty näyte oli oletettavasti kuivempaa kuin yleensä. 250 Lietelannan metaanipotentiaali ml/gvs Aika (vrk) Lihakarjan lanta Maitokarjan lanta Kuva 2. Lietelannan metaanipotentiaali (ml/gvs).

7 6 Lietelannan hajoaminen on hidasta mm. kuivikkeiden vaikutuksesta ja hajoaminen jatkuu testin loppuun saakka. Lihakarjan lietelanta tuotti metaania 200 ml/gvs ja maitokarjan lietelanta 190 ml/gvs (kuva 2). Lehmien lietelannan metaanituotto on tyypillisesti välillä ml/gvs. (Kymäläinen & Pakarinen, 2015) Perunajätteen metaanipotentiaali ml/gvs Aika (vrk) Perunan kuori Peruna Puristeneste Kuva 3. Perunajätteiden metaanipotentiaali ml/gvs Perunanäytteiden hajoaminen on nopeaa, tässä testissä hajoaminen tapahtui jo n. 2 vrk:ssa. Perunajätteistä parhaiten metaania tuotti helposti hajoavaa tärkkelystä ja proteiinia sisältävä perunan puristeneste 450 ml/gvs. Perunan kuoren ja perunan tuotot olivat pienempiä, kuorella 360 ml/gvs ja perunalla 390 ml/gvs (kuva 3). Vertailuna, puhtaan tärkkelyksen metaanituotto on 415 ml/gvs (Kymäläinen & Pakarinen, 2015). 3 JATKUVATOIMISET BIOKAASUN TUOTANTOKOKEET Kokeet tehtiin ns. märkäprosessina (TS < 15%) jatkuvatoimisessa prosessissa, jossa biokaasureaktoriin syötetään säännöllisesti uutta käsiteltävää materiaalia ja vastaava määrä käsiteltyä materiaalia poistetaan syötön yhteydessä reaktorista. Reaktoreissa syntynyt kaasu johdettiin kaasukennostoon (kuva 4), joka mittaa syntyneen kaasun määrää. Kokeessa käytettyjen reaktorien nestetilavuus on 3,5 litraa.

8 Reaktoreihin kytkettiin sekoittajat, jotka ajastettiin käynnistymään 2 h välein 5 min ajaksi. Vesivaippakierrolla reaktoreiden lämpötila pidettiin 37 C:ssa. Tulosten tarkastelun aloituspäiväksi valittiin 24.5., jolloin reaktorit oli todettu tiiviiksi, ylösajettu lannalla ja syöteseoksilla syöttäminen aloitettu. 7 Kuva 4. Kaasukennosto Kuva 5. Reaktorit kokoamisvaiheessa

9 8 3.1 Koereaktorien syötteet Lammi-Hauho-Tuuloksen -alueella syntyy vuosittain noin tonnia lehmien lietelantaa, josta suurin osa maitokarjan lietelantaa. Alueen perunan jatkojalostuslaitoksissa syntyy vuosittain noin 3500 tonnia perunankuorijätettä, jäteperunaa ja tärkkelyksen erotuksessa syntyvää puristenestettä. Koereaktorien syötteinä käytettiin lihakarjan lietelantaa ja perunankuorijätettä eri seoksina. Syöteseosten suhteet laskettiin alueella vuodessa syntyvien lanta- ja perunajätemäärien perusteella. Reaktorin F syötemääriin laskettiin kaikki alueella vuoden aikana syntyvä lietelanta tonnia ja kaikki syntyvä perunajäte 3500 tonnia. Reaktorin G syötemäärään puolet syntyvästä lannasta 8000 t ja kaikki syntyvä perunajäte 3500 t. Reaktorin H syötteeksi valittiin pelkkä perunajäte. Koereaktorien syötteistä määritettiin TS- ja VS-pitoisuudet (taulukko 3) ja syöteseokset laimennettiin vedellä % kuiva-ainepitoisuuden saavuttamiseksi. Syötteet säilytettiin pakastimessa ja sulatettiin pienissä erissä kylmiössä ennen syöttöä. Taulukko 3. Syötteiden TS- ja VS-pitoisuudet Syöte TS % VS % Lietelanta 12,8 10,4 Perunankuori 20,1 18,3 Kuva 6. Koereaktorit toiminnassa

10 9 3.2 Koereaktorien kuormitus ja visuaalinen arviointi Reaktorit ympättiin biokaasureaktorin poisteella, jossa on valmiina biokaasuprosessin vaatima toimiva mikrobikanta. Koereaktorien syöttö aloitettiin Reaktorit ylösajettiin syöttämällä niihin 7 arkipäivän ajan pelkkää lietelantaa kuormituksella 2 kgvs/m 3 d (1,4), tarkoituksena oli varmistaa reaktorien yhtenäinen toiminta. Koska reaktoreja syötettiin vain arkipäivisin, todellinen kuormitus laskettiin jakamalla viikottainen kuorma seitsemälle päivälle, tästä syystä todellinen kuormitus oli pienempi kuin laskennallinen kuormitus. Reaktorissa F kuormitus oli laskuvirheen takia 5 ja 6 kgvs/m 3 d kuormituksilla hieman suurempi (5,1 ja 6,4). Ylösajon jälkeen reaktoreja kuormitettiin lietelanta-perunankuori - seoksella ja perunankuorella, kuormitusta nostettiin asteittain reaktorissa F 6 kgvs/m 3 d (6,4), reaktorissa G 5 kgvs/m 3 d (3,6) ja reaktorissa H 3 kgvs/m 3 d (2,1) kuormitukseen saakka. Tarkat syötteiden määrät on esitetty taulukossa 4. Taulukko 4. Jatkuvatoimisten reaktorien kuormitus ja syötteiden määrä Kuormitus (kgvs/m3 d) Päivää Lanta (g/pvä) Reaktori F Perunankuori (g/pvä) Laimennusvesi (g/pvä) TS % VS % 2 (1,4) 15 48,6 10,6 10, ,1 3 (2,1) 10 72,9 15,9 15, ,1 5 (5,1) 20 97,2 41,9 20, ,1 6 (6,4) 5 121,5 52,4 25, ,1 Reaktori G Kuormitus (kgvs/m3 d) Päivää Lanta (g/pvä) Perunankuori (g/pvä) Vesi (g/pvä) TS % VS % 2 (1,4) 15 38,0 16,6 13, ,3 3 (2,1) 10 57,0 25,0 20, ,3 4 (2,9) 20 76,1 33,3 27, ,3 5 (3,6) 3 95,1 41,6 33, ,3 4 (2,9) 38 37,0 55,5 39, ,6 Reaktori H Kuormitus (kgvs/m3 d) Päivää Lanta (g/pvä) Perunankuori (g/pvä) Vesi (g/pvä) TS % VS % 1 (0,7) 15 0,0 19,1 12, ,9 2 (1,4) 15 0,0 38,3 25, ,9 3 (2,1) 11 0,0 57,4 38, ,9

11 Reaktorin F syötteenä oli lietelanta-perunankuori seos tuorepainosuhteella: 82/18. Kuormitus aloitettiin alkaen 2 kgvs/m 3 d (1,4) kuormalla. Syöteseoksen laskennassa tapahtuneen laskuvirheen vuoksi reaktoria ei kuormitettu 4 kgvs/m 3 d, vaan kuormitus nostettiin 3 kgvs/m 3 d (2,1) kuormituksen jälkeen suoraan 5 kgvs/m 3 d (5,1) ja edelleen 6 kgvs/m 3 d (6,4), samalla muuttui myös seoksen tuorepainosuhde suunnitellusta 82/18 suhteesta arvoon 70/30, joka vastasi G-reaktorin tuorepainosuhteita. Reaktorin G syötteenä oli lietelanta-perunankuori seos suhteella 70/30. Kuormitus aloitettiin 2 kgvs/m 3 d (1,4) kuormalla ja nostettiin 5 kgvs/m 3 d (3,6) asti. Tämän jälkeen raaka-aineiden seossuhdetta muutettiin arvoon 40/60 ja reaktoria kuormitettiin 38 päivää 4 kgvs/m 3 d (2,9) kuormalla. Reaktorin H syötteenä oli pelkkä perunankuori. Kuormitus aloitettiin varovasti alhaisella 1 kgvs/m 3 d (0,7) kuormalla, tarkkaillen pysyykö reaktori tasapainossa. Reaktorin kuormitus oli tarkoitus nostaa arvoon 4 kgvs/m 3 d (1,4). Koe jouduttiin kuitenkin päättämään 3 kgvs/m 3 d (2,1) kuormituksella 11 arkipäivän jälkeen (19.7.). Perunankuorisyötteen kiivaasta hajoamisesta johtuva runsas vaahto nousi kaasulinjaan, esti kaasun kulkemisen linjassa ja aiheutti reaktorin sisällön purkautumisen ulos reaktorista sekoittajan akselin kautta (kuva 7). 10 Kuva 7. Reaktori H Reaktorien F ja G (kuva 8) käyttäytyminen kokeen aikana oli keskenään samankaltaista. F ja G muuttuivat vaaleammiksi ja väriltään ruskeaksi. Reaktorien F ja G poisteiden haju muuttui kokeen aikana voimakkaammaksi. F:n ja G:n pintaan muodostui hajoamattomasta

12 rehusta sekä lannan sisältämistä kuivikkeista kiintoainekerros (kuva 11). Kiintoaineen määrä kasvoi kokeen aikana, mutta kerros ei haitannut kaasun muodostumista eikä vapautumista. Reaktorin H sisältö tummeni kokeen aikana. Reaktoriin muodostui kokeen aikana runsaasti ilmavaa tiskivaahtoa (kuva 11), voimakasta vaahtoamista ilmeni vain syöttöjen jälkeen ja vaahto hävisi viimeistään yön aikana. 11 Kuva 8. Reaktori G

13 12 Kuva 9. Reaktori F lietelantakuormalla 2 kgvs/m 3 d ja kuormalla 5 kgvs/m 3 d Kuva 10. Reaktori H lietelantakuormalla 2 kgvs/m 3 d ja kuormalla 3 kgvs/m 3 d

14 13 Kuva 11. Ylhäällä reaktorien F (5 kgvs/m 3 d) ja G (4 kgvs/m 3 d) kiintoainekerros ja reaktorin H (3 kgvs/m 3 d) vaahtoa TULOKSET Tuloksissa vertaillaan eri seoksilla ja kuormituksilla syötettyjen koereaktorien biokaasutuottoja ja koostumuksia sekä prosessin tilaa poisteanalyysitulosten avulla. 4.1 Biokaasun tuotto ja laatu Koereaktorien tuottamaa biokaasun määrää mitattiin kaasukennoston avulla, kennostolta kaasutuottomäärät siirtyivät automaattisesti tietokoneelle. Koereaktoreiden kaasuntuottolukemat kirjattiin ylös arkipäivisin ennen syöttöä.

15 14 Reaktori F tuotti kokeen aikana biokaasua keskimäärin noin 420 ml/gvs, reaktori G 520 ml/gvs ja reaktori H 760 ml/gvs (kuva 12) Biokaasutuotto (ml/gvs) kgvs 2 kgvs 3 kgvs kgvs 3 kgvs 4 kgvs kgvs 3 kgvs 5 kgvs Aika (vko) F G H Kuva 12. Reaktorien viikoittaiset biokaasutuotot (litraa/kgvssyötetty) Kaasun koostumusta analysoitiin kaikista reaktoreista kokeen aikana kaasupusseihin yhden vuorokauden ajan kerätystä kaasusta kaasuanalysaattorilla (Geotech GA 2000 PLUS kuva 13). Tulokset on esitetty taulukossa 5. Kuva 13. Kaasuanalysaattori (Geotech GA 2000 PLUS)

16 15 Taulukko 5. Reaktoreissa muodostuneen biokaasun koostumus Aika aloituksesta (vrk) Kuormitus (kgvs/m3) CH4 CO2 O2 F 21 2 (1,4) 58,4 % 40,8 % 0,8 % G 21 2 (1,4) 56,4 % 42,4 % 1,3 % H 21 1 (0,7) 53,4 % 45,6 % 1,0 % 42 2 (1,4) 55,6 % 43,6 % 0,8 % 450 Reaktorien metaanituotot (ml/gvs) F G H Kuva 14. Reaktorien metaanituotot (litraa/kgvssyötetty) (värilliset pylväät) ja metaanipotentiaalitestin mukaiset tuotot (harmaat pylväät). Kaasun koostumusmittausten perusteella reaktorien metaanituotot olivat F 250 ml/gvs, G 290 ml/gvs ja H 420 ml/gvs. Kuvassa 14 harmaalla on merkitty metaanipotentiaalitestin avulla saadut arvot: F 245 ml/gvs, G 270 ml/gvs ja H 360 ml/gvs. 4.2 Prosessin tila Reaktorien poisteista tehtiin kerran viikossa TS- ja VS-määritykset ja kaksi kertaa viikossa poistenäytteistä määritettiin ph, alkaliteetti, haihtuvat

17 rasvahapot (VFA), liukoinen kemiallinen hapenkulutus (liukoinen COD) ja ammoniumtyppi. Lisäksi ph-mittauksia tehtiin muutamia kertoja viikossa satunnaisesti ph ph-arvoja mitattiin muutamia kertoja viikossa ph-mittarilla HANNA instruments HI Kaikkien reaktorien poisteiden ph-arvot pysyivät koejakson ajan välillä 7,4-8,7. Reaktorien ph-arvot laskivat lannan korvautuessa perunankuorella, F reaktorin poisteen ph-arvo oli kuormituksella 2 kgvs/m 3 d oli 8,04, 3 kgvs/m 3 d kuormituksella 7,95 ja 5 kgvs/m 3 d 7,82. G reaktorin poisteen ph-arvo oli kuormituksella 2 kgvs/m 3 d oli 8,06, 3 kgvs/m 3 d kuormituksella 7,90 ja 4 kgvs/m 3 d 7,82. Reaktori H poisteen ph-arvo oli 1 kgvs/m 3 d 8,15, 2 kgvs/m 3 d 7,78 ja 3 kgvs/m 3 d 7, ,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 ph-arvot Aika (vrk) F G H Kuva 15. Reaktoripoisteiden ph-arvot

18 TS ja VS TS- ja VS-pitoisuudet määritettiin kerran viikossa haihdutus/hehkutusmenetelmällä standardin SFS-3008 mukaisesti. Kuva 16. Hehkutetut näytteet eksikaattorissa 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% Poisteiden TS-reduktio 50% F G H Kuva 17. Poisteiden TS-reduktiot Lähtökuormituksen aikana reaktoripoisteiden TS oli keskimäärin 2,7 %. F reaktorin poisteen TS-pitoisuus nousi hieman lannan korvautuessa perunankuorella, poisteen TS oli keskimäärin välillä 3,4-4,8 %. G reaktorissa TS-pitoisuus pysyi hyvin samanlaisena koko kokeen ajan 3,8-4,6 %. Reaktori H poisteen TS pieneni enemmän lähtökuorman, koska pelkkää perunankuorta sisältävä syöte hajosi paremmin kuin muihin

19 reaktoreihin syötetyt lietelanta-perunankuoriseokset. Saman voi todeta myös reaktoreiden VS-reduktioista. Reaktorin H TS oli kokeen aikana välillä 2,0-3,7%. Kuvissa 17 ja 18 on esitetty TS- ja VS-pitoisuuksista lasketut TSja VS-reduktiot % Poisteiden VS-reduktio 90% 3 kgvs 85% 80% 2 kgvs 1 kgvs 2 kgvs 75% 3 kgvs 5 kgvs 70% 2 kgvs 4 kgvs 65% 60% 3 kgvs Aika (vrk) F G H Kuva 18. Poisteiden VS-reduktiot VS-reduktio eli orgaanisen aineen hajoaminen oli lantaperunaseoksilla noin % (reaktorit F ja G) ja perunareaktorissa H selvästi korkeampi, jopa n. 90 %. Kun näitä verrataan reaktorista saatuihin metaanituottoihin, mitkä todettiin olevan vähintään metaanituottopotentiaalin mukaisia, reduktiot voisivat todellisuudessa olla jopa hivenen tässä laskettuja korkeampia. Syynä tähän on, että koereaktoreiden poistenäytteet otetaan reaktorin alaosasta, jolloin on mahdollista että näytteeseen tulee mukaan enemmän kiintoainesta kuin mitä reaktorissa on keskimäärin. Tämä nostaa poisteen TS- ja VS-pitoisuuksia eli heikentää niistä laskettuja reduktioarvoja Alkaliteetti ja VFA Alkaliteetti ja haihtuvien rasvahappojen määrä (VFA) määritettiin titraamalla TitraLab 840 laitteistolla (kuva 19) kaksi kertaa viikossa.

20 19 Kuva 19. TitraLab 840 -titrauslaitteisto Alkaliteetti (mg CaCO3/l) 3 kgvs 5 kgvs kgvs 3 kgvs 4 kgvs kgvs 2 kgvs 3 kgvs Aika (vrk) F G H Kuva 20. Reaktoripoisteiden alkaliteetti kuormituksen muuttuessa

21 Reaktoripoisteiden alkaliteettiarvot on esitetty kuvassa 20. Kaikissa reaktoreissa alkaliteetti asettui lähtökuorman 2 kgvs/m 3 d aikana tasolle mg CaCO3/l. Reaktorin F alkaliteetti kasvoi kuormituksen noustessa, kuormituksella 2 kgvs/m 3 d alkaliteetti oli mg CaCO3/l, kuormituksella 3 kgvs/m 3 d mg CaCO3/l ja kuormituksella 5 kgvs/m 3 d mg CaCO3/l. Myös reaktorin G alkaliteetti kasvoi kuormituksen noustessa, kuormituksella 2 kgvs/m 3 d alkaliteetti oli mg CaCO3/l, kuormituksella kgvs/m 3 d mg CaCO3/l ja suurimmalla 4 kgvs/m 3 d kuormituksella mg CaCO3/l. Reaktorin H alkaliteetti pieneni käynnistyksessä lisätyn ympin ja lähtökuormassa syötetyn lietelannan häviämisen myötä, kuormituksella 1 kgvs/m 3 d alkaliteetti oli mg CaCO3/l, kuormituksella 2 kgvs/m 3 d 9500 mg CaCO3/l ja kuormituksella 3 kgvs/m 3 d 8200 mg CaCO3/l. Tyypillisesti biokaasureaktorin alkaliteettiarvo on välillä CaCO3/l 20 Haihtuvien rasvahappojen määrä, VFA (mg/l) kgvs kgvs 3 kgvs 3 kgvs kgvs kgvs 3 kgvs Aika (vrk) F G H Kuva 21. Poisteiden haihtuvien rasvahappojen määrä

22 Reaktoripoisteiden haihtuvien rasvahappojen määrä on esitetty kuvassa 20. Haihtuvien rasvahappojen määrä VFA asettui reaktoreissa lähtökuorman 2 kgvs/m 3 d aikana tasolle 560 mg/l. Reaktorin F VFA-pitoisuus nousi kuormituksen kasvaessa, kuormituksella 2 kgvs/m 3 d haihtuvien rasvahappojen määrä oli 560 mg/l, kuormituksella 3 kgvs/m 3 d 610 mg/l ja kuormituksella 5 kgvs/m 3 d 810 mg/l. Reaktorin G VFA-pitoisuus nousi hieman F reaktoria vähemmän kuormituksen kasvaessa, kuormituksella 2 kgvs/m 3 d haihtuvien rasvahappojen määrä oli 550 mg/l, kuormituksella 3 kgvs/m 3 d 560 mg/l ja kuormituksella 4 kgvs/m 3 d 650 mg/l. Reaktorin H VFA-pitoisuus pysyi koko koejakson ajan hyvällä, alhaisella tasolla: kuormituksella 1 kgvs/m 3 d haihtuvien rasvahappojen määrä oli 510 mg/l, kuormituksella 2 kgvs/m 3 d 440 mg/l ja kuormituksella 3 kgvs/m 3 d 400 mg/l. (kuva 20) 21 VFA/Alkaliteetti-suhde 0,09 0,08 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0, Aika (vrk) F G H Kuva 22. Poisteiden VFA/alkaliteetti-suhde VFA/alkaliteetti-suhde pysyi kaikissa reaktoreissa hyvällä tasolla välillä 0,04 0,08 (kuva 21). F reaktorissa tapahtui pientä nousua kuormituksen ollessa 5 kgvs/m3. VFA/alkaliteetti-suhteen suositellaan olevan alle 0,3 (Kymäläinen & Pakarinen, 2015).

23 Liukoinen COD Liukoinen COD määritettiin Hach Lange (LCK-514) pikamenetelmällä kaksi kertaa viikossa. Reaktoripoisteiden CODliuk arvot on esitetty kuvassa Liukoinen kemiallinen hapenkulutus COD (g/l) Aika (vrk) F G H Kuva 23. Liukoinen kemiallinen hapenkulutus, CODliuk. (g/litra). Liukoinen COD asettui reaktoreissa lähtökuorman 2 kgvs/m 3 d aikana tasolle 4,4 g/l. F reaktorin poisteen COD kasvoi kuorman noustessa, kuormituksen ollessa 2 kgvs/m 3 d COD oli 4,8 g/l, kuormituksella 3 kgvs/m 3 d 5,4 g/l ja kuormituksella 5 kgvs/m 3 d 6,6 g/l. Reaktori G poisteen CODliuk. kasvoi hieman vähemmän kuorman noustessa, kuormituksen ollessa 2 kgvs/m 3 d COD oli 4,6 g/l, kuormituksella 3 kgvs/m 3 d 5,0 g/l ja kuormituksella 4 kgvs/m 3 d 5,7 g/l. H reaktorissa CODliuk.-arvot pienenivät perunankuoren määrän lisääntyessä: kuormituksen ollessa 1 kgvs/m 3 d CODliuk. oli 4,0 g/l, 2 kgvs/m 3 d 3,1 g/l ja 3 kgvs/m 3 d 2,7 g/l Ammoniumtyppi Poisteiden ammoniumtyppipitoisuudet määritettiin kaksi kertaa viikossa Foss:n Kjeltec-analysaattorilla. Reaktoripoisteiden ammoniumtyppipitoisuudet on esitetty kuvassa 22.

24 23 Ammoniumtyppi (mgn/g) 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1, Aika (vrk) F G H Kuva 24. Poisteiden ammoniumtyppipitoisuudet (mgn/g). Reaktoreissa F ja G ammoniumtypen määrä pysyi kuormituksesta riippumatta välillä (F) 2,1 2,5 mgn/g ja (G) 2,0 2,4 mgn/g. Reaktorissa H ammoniumtypen määrä pieneni kokeen edetessä käynnistyksessä lisätyn ympin ja lähtökuormassa syötetyn lannan häviämisen myötä pitoisuudesta 2,2 mgn/g pitoisuuteen 1,2 mgn/g. 5 JOHTOPÄÄTÖKSET Perunajätteiden metaanituottopotentiaali on noin kaksinkertainen lietelantaan nähden. Perunan puristenesteen metaanipotentiaali kuivaainetta (TS) kohti on % suurempi kuin perunankuoren ja jäteperunan, johtuen puristenesteen todennäköisesti suuremmasta proteiinipitoisuudesta. Jatkuvatoimisilla reaktoreilla saavutettiin metaanituottotestin tuloksia vastaavat metaanituotot, mikä kertoo materiaalien hyvästä hajoamisesta jatkuvatoimisen reaktoriajon aikana. Pelkkää perunankuorisyötettä käytettäessä ongelmaksi muodostui runsas vaahtoaminen. Tämä alkoi kuormitustasolla n. 2,5 kgvs/m 3 d, ja reaktoriajo lopetettiin kuormitustasolla 3 kgvs/ m 3 d hallitsemattoman

25 vaahdonmuodostuksen takia. Tässä reaktorissa oli myös havaittavissa merkittävä alkaliteettitason lasku eli puskurikyvyn heikkeneminen, mikä oli vielä laskusuunnassa kokeen päättyessä. Perunankuorisyöte vaatisi sekaan puskurikykyä tuovan syötteen, jotta vältettäisiin reaktorin ajautuminen hapoille ja sitä seuraava ph-lasku. Lietelanta-perunaseosreaktorit saavuttivat tässä koeajossa 5 kgvs/m 3 d kuormituksen ilman vaahto-ongelmia. Tätä voidaan jo pitää hyvänä kuormitustasona märkäprosessissa. Lietelantaa sisältävä syöte aiheuttaa reaktorin pinnalle kuorikerroksen, joka hillitsee perunankuoren hajoamisesta syntyvän vaahdon muodostumista BIOKAASULAITOSLASKELMAT Omien koetulosten perusteella tehtiin mitoituslaskelmat ja taloudelliset kannattavuustarkastelut kolmelle eri biokaasulaitokselle. Laskelmat tehtiin käyttäen biokaasulaskuria. ( 6.1 Teoriaa investoinnin kannattavuustarkastelusta Investoinnin kannattavuutta tulee arvioida vähintään kahdella menetelmällä viidestä, joita ovat: nykyarvomenetelmä annuiteettimenetelmä sisäisen korkokannan menetelmä pääoman tuottoaste-menetelmä takaisinmaksuajan menetelmä Investoinnin kannattavuuden arvioinnissa käytettäviä menetelmiä on kuvattu tarkemmin luvuissa Annuiteettimenetelmä Annuiteettimenetelmässä nykyhankintameno jaetaan pitoaikaa vastaaville vuosille yhtä suuriksi pääomakustannuksiksi, vuosieriksi eli annuiteeteiksi. Vuosierä sisältää sekä poiston että annetun vuosikoron yhteenlaskettuna. Investointiin ryhtyminen on kannattavaa silloin, kun vuotuiset nettotuotot ovat yhtä suuret kuin pääoman hoitamisesta aiheutuvat kustannukset. Mikäli investointiin liittyy jäännösarvo, on sen nykyarvo vähennettävä hankintakustannuksista. Laskentamenetelmän ongelmallisuutena on se, että kovin toisistaan poikkeavia nettotuottovuosia on hankala hahmottaa. (Yritystulkki 2015).

26 Sisäisen korkokannan menetelmä Laskentamenetelmä on sukua nykyarvomenetelmällä sillä eroavuudella, että menetelmässä haetaan investoinnin tuottamaa korkokantaa. Jos korkokanta on suurempi kuin tavoite, on investointi kannattava toteuttaa. (Yritystulkki 2015) Takaisinmaksuajan menetelmä Takaisinmaksuajan menetelmässä selvitetään, kuinka nopeasti investoinnin yhteenlasketut nettotuotot maksavat investoinnin takaisin eli ylittävät perushankintakustannukset. Laskukaava on siis varsin yksinkertainen eli hankintakustannus / vuotuinen nettotuotto. (Yritystulkki 2015). 6.2 Laskelmien lähtötietoja Syötteinä laskelmissa on käytetty lietelantaa, perunan kuorta ja perunan puristenestettä. Lietelannan metaanituottopotentiaalina on käytetty arvoa 200 m 3 CH4/tVS, perunankuoren 360 m 3 CH4/tVS ja puristenesteen 450 m 3 CH4/tVS. TS- ja VS-pitoisuudet lietelannalla ovat TS 9 % ja VS 7 %, perunankuorella 20 % ja 18 %, puristenesteellä 15 % ja 14 %. Reaktorit toimivat märkäprosessina ja syöteseosten kuiva-ainepitoisuudet ovat %. Biokaasureaktoreja syötetään 260 päivänä vuodessa eli arkipäivisin. Reaktoritilavuus määritettiin lisäämällä laskettuun nestetilavuuteen 15 %. Reaktorien vipymäajaksi on valittu 30 vuorokautta biokaasureaktorissa ja 20 vuorokautta jälkikaasuuntumisaltaassa, jotta orgaanisen aineksen hajoaminen tapahtuisi mahdollisimman täydellisesti ja suurin osa syötteistä muodostuva metaanista saadaan talteen. Näissä tarkasteluissa yksi kuutio (m 3 ) metaania (CH4) vastaa energiasisällöltään 10 kwh. 80 % tuotetusta kaasusta myydään ulos hintaan 0,07 /kwh ja 20 % tuotetusta energiasta menee laitoksessa tarvittavan lämmön tuotantoon, lämpökattilan hyötysuhde on 85 %. Laitoksen sähkökulutus on 7 % kokonaisenergiantuotosta. Investointikustannuksiin on laskettu mukaan biokaasun tuotantoyksikkö, kaasukattila ja poltin sekä käsittelyjäännöksen jatkojalostus ja varastointi (2 kk tarve). Käsittelyjäännöksen varastoinnin vaatima tila on pieni, koska käsittelyjäännös voidaan kuljettaa takaisin suoraan maatiloille. Investointikustannuksissa on huomioitu 20 % investointituki. Investointituen ulkopuolelle jää mädätysjäännöksen kiintoaineen ja nestejakeen erotteluun tarvittava maksava linko. Laitoksen nettotuotto on laskettu vähentämällä vuosittaisista tuotoista laitoksen käyttökulut. Tuottoina on huomioitu tuotetun kaasun myynti ja käyttökuluina huolto- ja varaosakustannukset, joiden määrä on 2 % kokonaisinvestoinnin määrästä, syöteraaka-aineiden hankintakulut 6 /t ja

27 sähkön ostaminen (hinta 0,1 /kwh). Käyttökuluissa ei ole huomioitu työstä aiheutuvia kustannuksia Tulokset Biokaasulaitoslaskelma 1 ( t/v) Mitoituslaskelmassa 1 on syötteinä kaikki alueella vuodessa syntyvä lietelanta tonnia ja perunajäte tonnia (kuori t ja puristeneste t), syötteiden määrä yhteensä tonnia vuodessa. Taulukkoon 6 on koottu laskelman keskeisimmät lähtötiedot ja tulokset. Suunnitelman tarkat laskelmat on nähtävissä osoitteessa Taulukko 6. Biokaasulaitoksen 1 lähtötiedot ja tulokset Biokaasulaitoslaskelma 1 ( t/v) Syötteet Määrä t/a Suhde Lietelanta % Perunankuori % Puristeneste % Yht Syöteseoksen TS-pitoisuus 10,7 % Syöteseoksen VS-pitoisuus 8,8 % Reaktori Kuormitus kgvs/m3vrk 2,97 Viipymä - valittu arvo (vrk) Reaktorin tilavuus m Jälkikaasuuntumisaltaan viipymä - valittu arvo (vrk) 20 Jälkikaasuuntumisaltaan tilavuus m Energia Metaanituotto m3/a Laitoksen kokonaisenergiantuotto (kwh) Tuotettu metaanienergia MWh/a Myytävä kaasu kwh/v Tuotot ja kulut Tuotot (kaasun myynti) Käyttökulut Nettotuotto /a Kannattavuus Investointikustannus, joka sisältää ei tukikelpoisen investoinnin (linko) Investointituki % Tuen määrä Investointikustannus tuen jälkeen Annuiteetti tuki huomioiden Takaisinmaksuaika tuki huomioiden v 6,76 Korkokanta tuki huomioiden 13,25 %

28 Biokaasulaitoslaskelma 2 ( t/v) Mitoituslaskelmassa 2 on syötteinä lietelanta tonnia ja perunajäte tonnia (kuori t ja puristeneste t), yhteensä tonnia. Taulukkoon 7 on koottu laskelman keskeisimmät lähtötiedot ja tulokset. Suunnitelman tarkat laskelmat on nähtävissä osoitteessa Taulukko 7. Biokaasulaitoksen 2 lähtötiedot ja tulokset Biokaasulaitoslaskelma 2 ( t/v) Syötteet Määrä t/a Suhde Lietelanta % Perunankuori % Puristeneste % Yht Syöteseoksen TS-pitoisuus 11,9 % Syöteseoksen VS-pitoisuus 10,0 % Reaktori Kuormitus kgvs/m3vrk 3,36 Viipymä - valittu arvo (vrk) 30 Reaktorin koko tilavuus m Jälkikaasuuntumisaltaan viipymä - valittu arvo (vrk) 20 Jälkikaasuuntumisaltaan tilavuus m3 730 Energia Metaanituotto m3/a Laitoksen kokonaisenergiantuotto (kwh) Tuotettu energia MWh/a Myytävä kaasu kwh/v Tuotot ja kulut Tuotot Käyttökulut Nettotuotto /a Kannattavuus Investointikustannus, joka sisältää ei tukikelpoisen investoinnin (linko) Investointituki % Tuen määrä Investointikustannus tuen jälkeen Annuiteetti tuki huomioiden Takaisinmaksuaika tuki huomioiden v 7,09 Korkokanta tuki huomioiden 12,50 %

29 Biokaasulaitoslaskelma 3 (9 500 t/v) Mitoituslaskelmassa 3 on syötteinä lietelanta tonnia ja perunajäte 3500 tonnia (kuori 2500 t ja puristeneste 1000 t), yhteensä 9500 tonnia. Pienemmän lietelannan määrän takia syötteen kuiva-ainepitoisuus on liian korkea märkäprosessiin, joten syötettä on laimennettava vedellä 13 %:n kuiva-ainepitoisuuteen. Laimennukseen voi olla mahdollista käyttää mädätysjäännöksen separoinnissa syntyvää nestejaetta, on kuitenkin huomioitava mahdollinen liukoisen typen määrän kumuloituminen. Suunnitelmassa ei ole huomioitu laimennusveden hintaa. Taulukkoon 8 on koottu laskelman keskeisimmät lähtötiedot ja tulokset. Suunnitelman tarkat laskelmat on nähtävissä osoitteessa Taulukko 8. Biokaasulaitoksen 3 lähtötiedot ja tulokset Biokaasulaitoslaskelma 3 (9 500 t/v) Syötteet Määrä t/a Suhde Lietelanta % Perunankuori % Puristeneste % Yht Laimennusvesi 420 Syöteseoksen TS-pitoisuus 12,0 % Syöteseoksen VS-pitoisuus 10,2 % Reaktori Kuormitus kgvs/m3vrk 3,41 Viipymä - valittu arvo (vrk) 30 Jälkikaasuuntumisaltaan viipymä - valittu arvo (vrk) 20 Reaktorin koko tilavuus m3 940 Jälkikaasuuntumisaltaan tilavuus m3 620 Energia Metaanituotto m3/a Laitoksen kokonaisenergiantuotto (kwh) Tuotettu energia MWh/a 3085 Myytävä kaasu kwh/v Tuotot ja kulut Tuotot Käyttökulut Nettotuotto /a Kannattavuus Investointikustannus, joka sisältää ei tukikelpoisen investoinnin (linko) Investointituki 20 % Tuen määrä Investointikustannus tuen jälkeen Annuiteetti tuki huomioiden Takaisinmaksuaika tuki huomioiden v 6,6 Korkokanta tuki huomioiden 13,50 %

30 Investointikustannus Investoinnin vaikutus sisäiseen korkokantaan Kuvassa 25 on esitetty laskelman 2 ( t/v) kokonaisinvestoinnin määrän vaikutus korkokantaan biokaasulaitos 2:n kohdalla. Investointikustannusten vaikutus korkokantaan ,0 % 8,0 % 10,0 % 12,0 % 14,0 % 16,0 % Korkokanta Kuva 25. Investointikustannusten vaikutus korkokantaan 6.4 Johtopäätökset Näissä laskelmissa investoinnin kannattavuutta on arvioitu kolmella eri tavalla: annuiteetti-, sisäisen korkokannan ja takaisinmaksuajan menetelmillä. Annuiteettimenetelmässä laitoksen pitoajaksi on valittu rakennuksille 20 vuotta, tekniikalle 10 vuotta ja moottoreille 4 vuotta. Jäännösarvo on oletettu nollaksi ja laskentakorkokanta on 7 %. Annuiteettimenetelmällä laitos 1 on kannattavin, mutta laitosten välillä ei ole suuria eroja. Sisäisen korkokannan menetelmällä laitos 3 on kannattavin, tosin ero laitoksen 1 kannattavuuteen ei ole suuri. Takaisinmaksuajan menetelmällä laitos 3 on kannattavin, mutta tälläkään menetelmällä erot eivät ole suuria. Koska eri laitosten investointien kannattavuudessa ei ole merkittäviä eroja on laitoksen mitoituksessa kiinnitettävä erityistä huomioita kaasun kysyntään, jotta saadaan kaikki laitoksessa syntyvä kaasu myytyä.

31 30 LÄHTEET Kymäläinen, M. & Pakarinen, O. (toim.) (2015). BIOKAASUTEKNOLOGIA Raaka-aineet, prosessointi ja lopputuotteiden hyödyntäminen. HAMKin julkaisuja 17/2015. Lahden ammattikorkeakoulu (n.d.) InforME-hanke. Haettu osoitteesta Luonnonvarakeskus. Biokaasulaskuri. Haettu osoitteesta Luostarinen S., Paavola T., Ervasti S., Sipilä I. & Rintala J. (2011). Lannan ja muun eloperäisen materiaalin käsittelyteknologiat. Hyötylantatutkimusohjelman kirjallisuuskatsaus. MTT Jokioinen. Haettu osoitteesta Riihimäki M., Mahal K., Suoniemi J., Nurmio J., Sirkiä S., Marttinen S., Pyykönen V. & Winquist E. (2014). Biokaasulaskurin käyttöohje. KÄYTÄNNÖN OHJEITA BIOKAASULAITOINVESTOINTIA HARKITSEVALLE. MTT Jokioinen. Haettu osoitteesta rja.pdf Toimiva yrittäjä (2015). Investoinnin kannattavuus. Haettu osoitteesta