Teknis-taloudellinen selvitys: Biokaasutuotannon kannattavuus Mänttä-Vilppulan alueella Loppuraportti

Transkriptio

1 Teknis-taloudellinen selvitys: Biokaasutuotannon kannattavuus Mänttä-Vilppulan alueella Loppuraportti

2 Sisällys 1. Lähtökohta Mänttä-Vilppulan biokaasulaitoshanke lähtötietojen kartoitus ja käsiteltävien materiaalien valinta Materiaalit Lopputuotteen hyödyntäminen Taustatiedot kannattavuuteen Muodostuvien jakeiden biokaasupotentiaali sekä alustavat laitosinvestoinnit ja kannattavuus Biokaasulaitoksen päälaitteet ja mitoitus Vastaanottorakenteet ja materiaalin esikäsittely Hydrolyysisäiliö Hygienisointi ja lämmönsiirto Biokaasureaktori(t) Mädätteen välivarasto ja kaasuvarasto Mädätteen vedenerotus Rejektiveden ja mädätteen varastoallas CHP yksikkö, soihtupoltin ja kaasunkäsittely Biokaasun jalostuslaitteisto liikennekäyttöä varten Pumput ja putkisto Hajukaasujen käsittely Biokaasulaitosten kannattavuus Sähkön syöttötariffi Biokaasulaitoksen investointi ja kannattavuus Kannattavuuslaskelmissa käytetyt vaihtoehdot (VE1-VE4) Kannattavuuslaskelmat ja tulokset Yhteenveto (27)

3 1. Lähtökohta Ylä-Pirkanmaan (Juupajoki, Mänttä-Vilppula, Ruovesi, Virrat) ja Keuruun seutukunnan (Keuruu, Multia) alueella on käynnistynyt energia- ja ympäristöklusterin kehittämishanke (ENY). ENY-hankkeen puitteissa tehtiin tammi-helmikuun 2013 aikana esiselvitys hankealueelle sijoittuvan biokaasulaitoksen kannattavuudesta. Selvitystyön laati biokaasualalla toimiva Watrec Oy ( Esiselvityksen tarkoituksena oli selvittää hankealueen biokaasuntuoton lähtökohdat ja kannattavuus. Esiselvitys osoitti että biokaasulaitoksen sijoittuminen hankealueelle herätti positiivista kiinnostusta ja että biokaasulaitostoiminta hankealueen biokaasulaitokselle soveltuvilla materiaaleilla on kannattavaa. Kannattavuutta tulisi selvityksen tasosta kuitenkin parantaa, jonka vuoksi päätettiin laajentaa kartoitettavaa aluetta, noin 150 km:n säteellä Mänttä-Vilppulasta, joka oli yksi todennäköisimmistä biokaasulaitoksen sijoituspaikasta. Koska laajennettu alue tulisi käsittämään yli 60 kuntaa, joista osa sijaitsee hankalan kulkuyhteyden päässä Mänttä-Vilppulasta, mm. Joutsa ja Hartola, todettiin että kartoitettavaa aluetta tulee supistaa alkuperäisestä. Lisäksi todettiin että tiettyjen alueiden biojätteet ja puhdistamolietteet ovat korvamerkittyjä toiminnassa oleville kompostointitai biokaasulaitoksille, joita on hankala saada toimitettavaksi hankealueen biokaasulaitokselle. Tarkempien tarkasteluiden ja keskustelujen pohjalta päätettiin että jatkoselvitykseen otetaan mukaan kunnista (puhdistamolietteet) Kuhmoinen, Ähtäri, Petäjävesi, Jämsä ja Jämsän Halli. Teollisista toimijoista jatkoselvitykseen otettiin esiselvityksen toimijoiden lisäksi Genencor Jämsänkoski. Jatkoselvityksestä jätettiin pois alkutuotannon lietelanta, koska se ei ole biokaasulaitostoimijalle kannattava jae ottaa käsiteltäväksi biokaasulaitokselle. Lietelannasta ei voida veloittaa riittävän korkeaa vastaanottomaksua, lisäksi lietelannan biokaasuntuottopotentiaali ei ole riittävän korkea, jotta se lisäisi merkittävästi tuotettavan biokaasun määrää ja siten lisäisi biokaasulaitoksen kannattavuutta. 3(27)

4 Esiselvitysraportissa on esitetty alaan liittyvä lainsäädäntö, kuvattu biokaasulaitosprosessi, ja esitetty erilaisten materiaalien biokaasuntuottopotentiaali. Nämä osiot on jätetty sen vuoksi pois tästä jatkoselvitysraportista. 2. Mänttä-Vilppulan biokaasulaitoshanke lähtötietojen kartoitus ja käsiteltävien materiaalien valinta 2.1 Materiaalit Jatkoselvitykseen pyrittiin löytämään biokaasulaitokselle soveltuvaa lisämateriaalia laitoksen kannattavuuden parantamiseksi. Kuten edellä esitettiin, jatkoselvitykseen mukaan valittiin muutaman kunnan ja yhden teollisen toimijan materiaalit. Taulukkoon 1 on koottu yhteen kyselyn perusteella saadut kuntien puhdistamo- ja sakokaivolietteiden sekä biojätteen määrät. Yhteensä alueella muodostuu puhdistamolietteitä noin tn/a. Isoimpina lietteentuottajia ovat Mänttä-Vilppula, Keuruu ja Virrat. Lietteiden kuiva-ainepitoisuuden keskiarvo on 30 %, koska Mäntän puhdistamolietteen ( tn/a) kuiva-ainepitoisuus on 35 %. Biojätettä, mukaan lukien kaupan biojätteet, muodostuu kunnissa arviolta yhteensä tn/a. Kaupan biojätteen osalta luku perustuu osin suoriin kyselyihin, osin arvioon. Erityisesti S-ketju on kiinnostunut kaupan biojätteen käsittelystä biokaasulaitoksissa. Eniten biojätettä tuottaa Keuruu. Mänttä- Vilppulan, Ruoveden ja Virtain biojätteestä huolehtii tällä hetkellä Pirkanmaan jätehuolto, eikä niistä ole tietoja kuntakohtaisesti saatavilla. Biojätteen kuiva-ainepitoisuus on yleensä noin %. Tässä selvitystyössä käytetään biojätteen TS-pitoisuuden keskiarvona 29 %. Sakokaivolietettä muodostuu noin tn/a, josta suurin osa Keuruulta. Teollisuudesta tuotettaisiin jakeita Saarioisten Sahalahden puhdistamolta sekä Genencor Oy:n Jämsänkosken tuotantolaitokselta. Yhteensä materiaalia muodostuu noin tn/a. 4(27)

5 TAULUKKO 1. Mänttä-Vilppulan biokaasulaitoshankkeen jatkoselvityksessä käytettävät materiaalit. Kunta Mänttä- Vilppula Jätevesilietteet (tn/a) Teollinen materiaali (tn/a) Biojäte (tn/a) Pirkanmaan jätehuolto hoitaa kunnan osalta Ruovesi 900 Virrat Kaupan biojäte (tn/a) Sakokaivo (tn/a) Keuruu Multia mukana Keuruussa Juupajoki toiminta loppuu Jämsä 700 Jämsä, Halli 500 Kuhmoinen 400 Petäjävesi 200 Ähtäri Muut: Saarioisten tehdas Sahalahti Genencor, Jämsänkoski Yhteensä Kannattavuuslaskelmissa käytetyt määrät on esitetty taulukossa 2. Kokonaiskapasiteetiksi on arvioitu tonnia vuodessa käsiteltävää materiaalia. TAULUKKO 2. Laskelmissa käytetyt materiaalimäärät ja kuiva-ainepitoisuudet. Jakeet Kuvaus TS % Määrä (tn/a) 1 Puhdistamolietteet Biojäte Sakokaivoliete Genencor Jämsänkoski Vastaanottokapasiteetti: (27)

6 2.2 Lopputuotteen hyödyntäminen Loppuraportti Lopputuotteena syntynyt mädäte koostuu lähinnä käsitellystä puhdistamolietteestä, maatalouden lietteistä sekä biojätteestä. Lopputuotteen määrä vuodessa on ilman veden erotusta noin tn, vedenerotuksen jälkeen muodostuvan kuivajakeen määrä on noin tn/a ja nestejakeen (osa nesteestä kierrätetään takaisin prosessiin) noin tn/a. Peltokäytössä mädätettä hyödynnettäessä tarvittava levitysala on maksimissaan ha (rajoittavana tekijänä fosfori). Laskelmassa on käytetty typpilannoitteiden käyttöä vuositasolla määrittelevänä keskimääräisenä arvona 120 kg typpeä/hehtaari peltoa ja fosforilannoitteiden käyttöä osalta vastaavasti arvoa 15 kg fosforia/hehtaari peltoa. Esiselvitystyön yhteydessä katsottiin myös alueen kuntien kesannolla ja viljelyssä olevien peltojen yhteismäärä sekä selvitettiin alueen muut peltoalaa käyttävät lannantuottajat (nautakarja ja siat) sekä ohjeellinen arvio jakeiden peltokäytössä tarvittavista peltoaloista (taulukko 3). Tiedot saatiin Maa- ja Metsätalousministeriön Tietopalvelukeskuksesta (Tike). Lannan laskennallisiin levitysaloihin käytettiin Ympäristöministeriön Kotieläintalouden ympäristönsuojeluohjeen kesimääräisiä arvoja, eikä erikseen siis huomioitu esim. vasikoita tai emakkoja. TAULUKKO 3. Alueen kuntien peltopinta-alat sekä laskennalliset lannantuottajien tarvitsemat peltohehtaarit. Tarvittava Tarvittava Peltoala käyttö Kesannolla Kunta Lehmät peltoala Siat peltoala yhteensä + viljeltyä (ha) (ha) (ha) peltoa (ha) Mänttä- Vilppula Ruovesi Virrat Keuruu Multia Yhteensä Vapaana (27)

7 Saatujen tietojen ja laskelmien perusteella voidaan arvioida, että alueella olisi riittävästi peltopinta-alaa myös biokaasulaitoksen tarpeeseen. Jakeita voidaan hyödyntää, erityisesti veden erotuksen jälkeen, myös muissa kohteissa, kuten maisemoinnissa ja maanrakennuksessa tai mullan valmistuksessa, jolloin tarvittavan peltopinta-alan määrä pienenee. Syötteen sisältäessä puhdistamolietettä ja biojätettä, vaatii prosessi riittävän hygienisoitumisen takaamiseksi erillisen hygienisointikäsittelyn (1 h, 70 C). Puhdistamolietettä sisältävää mädätettä voidaan käyttää sellaisenaan tai vedenerotuksen jälkeen (tyyppinimi mädätysjäännös) maanparannusaineena peltokäyttöön mm. vilja- ja energiakasveilla. Nurmirehulle puhdistamolietettä sisältävän mädätteen käyttöä ilman stabilointia (vanhentaminen tai kompostointi => tyyppinimeltään tuorekomposti) Evira ei suosittele, vaikka se lainsäädännön puitteissa onkin sallittua. Jos veden erotus toteutetaan, on puhdistamolietettä käyttävän prosessin nestejae luokiteltu jätevedeksi, eikä sen levittäminen pelloille ole ollut sallittua. Tähän on kuitenkin odotettavissa kuluvan vuoden aikana muutoksia. Nestejaetta edelleen jatkojalostamalla voidaan siitä erottaa esim. ammoniakki, jota voidaan markkinoida tyyppinimeltään typpilannoite. MMM asetuksessa 24/11 lannoitevalmisteista on määrätty lannoitevalmistetyyppejä ja tyyppinimiryhmiä koskevat vaatimukset. Taulukkoon 7 on koottu mahdollisia biokaasulaitoksessa syntyneiden tuotteiden tyyppinimiä. Ilman vedenerotusta ja vanhentamista/kompostointia tyyppinimenä on mädätysjäännös. Lietteen kompostointi tai vanhentaminen lisää mahdollisia käyttökohteita. Kompostoinnin onnistumiseksi on tehtävä vedenerotus tai lisättävä mädätteeseen tukiainetta esim. turvetta. TAULUKKO 4. Biokaasulaitoksella syntyneen mädätteen tyyppinimiä (MMM asetuksen 24/11). Tyyppinimi Käyttö Mädätysjäännös 3A5/2 Maanparannusaineena sellaisenaan käytettävät sivutuotteet Mesofiilisen tai termofiilisen biokaasuprosessin sivutuotteena syntynyt hygienisoitu mädätysjäännös sellaisenaan tai mekaanisesti kuivattuna. Tuote soveltuu sellaisenaan käytettäväksi vilja- ja energiakasveille. Mikäli tuote sisältää yhdyskuntajä- 7(27)

8 Tuorekomposti 3A2/3 Orgaaniset maanparannusaineet Maanparannuskomposti 3A2/1 Orgaaniset maanparannusaineet Rejektivesi 1B4/4 (mukana ei saa olla ihmisperäistä jätevettä) Orgaanisina lannoitteina sellaisenaan käytettävät sivutuotteet Typpilannoite Nro 1A1/1 tevedenpuhdistamolietettä, on käyttörajoituksena mainittava tuoteselosteessa, ettei tuote sovellu käytettäväksi tuoreille vihanneksille, yrtti- ja juurimausteille, kotipuutarhoihin eikä taimituotantoon, varoaika 5 vuotta. Kompostoimalla tai mädättämällä ja vanhentamalla tai jälkikompostoimalla lannasta, puhdistamolietteestä, kasvijätteestä, ruokajätteestä, elintarviketeollisuuden orgaanisista jätteistä tai muusta vastaavasta aineksesta valmistettu tuote, joka on riittävän stabiilia ja hygieenistä. Tuote soveltuu käytettäväksi maanparannusaineena mm. vilja- ja energia-kasveille sekä maisemointiin ja eroosion estoon. Lisäksi tuotetta voidaan käyttää siirtonurmikoiden tuotannossa kasvualustana. Kompostoimalla tai mädättämällä ja riittävästi jälkikompostoimalla lannasta, puhdistamolietteestä, kasvijätteestä, ruokajätteestä, elintarviketeollisuuden orgaanisista jätteistä tai muusta vastaavasta aineksesta valmistettu tuote, joka soveltuu sellaisenaan käytettäväksi maanparannukseen ja eroosion estoon. Hyväksytyssä ainoastaan orgaanisiin lannoitevalmisteisiin soveltuvia raaka-aineita mädättävän biokaasulaitoksen kiintoaineksesta erotettu nestemäinen sivutuote. Tuoteselosteessa ilmoitettava raaka-aineista mahdollisesti aiheutuvat käytön rajoitukset, varoitukset pilaantumisalttiudesta (käyttöikä enintään 12 kk), valmistusaika sekä nitraattidirektiivin ja muun ympäristölainsäädännön levitykselle asettamat rajoitteet Kemiallinen valmiste, joka sisältää ammoniumnitraat- 8(27)

9 Epäorgaaniset pääravinnelannoitteet yksiravinteiset tia ja/tai ammoniumsulfaattia. Maanparannusaineet (3A) soveltuvat pelto- ja puutarhakäyttöön, maisemointiin, eroosion estoon sekä viheralueiden hoitoon ja rakentamiseen, jollei tyyppinimiryhmäkohtaisesti toisin säädetä. Lannoitevalmisteiden on täytettävä myös saman asetuksen liitteen IV vaatimukset haitallisten aineiden, eliöiden ja muiden epäpuhtauksien osalta. Maanparannusaineen raaka-aineen koostumus voi poiketa sallituista raaka-aineista kolmella prosenttiyksiköllä sen kuitenkaan muuttamatta lannoitevalmisteen tyyppinimeä. Käytettäessä muuta eläinperäistä ainesta kuin lantaa sisältäviä tuotteita tuotantoeläinten pääsy käyttöalueilla tulee estää 21 vuorokauden ajan käyttöhetkestä lukien eikä alueelta saa ko. varoajan aikana kerätä kasviainesta eläinten rehuksi. Orgaaniset lannoitteet (IB) soveltuvat pelto- ja puutarhakäyttöön sekä maisemointiin ja viheralueiden hoitoon ja rakentamiseen, jollei tyyppinimiryhmäkohtaisesti toisin säädetä. Orgaanisen lannoitteen raaka-aineen koostumus voi poiketa sallituista raaka-aineista yhdellä prosenttiyksiköllä sen kuitenkaan muuttamatta lannoitevalmisteen tyyppinimeä. [MMMa 24/11, liite IV] Epäorgaaniset lannoitteet (IA) soveltuvat pelto-, puutarha- ja metsäkäyttöön sekä maisemointiin ja viheralueiden perustamiseen ja hoitoon, jollei tyyppinimiryhmäkohtaisesti toisin säädetä. Epäorgaanisen lannoitteen raaka-aineen koostumus voi poiketa sallituista raaka-aineista yhdellä prosenttiyksiköllä sen kuitenkaan muuttamatta lannoitevalmisteen tyyppinimeä. [MMMa 24/11, liite IV] 9(27)

10 3. Taustatiedot kannattavuuteen 3.1 Muodostuvien jakeiden biokaasupotentiaali sekä alustavat laitosinvestoinnit ja kannattavuus Biokaasupotentiaali Tässä esiselvitystyössä mukana olleiden kuntien biojäte, puhdistamo- ja sakokaivolietteiden määrät on esitetty aiemmin taulukossa 1, kappaleessa 2.1. Yhteensä puhdistamolietteitä muodostuu tn/a, kuiva-ainepitoisuuden ollessa 30 %. Biojätettä selvitystyön alueella muodostuu tn/a (TS 29 %), josta rejektin osuus on noin 10 %, jolloin prosessiin syötettävän aineksen osuus on tn/a. Sakokaivolietteiden määrä on tn/a. Teollisuuden lietemäistä materiaalia on yhteensä noin tn/a, TS 17 %. Yhteensä materiaalia muodostuu vuodessa tn, materiaalin kuiva-ainepitoisuuden keskiarvo on 23,5 %. Syötteen kuiva-ainepitoisuus pitää ns. märkäprosessissa säätää laimentamalla noin 12 %:iin, kierrättämällä rejektivettä lopputuotteen kuivauksesta takaisin prosessin alkupäähän ja/tai lisäämällä teknistä vettä prosessin alkuvaiheeseen. Rejektiveden osuus on noin tn/a (TS 0,3 %) ja teknisen veden osuus tn/a (TS 0 %). Prosessivirtaama on siten tn/a (TS 12 %). Jakeiden biokaasupotentiaali on vuodessa noin Nm 3 /a (metaanina noin Nm 3 /a), eli MWh, jatkuva kaasuteho 2,5 MWh. Jätejakeiden vastaanottomaksut Useissa selvitystöissä on todettu, että ns. porttimaksulliset jakeet lisäävät biokaasulaitoksen taloudellista kannattavuutta. Tämän selvitystyön perusjakeet puhdistamolietteet, biojäte, sakokaivolietteet ja teolliset lietteet ovat kaikki näitä jakeita, jotka siten parantavat biokaasulaitoksen taloudellista kannattavuutta. Jätejakeiden jätepalvelumaksut puhdistamo- ja sakokaivolietteille, biojätteelle ja teollisuuden lietejakeelle ( tn) on yhteensä noin , mikäli maksut ovat 42 /tn jätevesilietteelle, 65 /tn biojätteelle, 10 /tn sakokaivolietteelle ja 50 /tn Genencorin solumassalle. Edellä esitetyt hinnat eivät sisällä kuljetuskustannuksia. 10(27)

11 Biokaasulaitoksen prosessisuunnittelu ja -mitoitus perustuu pääasiassa syötettävän materiaalin määrään ja koostumukseen. Se, millä tavalla tuotettu biokaasu hyödynnetään ei vaikuta sinänsä biokaasuprosessiin, vaan biokaasun hyödyntämisprosessiin. Tuotetun kaasun hyödyntämisvaihtoehdot CHP vaihtoehdossa biokaasulaitoksen investointitaso on Biokaasusta tuotettu sähköenergia myydään suoraan verkkoon, eli noin MWh. Prosessin tarvitsema sähköenergia ostetaan verkosta, noin MWh/a, hintaan 100 /MWh. Prosessi kuluttaa yleensä noin 20 % tuotetusta lämmöstä, jolloin lämpöä saadaan myyntiin MWh. Mikäli biokaasulaitos liittyy sähkön tuotantotuen (tariffi) piiriin (133,5 /MWh) muodostuu sähkön myyntituloja ja lämmöstä (35 /MWh). Mikäli biokaasulaitos myy sähköä markkinahintaan verkkoon ja hyödyntää sähkön tuotantotuen sijaan TEM:n investointituen (20 %), sähkön myyntituloja muodostuu /a (hinta 38 /MWh) ja lämmön myynnistä muodostuu tuloja /a, myyntihinta 35 /MWh. Tariffi-versiossa myyntituloja muodostuu vuodessa , kun huomioidaan vastaanottomaksut, ja markkinasähköversiossa Jos tuotettu biokaasu myydään sellaisenaan ulkopuoliselle kaasunhyödyntäjälle, on biokaasulaitoksen investointitaso Tuotetun biokaasun määrä vuodessa on Nm 3 ( MWh, 68 % metaania). Mikäli biokaasun myyntihinta on 40 /MWh saadaan siitä myyntituloja Yhteensä , kun huomioidaan vastaanottomaksut. Liikennebiokaasuvaihtoehdossa tuotetusta biokaasusta saadaan 97 % biometaania noin Nm 3 /a (huomioituna noin 5 %:n hävikki jalostusprosessissa). Jos tuotettu biokaasu jalostetaan liikennekaasuksi biokaasulaitoksella ja liikennekaasua tankataan biokaasulaitosoperoijan toimesta, on kokonaisinvestointitaso , sisältäen jalostusprosessin ja tankkausaseman. Jos liikennekaasun myyntihinta on 1,1 /kg, muodostuu siitä tuloja vuodessa , yhteensä , kun huomioidaan vastaanottomaksut. Edellä esitetyin perusteluin tämän selvitystyön kappaleessa 4. tarkastellaan Mänttä- Vilppulan biokaasulaitoksen taloudellista kannattavuutta neljällä eri vaihtoehdolla. Vaih- 11(27)

12 toehdoissa tarkastellaan kannattavuutta biokaasun hyödyntämisen kannalta joko CHP yksikössä sähkön ja lämmön tuottamiseksi, kaasun myynti sellaisenaan ulkopuoliselle toimijalle tai biokaasun jalostaminen liikennekaasuksi ja myynti biokaasulaitoksella. Näitä vaihtoehtoja tarkastellaan joko investointituen tai sähkön syöttötariffin kanssa. Seuraavassa kappaleessa käydään läpi yleisesti biokaasulaitosprosessia ja kuvataan prosessin päälaitteet sekä niiden merkitys prosessissa. Biokaasulaitosprosessin mitoitusperusteena käytetään prosessiin toimitettavien materiaalien määrää ja laatua. Tämän selvitystyön kannattavuusvertailussa (kappale 4) laitosprosessit ja prosessi-investoinnit poikkeavat ainoastaan biokaasun hyödyntämisen osalta, joko CHP laitteisto, myynti raakakaasuna tai biokaasun jalostus liikennekäyttöön. 3.2 Biokaasulaitoksen päälaitteet ja mitoitus Biokaasulaitosprosessi suunnitellaan yleensä perustuen syötteeseen sekä tuotetun energian ja muodostuvan lopputuotteen hyödyntämisen mukaisesti. Biokaasulaitoksen päälaitteisto voidaan yleisesti jaotella seuraavasti. Osa prosesseista voi sisältyä biokaasuprosessiin optiona. 1) Jakeiden vastaanotto ja esikäsittely sekä vastaanottoallas tai suppilo tai vastaava muoto 2) Sekoitusallas tai hydrolyysisäiliö 3) Hygienisointi, on mahdollista sijoittaa myös biokaasuprosessin loppupäähän 4) Biokaasureaktori(t) 5) Mädätteen välivarasto, (jälkikaasutus) 6) Mädätteen vedenerotus 7) Kuivatun mädätejäännöksen jatkokäsittely. Esim. kuivaus, rakeistus 8) Mädätteen vedenerotuksessa muodostuvan rejektiveden jatkokäsittely. Esim. ammoniakin strippaus, jätevedenpuhdistusjärjestelmä yms. 9) Rejektiveden ja/tai mädätteen varastoallas 10) Kaasuvarasto 11) Rikinerotusyksikkö ja/tai biokaasun puhdistus 12) CHP yksikkö (moottori tai mikroturbiini) 12(27)

13 13) Soihtupoltin 14) Kattila/ lämmöntuotanto 15) Hajukaasujen käsittely 16) Biokaasun jatkojalostus 17) Valvomo- ja sosiaalitilat 18) Vaakajärjestelmä Loppuraportti 19) Toimintaa tukevat tilat; kuten korjaamo ja erityyppiset varastot 20) Liikennöintiväylät ja piharakenteet Tämän selvitystyön biokaasulaitokselle toimitettavan materiaalin ( tn/a) alkuperä ja laatu vaatii prosessiin hygienisoinnin. Lopputuotetta (mädätejäännös) muodostuu tn/a, josta osa kierrätetään kuivausprosessin jälkeen laimennosvetenä prosessin alkuvaiheeseen. Biokaasulaitoksen prosessi on esitetty yleislohkokaaviona liitteessä 1. Biokaasuprosessia ohjataan kaikissa vaihtoehdoissa tietokonepohjaisella valvomo-ohjelmalla. Biokaasulaitos mitoitetaan siellä käsiteltävän materiaalin koostumuksen ja määrän mukaisesti. Yleensä materiaalin viipymä biokaasureaktorissa on noin vuorokautta. Biokaasulaitoksen vastaanotto mitoitetaan materiaalin vastaanottotavan mukaan. Pääsääntöisesti biokaasuprosessia tulee kuormittaa orgaanisen aineksen osalta tasaisesti, eli syötteen orgaanisen aineksen (VS pitoisuus) pitoisuus tulisi olla vakio. Laitoksen pumppaus- ja sekoitustekniikka sekä putkisto määritetään vastaanotettavan materiaalin koostumuksen ja määrän mukaisesti. Prosessin venttiilit ja instrumentit (mittauslaitteet) mitoitetaan käsiteltävän materiaalin TS pitoisuuden, lämpötilan, paineen ja virtaaman perusteella. Valitut laitteet muodostavat siten selvitystyön prosessikokonaisuuden. Laitoksen kokonaismitoitus putkiston ym. laitteiden osalta toteutetaan niin, että laitoksen käsittelykapasiteettia voidaan kasvattaa lisäämällä prosessiin reaktoritilavuutta ja toinen CHP-yksikkö. Tämän selvitystyön tietojen perusteella laadittiin kustannustehokkain ja toimivin laitoskokonaisuus. Seuraavassa on käyty läpi valitun biokaasulaitoskonseptin pääprosesseja. 13(27)

14 3.2.1 Vastaanottorakenteet ja materiaalin esikäsittely Loppuraportti Biokaasulaitokselle toimitetaan orgaanista, biohajoavaa jäte- tai sivutuotemateriaalia. Pääsääntöisesti tällainen materiaali tuottaa hajotessaan ns. hajuyhdisteitä. Lisäksi materiaali voi sisältää taudinaiheuttajia, kuten salmonellaa ja E. coli-bakteereja. Sen vuoksi biokaasulaitokselle toimitettava materiaali on vastaanotettava ja esikäsiteltävä erillisessä vastaanottorakennuksessa. Vastaanottorakennus sisältää tarvittavat esikäsittelyprosessit ja laitteet sekä vastaanottoaltaan varusteineen. Esikäsittelyjärjestelmä mitoitetaan ja suunnitellaan käsiteltävän materiaalin ja määrän mukaan. Biokaasulaitoksessa puhdistamoliete vastaanotetaan suoraan umpinaiseen vastaanottoaltaaseen, joka on varustettu avattavalla luukulla. Sakokaivoliete toimitetaan prosessiin sakokaivolietteen vastaanotto- ja esikäsittelyprosessin kautta. Esikäsittelyn jälkeen se pumpataan vastaanottoaltaaseen. Erilliskerätty biojäte vastaanotetaan vastaanottorakennuksessa omaan tilaansa, jossa biojätteestä murskauksen jälkeen erotellaan muovit ja metallit sekä muut biojätteeseen kuulumattomat materiaalit. Esikäsittelyn jälkeen liettynyt biojäte toimitetaan vastaanottoaltaaseen ja pumpataan yhdessä muun materiaalin kanssa biokaasuprosessissa eteenpäin. Biokaasulaitoksen vastaanottoallas mitoitetaan käsiteltävän materiaalin määrän ja laadun sekä sen perusteella miten materiaalia muodostuu, erityisesti peltobiomassa ja teollisuuden jätejakeet. Tässä tapauksessa vastaanottoallas on tilavuudeltaan 390 m Hydrolyysisäiliö Vastaanottoaltaan jälkeen käsiteltävä aines pumpataan hydrolyysisäiliöön. Hydrolyysisäiliö toimii anaerobisen hajoamisen alkuvaiheena mutta toimii samalla puskurivarastona. Hydrolyysisäiliö on 780 m 3 :n teräslevyinen lieriösäiliö ja sieltä materiaali pumpataan hygienisoinnin kautta biokaasureaktoriin mitoitusvirtaamalla 8 m 3 /h. 14(27)

15 3.2.3 Hygienisointi ja lämmönsiirto Loppuraportti Käsiteltävät materiaalit pumpataan hygienisointiyksikköön lämmönvaihtimien kautta. Lämmönvaihtimissa materiaalin lämpötila kohotetaan 70 C:een. Hygienisointiyksikössä materiaalia pidetään yhden (1) tunnin ajan. Tänä tunnin aikana yksikköä ei täytetä eikä pureta. Hygienisointiyksikkö käsittää yleensä 1-3 kpl täyssekoitteisia ja eristettyjä säiliöitä. Ennen lämpötilan nostoa aines käsitellään esim. murskapumpulla, jolla taataan aineksen < 12 mm:n partikkelikoko. Käsittelyllä on lisäksi positiivista vaikutusta muihin biokaasulaitoksen prosesseihin. Ennen biokaasureaktoria lietteen lämpötila säädetään noin ºC:seen. Lämpötila muutetaan liete-lietelämmönvaihtimissa. Jäähdyttämisessä saatava lämpöenergia voidaan hyödyntää hygienisointiin pumpattavan materiaalin esilämmittämisessä Biokaasureaktori(t) Yleensä biokaasulaitoksella käsiteltävän materiaalin viipymän tulee biokaasureaktorissa olla noin vuorokautta, jotta käsiteltävän materiaalin sisältämä orgaaninen aines hajoaa lopputuotteiksi, metaaniksi ja hiilidioksidiksi. Biokaasureaktoreita on useaa eri tyyppiä. Karkeasti reaktorit voidaan jakaa neljään reaktorimalliin. Jako ei ole tarkka ja monet reaktorit ovatkin sekoitus olemassa olevista malleista. Valittu reaktorimalli on usein kompromissi rakennuskustannusten, rakennuspaikan, käsiteltävän materiaalin, sekoitustekniikan ja ilmasto- ja maantieteellistenolosuhteiden kesken. Ilmasto-olosuhteet vaikuttavat mm. reaktorin eristämiseen, lujuuslaskennassa huomioon otettaviin lumi- ja tuulikuormiin jne. Maantieteelliset huomioon otettavat seikat ovat mm. maanjäristysalueet. Alla on luoteltu reaktorimallit karkealla tasolla. 1. Litteäpohjainen reaktori a. Matala, lieriönmuotoinen, b. Halkaisija: korkeus >1, jopa >>1 c. Litteä (tai lievästi kartio) pohja 15(27)

16 2. Kartiopohjainen reaktori (usein ns. klassinen) a. Korkea, lieriön muotoinen b. Halkaisija: korkeus usein 1 c. Pohja kartionmuotoinen ja yläosa kartionmuotoinen 3. Ns. Eurooppalainen reaktori a. Litteäpohjaisen ja kartiopohjaisen yhdistelmä Loppuraportti b. Pohjakartio loivempi tai tasainen kuin kartiopohjaisessa c. Halvempi rakentaa kuin kartiopohjainen reaktori 4. Ns. Kananmunanmuotoinen reaktori (Egg-shape) Biokaasureaktorina käytetään pääsääntöisesti lieriön muotoista säiliötä. Säiliön materiaalina voidaan käyttää betonia tai terästä. Teräksisiä säiliöitä valmistetaan usealla eri tekniikalla. Tässä selvitystyössä reaktorina käytetään kahta identtistä, teräslevystä valmistettua lieriötä, joiden á tilavuus on m 3. Reaktori edustaa melko tyypillistä ns. Eurooppalaista reaktoria Mädätteen välivarasto ja kaasuvarasto Biokaasureaktorin jälkeen mädäte pumpataan välivarastoon. Välivarastossa mädätteestä saadaan vielä jopa noin 10 % biokaasua, joka ohjataan kaasuvarastoon. Kaasuvarastoon varastoidaan muodostunutta biokaasua, ja toisaalta kaasuvarasto toimii tuotetun kaasun paineen ja virtaaman tasaajana. Lähinnä kaasuvarasto mitoitetaan useimmiten vastaamaan kaasunkäytön puskurointitarvetta. Tässä selvitystyössä käytetään erillistä välivarastoa ja kaasuvarastoa. Välivarastona käytetään 780 m 3 :n teräslevysäiliötä joka on identtinen hydrolyysisäiliön kanssa ja kaasuvarastona erillistä 810 m 3 :n kaksoiskalvopalloa. 16(27)

17 3.2.6 Mädätteen vedenerotus Mädätteen välivarastoinnin jälkeen mädäte, jonka TS pitoisuus on noin 7-8 %, pumpataan vedenerotukseen. Lietteestä voidaan erottaa vettä monilla tavoilla. Mekaanisesti vettä voidaan poistaa lietteestä ainakin seuraavilla tavoilla: 1. Lingot 2. Suotonauhapuristimet 3. Ruuvipuristimet 4. Imusuodattimet 5. Kiekkopuristimet 6. Kammiosuotopuristin Tekniikoista yleisempi ovat lingot, suotonauha- ja ruuvipuristimet. Imusuodattimet, kiekko- ja kammiopuristimet ovat Suomessa harvinaisempia eikä niitä näin ollen pidetä tässä työssä mahdollisina lietteen mekaanisina kuivausmenetelminä. Vedenerotukeen valittiin tässä työssä mekaaninen linkokuivaus. Kilpailevina tekniikoina olivat suotanauhapuristin sekä ruuvipuristin. Linkokuivauksen valintaan vaikuttivat järjestelmän helppo automatisointi, pieni tilantarve ja vähäinen operoinnissa muodostuva pesuvesien määrä. Myös ruuvipuristin olisi ollut mahdollinen, toimiva tekniikka Rejektiveden ja mädätteen varastoallas Mädäte sellaisenaan tai siitä erotettu rejektivesi voidaan varastoida erillisissä varastoaltaissa. Biokaasulaitoksen varastoaltaan kapasiteetti on 2 x m 3. Mädäte tai rejektivesi täytyy siten varastoida osittain tiloilla ja etäsäiliöissä. Mikäli biokaasulaitoksen tontilla ei ole tilaa varastosäiliölle, on varastointi toteutettava kokonaisuudessaan biokaasulaitoksen ulkopuolella. Lopputuotteen vedenerotuksessa muodostuvalle kuivalle ainekselle, humukselle, varataan biokaasulaitokselta noin 3 kk:n varastointitila, noin m 2. 17(27)

18 3.2.8 CHP yksikkö, soihtupoltin ja kaasunkäsittely Loppuraportti Biokaasulaitoksella tuotetusta biokaasusta voidaan tuottaa energiaa usealla vaihtoehdolla. On valittu energiamuoto mikä tahansa, vaatii kaasu ennen hyödyntämistä esikäsittelyn. Biokaasulaitoksella tuotettu biokaasu sisältää pääasiassa metaania ja hiilidioksidia. Lisäksi se sisältää epäpuhtauksia kuten rikkivetyä, siloksaaneja jne. CHP yksikköä varten biokaasusta pitää poistaa ylimääräinen kosteus, ja tiettyjen haitta-aineiden kuten rikkivedyn ja siloksaanien pitoisuuksien tulee olla alle CHP yksikön raja-arvojen. Ylimääräinen kosteus poistetaan kaasun kuivauksessa. Kuivausprosessissa kaasun lämpötila lasketaan + 2 C:een, jolloin kosteus kondensoituu. Rikkivety voidaan poistaa esim. kemiallisesti käyttämällä aktiivihiilisovelluksia tai pesureita. Tässä työssä oletetaan, että rikkivety poistetaan käyttämällä aktiivihiiltä. CHP yksikössä biokaasusta voidaan tuottaa sekä sähköä että lämpöä. CHP yksikkö voi olla kaasumoottori tai mikroturbiini. Tässä selvitystyössä käytetään max kwe:n kaasumoottoria, joka on varustettu sähkögeneraattorilla ja lämmön talteenottojärjestelmällä. Mikäli CHP yksikössä esiintyy häiriöitä tai biokaasua ei voida hyödyntää muusta syystä CHP yksikössä, on biokaasu johdettava poltettavaksi soihtupolttimella, jonka maksimikapasiteetti on noin 400 Nm 3 /h Biokaasun jalostuslaitteisto liikennekäyttöä varten Mikäli tuotettu biokaasu on mahdollista jalostaa liikennekäyttöön, vaati se oman käsittelyprosessin. Käytännössä biokaasu esikäsitellään kuten CHP yksikölle, mutta CHP yksikön sijaan biokaasu toimitetaan jalostusyksikköön. Jalostus on käytännössä hiilidioksidin erottamista biokaasusta, tavoitteena lopputuotteen 97 % metaanipitoisuus. Jalostettua kaasua kutsutaan biometaaniksi. Hiilidioksidin erottamisen jälkeen biometaani paineistetaan sopivalle tasolle esimerkiksi tankattavaksi liikennekäyttöön. 18(27)

19 Biokaasua voidaan jalostaa eri tavoin, yleisin näistä lienee pesuritekniikka, jossa hiilidioksidi sidotaan biokaasusta veteen. Yleensä metaanipitoisuus pyritään saamaan tasolle 97 % ja hiilidioksidi alle 2 %:n. Kun koko tuotettu biokaasu jalostetaan liikennekaasuksi, saadaan liikennekaasuksi soveltuvaa biometaania noin Nm 3 /a = kg CH 4 /a Pumput ja putkisto Biokaasulaitoksella sakeamman materiaalin pumppaukseen käytetään yleisesti mm. 1. Epäkeskoruuvipumppuja, 2. Letkupumppuja, 3. Keskipakopumppuja tai 4. Hakkuripumppua. Putkistomateriaalina voidaan biokaasulaitoksella käyttää lietteen osalta mustaa hiiliterästä tai ruostumatonta terästä. Putket ja prosessilaitteet voidaan liittää laippaliitoksin. Prosessivesiputkistona käytetään ruostumatonta terästä tai muoviputkea (esim. PEH) ja kaasuputkistona haponkestävää terästä. Biokaasulaitoksen lieteputkiston putkikoot vaihtelevat DN80-DN200 välillä. Prosessivesiputkiston putkikoot vaihtelevat yleensä DN32- DN80 välillä ja kaasuputkisto on yleensä DN Laitoksen ulkopuolelle tuotettu kaasu pumpataan omaa kaasuputkistoa pitkin, jolloin tätä kaasulinjaa koskevat maakaasuasetuksen mukaiset säädökset. Maakaasuasetuksessa ja -käsikirjassa määritetään mm. käytettävät putkityypit ja materiaalit, putken asennustavat ja syvyydet Hajukaasujen käsittely Biokaasulaitoksella käsitellään orgaanisia, usein haiseviakin yhdisteitä. Prosessin eri osista voidaan kerätä hajukaasuja erilliseen käsittely-yksikköön, jolla alennetaan laitoksen mahdollisesti aiheuttamaa hajukuormaa. Tässä selvitystyössä hajukaasujen käsittelyprosessina käytetään kemiallista pesuria ja aktiivihiilisuodatusta, jonka on todettu olevan kustannustehokkain prosessi hajukaasujen käsittelyssä. 19(27)