Maatilamittakaavan biokaasulaitoksen energiatase lypsylehmän lietelannan sekä lietelannan ja säilörehun yhteiskäsittelyssä

Transkriptio

1 Maatilamittakaavan biokaasulaitoksen energiatase lypsylehmän lietelannan sekä lietelannan ja säilörehun yhteiskäsittelyssä Maataloustieteen päivät 2014 ja Halola-seminaari Tutkija, FM Ville Pyykkönen Erikoistutkija, FT Sari Luostarinen Professori Jukka Rintala (MTT/TTY) 1

2 MTT:n maatilakohtainen biokaasulaitos Mansikki Suunnittelu ja rakentaminen: Metener Oy Käyttöönotto kesä 2009 Mitoitettu tilan vuosittaisten perussyöttömateriaalien mukaan: Lehmän lietelanta 3500 m 3 /vuosi ( lypsävää) Kasvibiomassa 300 t/vuosi (n. 14 ha nurmea) Tutkimustarkoituksissa voidaan käyttää myös muita syöttömateriaaleja eri syöttösuhteissa

3 MTT Maaningan biokaasulaitos 300 m 3 reaktori m 3 jälkikaasuallas (JKA) Tekninen tila 20 kw el + 43 kw th CHP-yksikkö 80 kw th kaasukattila Lietelanta (3500 m 3 /a) pumpataan esisäiliöstä Rehunsyöttölaite (0 350 t/a) Photos: Sari Luostarinen, Ville Pyykkönen, Jenni Airaksinen

4 Maaningan biokaasulaitos, periaatekuva Jatkuva läpivirtaus, syötteen viipymä laitoksessa n vrk Viipymän aikana syötteen massasta muuttuu biokaasuksi esim. 4 %, loput tulee ulos lietemäisenä Nettosähkö navetan käyttöön, nettolämpö lähilämpöverkkoon Kuva: Ville Pyykkönen

5 Menetelmät: koejaksojen syötteet Lietelantakoe Marraskuu 2011 helmikuu 2012 Tarkastelujakso 4 vk kokeen lopussa talvella (-16,5 o C) Lietelantasyöte n. 10 m 3 /d (7,1 % ka-pit.) OLR 2,3 kgvs/m 3 d, HRT d Biokaasun poltto lämpökattilassa Ostosähkön käyttö biokaasulaitoksella Lietelannan ja säilörehun yhteiskäsittelykoe Helmikuu-heinäkuu 2012 Tarkastelujakso 6 vk kokeen lopussa kesällä (+15,5 o C) Liete 9,9 m 3 /d (6,1 % ka) + säilörehu 0,8 t/d (23,1 % ka) OLR 2,6 kgvs/m 3 d (rehun osuus 26 %), HRT d Biokaasun poltto CHP-yksiköllä ja kattilalla

6 Menetelmät: mittaukset ja laskelmat Biokaasun- ja metaanintuotto Reaktorin biokaasuntuotto Kattilan ja CHP:n kaasunkulutus Näiden erotuksesta laskennallinen JKA:n tuotto Biokaasun metaanipitoisuusmittari Lämpöenergia Kaasukattilan ja CHP-yksikön yhteensä tuottama lämpö Reaktorin lämpöenergiankulutus Nettolämpö biokaasulaitokselta verkkoon Sähköenergia CHP-yksikön tuottama sähkö Ostosähkö biokaasulaitokselle Nettosähkö navetalle Reaktorin ja JKA:n sekoittimien kwh-mittarit Hetkellisen tehon mittauksia yksittäisille sähkölaitteille

7 Biokaasulaitoksen energiatase Lietelanta Lanta + säilörehu KAASUN ENERGIASISÄLTÖ (kwh/d) Sähköntuotto kaasusta (kwh/d) b Lämmöntuotto kaasusta (%) 933 a 1145 b Biokaasulaitoksen sähkönkulutus (kwh/d) 172 c 145 Biokaasulaitoksen lämmönkulutus (kwh/d) NETTOSÄHKÖ (kwh/d) -172 c 236 NETTOLÄMPÖ (kwh/d) NETTOENERGIA YHTEENSÄ (kwh/d) 354 d 1130 Energian omakulutus / Kaasun energiasis. (%) Nettoenergia / Kaasun energiasisältö (%) a) Lämpökattilan hyötysuhde 76 % b) CHP ja kattilan yhteinen kokonaishyötysuhde 82 % (CHP: n. 26 % sähköhyötysuhde + 61,5 % lämpöhyötysuhde) c) Ostosähkö d) Ostosähkö vähennetty kokonaisnettoenergiasta

8 Biokaasulaitoksen sähkönkulutus Talvella teknisen tilan lämmitys suuri sähkönkuluttaja Mahdollista välttää kokonaan(?) tai toteuttaa vesikiertopattereilla suurempi nettosähköntuotto Reaktorin sekoitus suurin yksittäinen sähkönkuluttaja Rehunsyöttö lisää reaktorin sekoitustarvetta Lietelanta (talvi): 172 kwh/d Yhteiskäsittely (kesä): 145 kwh/d Muut; 51; 30 % R sekoitus; 63; 36 % Muut; 51; 35 % Tek. tilan lämmitys ; 45; 26 % JKA sekoitus; 14; 8 % JKA sekoitus; 14; 10 % R sekoitus; 79; 55 %

9 Reaktorin sekoitus Yhteiskäsittelyssä suurempi sekoituksen sähkönkulutus, mutta suuren kaasuntuoton ansiosta suurempi nettoenergiantuotto sekä parempi energiapanos/kaasuntuotto -suhde Lietelanta Lanta+rehu Reaktorikaasun energiasisältö (kwh/d) Reaktorin sekoitusenergia (kwh/d) Sekoitusenergia / Kaasun energia (%) 6 5 Kaasun energia sekoitusenergia (kwh/d) Sekoitustehon alentaminen enemmän nettosähköä Esim. tauottamalla sekoitusta Säästöpotentiaali jopa 70 %? Voi jopa lisätä kaasuntuottoa (ainakin lietteenkäsittelyssä) Käytettäessä rehusyötettä tehon alennus vaikeaa upposekoittimilla

10 Jälkikaasualtaan hyödyt JKA tuotti 14 % metaanista molemmissa kokeissa (30-33 o C) Hyöty korostuu käytettäessä lisäsyötteitä (kuormituksen kasvaessa) Parantaa laitoksen nettoenergiantuottoa Esim. yhteiskäsittelyssä JKA:lla Sekoitusenergia/Kaasuenergia -suhde sama kuin reaktorissa (5 %), mutta JKA ei kuluta lämpöenergiaa Vähentää käsittelyjäännöksen metaanipäästöjä Lisää orgaanisen typen mineralisoitumista

11 Tulosten tarkastelu 1 Arvio talven ja kesän nettoenergiamääristä optimaalisessa tilanteessa Ei teknisen tilan lämmitystä Kaikki kaasu poltetaan CHP-yksiköllä Lanta, talvi Lanta + rehu, talvi Lanta, kesä Lanta + rehu, kesä NETTOSÄHKÖ (kwh/d) NETTOLÄMPÖ (kwh/d)* NETTOENERGIA yht. (kwh/d) Nettoenergia / Kaasun energiasis. (%) *Reaktorin lämmitystarve arvioitu samaksi molemmilla syötteillä

12 Tulosten tarkastelu 2 Vuotuinen energiatase optimaalisessa tilanteessa Ei teknisen tilan lämmitystä Kaikki kaasu poltetaan CHP-yksiköllä Lanta 3650 m 3 Lanta 3614 m 3 + rehu 292 t KAASUN ENERGIASISÄLTÖ (MWh) Sähköntuotto kaasusta (MWh) Lämmöntuotto kaasusta (MWh) Laitoksen sähkönkulutus (MWh) Laitoksen lämmönkulutus (MWh)* NETTOSÄHKÖ (MWh) NETTOLÄMPÖ (MWh) NETTOENERGIA YHTEENSÄ MWh Nettoenergia / Kaasun energia (%) *reaktorin lämpöenergiamalli: Biotila-hankkeen loppuraportti

13 Tulosten tarkastelu 3 Nettoenergia voi vastata navetan vuotuista lämmönkulutusta ja kattaa n. 70 % navetan sähköntarpeesta Maaningan navetan lämmönkulutus 287 MWh/v (vuoden mittausjakso) Pihattonavetan sähkönkulutus esim. 174 MWh/v (arvio) Lanta Lanta + rehu Osuus navetan lämmityksestä (%) Osuus navetan sähkönkulutuksesta (%)

14 Tuloksia tarkemmin: Kiitos!