Selvitys biokaasun hyödyntämisestä osana jäteveden puhdistusta maatiloilla ja meijereillä Loppuraportti Jyväskylä Kesäkuu 2011
Sisältö 1. Lähtökohta... 3 2. Yleistä jätevedenkäsittelystä ja biokaasusta... 3 3. Biokaasulaitos... 5 3.1 Biokaasulaitosprosessin yleiskuvaus... 5 3.2 Biokaasulaitoksella tuotettavat jakeet... 7 4. Biokaasun hyödyntäminen maitotilalla... 10 4.1 Jätevesien ja heran koostumus, tilan energiankulutus ja muut lähtötiedot... 10 4.2 Maitotilan jätevesien puhdistusprosessit, vertailu... 12 4.3 Jäteveden ja heran yhteiskäsittely, prosessikuvaus ja energiapotentiaali... 13 4.4 Yhdistelmäpuhdistamon prosessikuvaus, investointi ja takaisinmaksuaika... 14 5. Maitotilan jakeet ja naudan lietelanta, biokaasulaitos kattamaan tilan omaenergiantarve... 15 5.1 Maitotilan taloudellisesti kannattava biokaasulaitos, lisäsyötteenä naudan lanta. 17 6. Yhteenveto... 20 2(20)
1. Lähtökohta Maitotiloilla muodostuu jätevesiä ja jätemateriaalina mm. jäteheraa juustonvalmistusprosessista. Lisäksi jos tiloilla on lypsylehmiä, naudanlietelantaa muodostuu noin 24 tn/a (kuivikelanta ja virtsa) lypsylehmää kohden. Perinteisesti maitotilan jätevedet on käsitelty omassa puhdistamossa ja lietelanta hyödynnetty sellaisenaan peltoviljelyssä varastoinnin jälkeen. Jäteheraa on pyritty hyödyntämään raaka-aineena eri, mutta yleensä se toimitetaan jätteenkäsittelyyn. Tämän selvitystyön tavoitteena on tarkastella maitotilan jätevesien sekä jäteheran ja jätevesien yhteiskäsittelyn kannattavuutta, investointitasoa ja takaisinmaksuaikaa. Jäteheraa muodostuu 500 m 3 /a ja jätevesiä noin 4000 m 3 /a. Jätevedet muodostuvat pääasiassa asutusjätevesistä ja tuotannon pesuvesistä. Mikäli jätevesien koostumus on prosessiin soveltuva, voidaan jätevedet ja hera käsitellä anaerobisessa prosessissa ja tuottaa niistä biokaasua. Tuotettu biokaasu voidaan hyödyntää energiana ja korvata ostettavaa sähkö- ja lämpöenergiaa. Tässä osuudessa arvioidaan lisäksi jätevedenkäsittelyssä muodostuvan puhdistetun jäteveden koostumusta ja mahdollinen lisäkäsittelyn tarve. Tällä hetkellä maitotilan jätevedet toimitetaan kuljetettuna kunnalliselle puhdistamolle ja jätehera käsiteltäväksi jätteenhuoltolaitokselle. Tässä selvitystyössä lasketaan lisäksi ko. maitotilalle perustettavan biokaasulaitoksen kannattavuutta, kun laitoksella käsiteltäisiin edellä mainittujen materiaalien lisäksi naudan lietelantaa. Osiossa arvioidaan biokaasun tuottopotentiaali, tarvittava naudanlannan määrä sekä laitoksen investointitaso ja taloudellinen kannattavuus kahdella eri vaihtoehdolla: sähkön syöttötariffin kanssa ja ilman sitä. 2. Yleistä jätevedenkäsittelystä ja biokaasusta Orgaanista ainesta sisältäviä jätevesiä voidaan käsitellä kustannustehokkaasti biologisilla käsittelymenetelmillä. Biologiset menetelmät saattavat vaatia lisäksi erillisen osaprosessin mm. typen ja/tai fosforin poistamiseksi, sillä biologinen prosessi poistaa jätevesistä pääasiassa orgaanista ainesta. Tällaisia jätevesiä ovat kunnalliset jätevedet, elintarvike- 3(20)
teollisuuden vedet sekä maatalouden vedet. Biologisia prosesseja on käytetty jätevesien käsittelyssä useiden vuosikymmenien ajan. Perinteisesti on käytetty ns. aerobista prosessia, jossa jätevettä ilmastetaan aerobisten bakteerien toiminnan tehostamiseksi jäteveden käsittelyprosessissa. Ilmastuksen tarkoitus on ylläpitää hapen määrä jätevedessä riittävän korkealla tasolla (yleensä noin 2 mg O 2 /l) jotta aerobiset bakteerit voivat tehokkaasti hajottaa jäteveden sisältämää orgaanista ainesta. Aerobisessa prosessissa bakteerit tuottavat tehokkaasti uusia soluja, lisäksi ne tuottavat CO 2 :ia ja vettä. Aerobisen prosessin hyvinä puolina on melko yksinkertainen prosessikokonaisuus ja varmatoimisuus sekä puhdistusteho alhaisemmissa lämpötiloissa. Huonoina puolina on energiankulutus (ilmastus) sekä prosessissa muodostuvan ylijäämälietteen määrä, joka vaatii jatkokäsittelyn. Toinen biologinen prosessivaihtoehto orgaanisten jätevesien käsittelemiseksi on ns. anaerobinen prosessi. Siinä jätevesi johdetaan suljettuun lieriösäiliöön, jonka olosuhteet pidetään hapettomina, anaerobisina. Hapettomissa olosuhteissa anaerobiset bakteerit hajottavat orgaanista ainesta muodostaen metaania ja hiilidioksidia. Anaerobisen prosessin etuja ovat korkeakuormitteisuus ja että prosessi tuottaa energiaa, biokaasun muodossa. Haittapuolina voidaan pitää sitä että prosessi vaatii joko 37 C:een tai 55 C:een lämpötilan jotta puhdistusteho on riittävä. Haittapuolena voidaan pitää myös sitä, ettei puhdistettavan jäteveden TSS-pitoisuus saisi olla yli 500 mg/l. Koska anaerobinen jätevedenpuhdistusprosessi tuottaa uusiutuvaa energiaa biokaasun muodossa, on se prosessimuoto otettu tarkastelun kohteeksi tässä selvitystyössä. Tämän selvitystyön toisessa osiossa tarkastellaan maitotilan jätevesien käsittelyä yhdessä naudan lietelannan kanssa, jolloin jätevedenkäsittelyprosessi muuttuu biokaasuprosessiksi. Biokaasuprosessissa käsitellään orgaanisia jäte- ja sivutuotteita (lietemäisiä) anaerobisissa olosuhteissa. Seuraavassa on lyhyesti kuvattu anaerobisen eli hapettoman biologisen hajoamisen periaate. Prosessi ja sen välivaiheet on kuvattu tarkemmin useassa kotimaisessa selvitystyös- 4(20)
sä ja raportissa, joita voi käydä lukemassa ja lataamassa ilmaiseksi internet-sivuilta, mm.: www.biokaasufoorumi.fi. Biokaasua voidaan tuottaa eloperäisestä eli orgaanisesta aineksesta (mm. maatalouden lietelanta, kasvibiomassa, teollisuuden sivutuotteet ja jätteet) mikrobien avulla hapettomissa, anaerobisissa olosuhteissa. Tässä ns. mädätysprosessissa orgaaninen aines hajoaa metaaniksi ja hiilidioksidiksi, lisäksi lopputuotteena muodostuu fosforipitoista humusta ja typpipitoista nestelannoitetta. Biokaasuprosessissa (laitosmainen toiminta, ohjattu prosessi) muodostuva biokaasu sisältää yleensä noin 60-70 % metaania (CH 4 ) ja 30-40 % hiilidioksidia (CO 2 ). Lisäksi biokaasu saattaa sisältää (riippuen käsiteltävän materiaalin koostumuksesta) rikkivetyä, ammoniakkia, vetyä ja häkää. Jos biokaasulaitoksella käsitellään jätevedenpuhdistamon lietteitä, voi biokaasu sisältää siloksaaneja, jotka aiheuttavat ilman käsittelyä ongelmia kaasun jatkokäytössä. Siloksaanit ovat peräisin pesukemikaaleista ja aineista. Biokaasua voidaan hyödyntää biokaasulaitoksella erillisellä CHP yksiköllä (combined heat and power) sähköksi ja lämmöksi tai esim. polttaa kattilassa lämmöksi. Yksi kuutiometri (1 m 3 ) metaania sisältää energiaa noin 10 kwh, joka vastaa noin yhtä litraa kevyttä polttoöljyä. Biokaasu on mahdollista myös puhdistaa hiilidioksidista ja muista epäpuhtauksista ns. biometaaniksi, joka paineistuksen jälkeen voidaan hyödyntää liikennepolttoaineena. Mikäli biokaasulaitoksen lähialueella sijaitsee kaukolämpövoimala ja biokaasu soveltuu voimalan polttotekniikkaan, voidaan biokaasu hyödyntää kaukolämpövoimalassa. Biometaani voidaan myös toimittaa maakaasuverkostoon, jos sellainen sijaitsee lähellä biokaasulaitosta. 3. Biokaasulaitos 3.1 Biokaasulaitosprosessin yleiskuvaus Biokaasuprosessit voidaan jakaa karkeasti prosessin lämpötilan mukaan mesofiilisiin (35-38 C) ja termofiilisiin (55 C); kuiva-ainepitoisuuden mukaan kuivaprosessiin (20-40 %) ja märkäprosessiin (< 15 %) ja toisaalta panos- tai jatkuvatoimisiin prosesseihin. Tässä 5(20)
selvitystyössä tarkastellaan mesofiilista, märkäprosessiin perustuvaa jatkuvatoimista biokaasulaitosprosessia. Tämän kaltainen prosessi on käytännössä osoittautunut Suomen olosuhteisissa helpoksi operoitavaksi ja luotettavaksi, eikä vaadi erityislaitteita massan siirtoon tai sekoittamiseen. Kaasuntuotto märkäprosessissa on tasaista, mikä on tärkeää energian myynnin kannalta. Biokaasulaitoksen hankintapäätökseen ja sijoittamiseen vaikuttavat käsiteltävä aines ja määrä sekä jakaantuminen alueellisesti, biokaasulaitoksessa käsitellyn aineksen (humus) ja ravinnepitoisen nestefaasin jatkohyödyntäminen, biokaasulaitoksen tekniset laiteratkaisut, investointitaso, porttimaksut, tuotetun energian (biokaasu) myynti ja hyödyntämismahdollisuudet, sähkön syöttötariffijärjestelmä sekä muut tukimuodot. Biokaasulaitos mitoitetaan käsiteltävän aineksen määrän ja laadun perusteella. Biokaasulaitoksella käsiteltävä aines vastaanotetaan yleensä erillisessä vastaanottotilassa vastaanottoaltaaseen. Ennen vastaanottoallasta tietyt jakeet, mm. kaupan biojäte, teurasjäte, peltobiomassa, esikäsitellään biokaasuprosessiin sopivaan muotoon. Yleensä esikäsittely tarkoittaa kappalekoon pienentämistä ja käsiteltävän materiaalin homogenisointia. Aineksen kuiva-ainepitoisuus (TS) säädetään märkäprosessille sopivaksi, noin 10-14 %, eli massa on silloin helpohkosti pumpattavissa ja sekoitettavissa. Vastaanottoaltaasta homogenisoitu aines pumpataan biokaasureaktoriin. Ennen biokaasureaktoria aineksen lämpötila nostetaan lämmönvaihtimien avulla, ns. mesofiilisessa biokaasureaktorissa noin 35 C:seen. Lietteen lämmitykseen tarvittava energia saadaan laitoksen omalta CHP yksiköltä, joka hyödyntää biokaasulaitoksella muodostuvaa biokaasua. Käsiteltävä aines sekoitetaan reaktorissa joko pysty- tai sivusekoittimien avulla, myös pumppuja voidaan sekoituksessa käyttää. Sekoittamisen tarkoituksena on tehostaa biokaasun muodostumista, pitää käsiteltävän aineksen laatu tasaisena sekä estää tiettyjen ainesosien kertymistä reaktorissa olevan massan pintaosiin. Käsiteltävän aineksen viipymä reaktorissa on yleensä noin 21-30 vrk. Biokaasureaktorissa käsiteltävän massan sisältämä orgaaninen aines hajoaa mikrobien vaikutuksesta monivaiheisessa prosessissa ja hapettomissa oloissa lopputuotteiksi, pääasiassa metaaniksi (CH 4 ) ja hiilidioksidiksi (CO 2 ). Muodostunut kaasu ohjataan reaktorin 6(20)
kaasuosasta kaasuvarastoon ja edelleen kaasunkäsittelyyn ja hyödyntämistä varten. Biokaasulaitos varustetaan häiriötilanteita varten myös ns. soihtupolttimella, jossa muodostuva biokaasu voidaan tarvittaessa polttaa, mikäli CHP yksikkö tai vastaava laitteisto ei ole käytettävissä. CHP yksikkö voi olla kaasumoottori ja/tai mikroturbiini. Lisäksi kaasu voidaan hiilidioksidin erottamisen ja paineistuksen jälkeen hyödyntää liikennepolttoaineena, ns. biometaanina. On kuitenkin huomioitava, että biokaasun jalostaminen biometaaniksi vaatii mittavat laiteinvestoinnit, eikä niitä yleensä pienempiin biokaasulaitoksiin sen vuoksi ole mielekästä hankkia. Kun käsiteltävä aines on viipynyt biokaasureaktorissa noin 21-30 vrk, sen sisältämä orgaaninen aines on muuttunut lähes kokonaan biokaasuksi. Ravinnepitoinen mädäte siirretään pumpuilla välivarastoon, jossa siitä muodostuu vielä biokaasua, n. 5-10 % kokonaistuotosta. Mädätteen kuiva-ainepitoisuus (TS) on tässä vaiheessa noin 3-7 %, riippuen lähtötilanteen TS pitoisuudesta, viipymästä reaktorissa ja orgaanisen aineksen koostumuksesta. Mädäte sisältää ravinteita ja epäorgaanisia yhdisteitä, joiden pitoisuudet pysyvät prosessissa lähes muuttumattomina. Välivaraston jälkeen mädäte voidaan siirtää vedenerotukseen, jossa erotetaan fosforipitoinen humus (TS pitoisuus 20-30 %) ja ammoniumtyppipitoinen rejektivesi. Jakeet voidaan hyödyntää lannoitevalmistelain ja sivutuoteasetuksen mukaisesti mm. maanparannusaineena ja lannoitteena. Humus voidaan edelleen mm. rakeistaa ja rejektivedestä konsentroida ammoniumtyppi. Mädäte voidaan levittää peltoon myös sellaisenaan, ilman veden erotusta. Lannoitevalmistelakia ja sivutuoteasetusta valvoo Elintarviketurvallisuusvirasto (Evira). Ohjeita lannoitevalmisteiden valmistuksesta ja käytöstä löytyy mm. Eviran internet-sivuilta osoitteesta www.evira.fi. 3.2 Biokaasulaitoksella tuotettavat jakeet Mädäte ja mädätteen hyödyntäminen Biokaasulaitoksella voidaan käsitellä lähes kaikenlaista eloperäistä, orgaanista ainesta. Aineksen koostumus ja alkuperä vaikuttaa biokaasulaitoksen prosessiin (hygienisointi, sterilointi) ja mihin biokaasulaitokselta muodostuva humus ja rejektivesi voidaan toimittaa (mm. lannoitevalmistelaki). Biokaasulaitoksella vastaanotettavan aineksen hygieni- 7(20)
sointi ja sterilointi koskee muita kuin ihmisravinnoksi tarkoitettuja eläimistä saatavia sivutuotteita, josta määräykset antaa ns. sivutuoteasetus. Sivutuoteasetuksessa sivutuotteet jaetaan kolmeen eri luokkaan, joilla on erilaiset käsittelyvaatimukset. Luokan 1 sivutuotteita ei ole sallittu käyttää raaka-aineena kompostointi- tai biokaasulaitoksissa, vaan ne on hävitettävä sivutuoteasetuksen vaatimusten mukaisesti. Luokkiin 2. ja 3. kuuluvia materiaaleja voidaan käsitellä biokaasulaitoksella. Luokkaan 2. kuuluvia materiaaleja ovat mm. lanta, kuolleet tai teurastetut siat ja siipikarja. Luokkaan 3. kuuluvia materiaaleja ovat mm. elintarviketeollisuuden sivutuotteet ja ruokajäte. Puhdistamolietettä ei luokitella eläinperäisiksi sivutuotteiksi, eikä se siten kuulu sivutuoteasetuksen piiriin. Luokan 2 materiaali lantaa lukuun ottamatta tarvitsee sterilointikäsittelyn ja luokan 3 materiaali hygienisointikäsittelyn. Steriloinnissa käsiteltävän aineksen kappalekoko on oltava alle 50 mm ja ennen biokaasureaktoria se käsitellään 20 minuutin ajan 133 C:ssa, 3 bar paineessa. Hygienisoinnissa raaka-aineen partikkelikoko on oltava alle 12 mm ja aines käsitellään 60 min ajan 70 C:ssa. Sivutuoteasetuksen alaisten raaka-aineiden vastaanotto ja käsittely lisää biokaasulaitoksen investointikustannuksia, mutta toisaalta sivutuoteasetukseen kuuluvien raaka-aineiden biokaasupotentiaali on yleensä korkea. Anaerobisen prosessin läpikäyneen mädätteen hyötykäyttö on riippuvaista sisään otetusta materiaalista, prosessista (mm. hygienisointi, sterilointi) ja mädätteen käsittelystä (mm. veden erotus, kompostointi). Toisaalta mädätteen prosessoinnin ja käsittelyn valintaan vaikuttaa alueen hyötykäyttökohteet. Laitoksen ulkopuolelle toimitettaessa tuote vaatii lannoitevalmisteista annetun Maa- ja metsätalousministeriön asetuksen (12/07) liitteen 1 mukaisen tyyppinimen. Tyyppinimessä annetaan määräyksiä mm. käsittelyvaatimuksista ja käyttökohteista. Lannoitevalmisteen raaka-aineen koostumus voi poiketa sallituista raaka-aineista yhdellä prosenttiyksiköllä sen kuitenkaan muuttamatta lannoitevalmisteen tyyppinimeä. Tämä mahdollistaa esim. pienten sakokaivoliete-erien vastaanoton. Lisäksi tuotteen on täytettävä myös asetuksen liitteen IV mukaiset yleiset tuotevaatimukset. Tuotevaatimuksissa annetaan määräyksiä mm. hygieenisyydestä, haitallisista aineista ja epäpuhtauksista. Käytönrajoituksia voi olla myös raaka-aineista johtuen. Esimerkiksi luokan 2 ja 3 sivutuotteita käytettäessä on laidunkäytölle tai rehun korjaamiselle annettu 21 vuorokauden varoaika, jolloin laitumille ei saa laskea karjaa tai rehua 8(20)
sieltä korjata. Raaka-aineista johtuvia rajoitteita on myös vihannes- ja taimituotantoon liittyen. Käytännössä materiaalista ja lopputuotteiden hyödyntämisestä johtuen jokainen laitosratkaisu on suunniteltava ja toteutettava yksilöllisesti. Siinä vaiheessa kun tiedetään saatava materiaali ja lopputuotteen hyödyntämiskohteet, kannattaa Eviran kanta tarkistaa näiden asioiden suhteen. Biokaasu Eri materiaalien ja ainesten biokaasupotentiaali vaihtelee huomattavasti. Biokaasupotentiaali kuvaa sitä, kuinka paljon biokaasua voidaan tuottaa märkätonnia kohden. Eläinten lietelanta tuottaa noin 7-12 m 3 metaania märkätonnia kohti. Lannan kuivaainepitoisuus on yleensä melko alhainen, jolloin metaanintuottopotentiaali reaktoritilavuutta kohden on alhainen. Erilliskerätyn biojätteen energiantuottopotentiaali on puolestaan korkea, eli noin 100-150 m 3 metaania märkätonnia kohti. Lantaan verrattuna potentiaali on noin 10-kertainen. Taulukossa 1. on esitetty eri materiaalien metaanintuottopotentiaaleja. TAULUKKO 1. Eri materiaalien metaanintuottopotentiaaleja. Metaania on noin 60-70 % syntyneen biokaasun määrästä. Eri materiaalien TS-% voi vaihdella materiaalin alkuperästä riippuen. Materiaali TS-% Metaanintuottopotentiaali m 3 CH 4 /tonni orgaanista ainetta m 3 CH 4 /tonni märkäpaino Sian lietelanta 3 300-400 7-8 Lehmänlanta 7 100-250 10-12 Hera Kasvibiomassa 8 30 520-585 300-450 45 30-150 Biojäte 25-30 500-600 100-150 Puhdistamoliete 20-30 200-400 20-50 Teurasjäte 30 570 150 Taulukosta 1. voidaan nähdä että heran biokaasuntuottopotentiaali on hyvää tasoa, samaa luokkaa biojätteen kanssa. Edellä mainittujen materiaalien lisäksi biokaasua voidaan tuottaa erilaisista kasvibiomassoista. Kasvi- tai peltobiomassa voi olla mm. viljan tai esimerkiksi juuresten käsittelyssä pellolle jäävä ylijäämämateriaalia tai erikseen biokaasulaitosta varten kasvatettua bio- 9(20)
massaa, kuten ruokohelpeä tai timotei-apilanurmea. Taulukossa 2. on esitetty näiden kahden viimeksi mainitun peltobiomassan arvioidut tuotot hehtaaria kohden sekä metaanintuottopotentiaali ja energiasisältö. Lähteistä riippuen ko. kasvien arvioidut satomäärät hehtaaria kohden vaihtelevat melko paljon. TAULUKKO 2. Kahden rehukäyttöön jalostetun kasvin sato, metaanintuottopotentiaali ja energiasisältö peltohehtaaria kohden. Kasvi Sato Metaanintuottopotentiaali Bruttoenergiansaanto Yksikkö (t kuiva-aine /ha) (m 3 CH 4 /ha) (MWh/ha) Ruokohelpi 9-10 3 800-4 200 37-41 Timoteiapilanurmi 8-11 2 900-4 000 28-38 Ruokohelpi ja timotei-apilanurmi on alun perin kehitetty rehukasveiksi ja siten ne soveltuvat hyvin anaerobisen prosessin materiaaliksi. Märehtijöiden ruuansulatusjärjestelmä osittain vastaa biokaasulaitosprosessia. Molemmat kasvit tuottavat kuiva-ainepitoisuutta kohden melko saman määrän metaania, mutta koska timotei-apilanurmen kuivaainepitoisuus on 35 % alhaisempi kuin ruokohelpin kuiva-ainepitoisuus, jää timoteiapilanurmen bruttoenergiansaanto hehtaaria kohden liki puoleen ruokohelpin bruttoenergiansaannosta. 4. Biokaasun hyödyntäminen maitotilalla 4.1 Jätevesien ja heran koostumus, tilan energiankulutus ja muut lähtötiedot Tämän selvitystyön esimerkkinä olevalla maitotilalla (juustola) muodostuu vuodessa noin 4000 m 3 /a jätevesiä ja 500 tn/a jäteheraa. Selvitystyössä tarkastellaan tilan jätevesien ja heran anaerobisen puhdistusprosessin soveltuvuutta ja investointitasoa, muodostuvan biokaasun määrää ja puhdistusprosessin takaisinmaksuaikaa. Maitotila käyttää lämmitykseen kevyttä polttoöljyä 35 000 litraa (350 000 kwh) vuodessa, ja sähköä kulutetaan juustolassa 58 000 kwh. Kevyen polttoöljyn hinta on 1,05 /l ja sähköenergian hinta on 4,84 cent/kwh + siirtomaksu. Oletettavasti sähköenergian koko- 10(20)
naishinta on noin 9 sent/kwh. Yhteensä maitotila käyttää energiaan (lämpö ja sähkö) vuodessa noin 42 000. Taulukko 3. Taulukko 3. Maitotilan vuotuinen energiantarve. Lämpöenergia (m3) MWh/a Hinta Kevyt polttoöljy 35 350 105 /MWh Sähköenergia - 58 90 /MWh Energiakulut yhteensä/a 42 000 Jätevedet koostuvat tuotannon pesuvesistä ja ns. normaalista asutusjätevesistä. Heraa muodostuu maidon jalostusprosessissa, ja sen koostumus on esitetty taulukossa 4. Maitotilalla muodostuvan jäteveden koostumus on esitetty taulukossa 5. TAULUKKO 4. Maitotilan jäteheran koostumus. Ainesosa Pitoisuus (g/100 g) Laktoosi 4,4 Kosteus 92,5 Proteiini (kerroin 6,25) 1 Rasva 0,67 Tuhka 0,84 Hiilihydraatit 5,1 Natrium 0,1 Kalium 0,1 Kalsium 0,036 Lämpötila 25 C 11(20)
TAULUKKO 5. Maitotilan jäteveden koostumus. BOD 7ATU 5 300 COD Cr 9 700 Kokonais-P 22 Kokonais-N 97 Kiintoaine 3 200 ph 5,0 Pitoisuus (mg/l) Loppuraportti Jäteheran kuiva-ainepitoisuus (TS) on 8 % ja sellaisenaan se ei ole soveltuva käsiteltäväksi jätevedenkäsittelyprosessissa. Maitotilan jäteveden kiintoainespitoisuus on myös melko korkea, eikä sekään sellaisenaan ole soveltuva käsiteltäväksi UASB-prosessissa, vaan vaatisi kiintoaineen poistamisen esikäsittelynä. Jos jätevesi ja hera yhdistetään (jatkossa jätevesi), on sen kuiva-ainepitoisuus 1,3 %. 4.2 Maitotilan jätevesien puhdistusprosessit, vertailu Käytännössä jäteveden koostumus ja lämpötila rajoittavat puhdistusprosessien valintaa. Ensinnäkin jäteveden kiintoainepitoisuus vaatii UASB-prosessin eteen suodatuksen ja kiintoaineksen erottelun, joka poistaa orgaanista ainesta ja siten vähentää tuotettavan biokaasun määrää. Toiseksi UASB prosessin lämpötilan on oltava 37 C, jotta prosessi toimii tehokkaasti. Arvion perusteella UASB-prosessi tuottaisi optimiolosuhteissa jätevedestä noin 30 m 3 CH 4 /d (COD poistuma 90 %), joka on noin 295 kwh/d. Siitä voitaisiin kattilassa tuottaa lämpöenergiaa 80 %:n hyötysuhteella 236 kwh/d. Jos puhdistettavan jäteveden lämpötila ennen prosessia on 20 C, on veden lämpötilaa nostettava 17 C. Kun vuorokausivirtaama on 11 m 3 /d, tarvitaan vedenlämmitykseen energiaa käytännössä kaikki biokaasusta tuotettu lämpöenergia. Anaerobisen prosessin sijaan jätevesi voidaan käsitellä aerobisessa biologisessa prosessissa. Aerobiset prosessit toimivat kustannustehokkaasti myös alhaisemmissa lämpötiloissa (esimerkiksi kunnalliset jätevedenpuhdistamot) eikä tietyissä aerobisissa prosesseissa veden kiintoainespitoisuus ole puhdistustulosta niin voimakkaasti heikentävä mitä esi- 12(20)
merkiksi UASB prosessissa. Anaerobisen prosessin sijaan aerobinen prosessi kuluttaa energiaa, eikä se siis tuota biokaasua. Koska jätevesi sisältää kiintoainesta suhteellisen paljon, 3 200 mg/l, voisi aerobisista puhdistusprosesseista tulla kyseeseen ns. pitkäilmastusprosessi, joka varustetaan jälkilaskeutuksella ja fosforisaostuksella. Perinteiset ilmastusprosessit eivät anaerobisen prosessin mukaisesti kestä korkeaa kiintoainekuormitusta. Tilalla on kokemusta biologisen aerobisen prosessin toimimattomuudesta, joka osittaa jäteveden käsittelyn haasteellisuuden. Edellä tarkasteltujen seikkojen ja tilan kokemusten perusteella jätevesi ja hera kannattaa yhdistää ja käsitellä yhdessä biokaasuprosessissa. Seuraavassa käydään läpi tarkemmin tätä yhteiskäsittelyä, sen prosessikuvausta ja tuotettua energiamäärää. 4.3 Jäteveden ja heran yhteiskäsittely, prosessikuvaus ja energiapotentiaali Edellisessä kappaleessa kuvatut puhdistusprosessit eivät salli jäteheran käsittelyä samassa prosessissa jäteveden kanssa. Mikäli nämä jakeet halutaan käsitellä samanaikaisesti, on vaihdettava prosessisuunnittelu jätevedenkäsittelystä biokaasuprosessiin. Prosessi muuttuu siten jätevedenkäsittelystä biokaasuprosessiksi (syötettävän materiaalin koostumus muuttuu vedestä lietemäiseksi). Myös biokaasuprosessissa prosessilämpötilan tulee olla noin 37 C tai 55 C. Oletuksena käytetään että jäteveden ja heran lämpötila ennen prosessia on 20 C. Jätevesi ja hera tuottaa yhdessä laskeman perusteella 88 m 3 CH 4 /d, jonka energiasisältö on 870 kwh/d. Siitä voitaisiin kattilassa tuottaa lämpöenergiaa 80 %:n hyötysuhteella 700 kwh/d. Jäteveden ja heran lämmitykseen (37 C:seen) käytetään lämpöenergiaa 290 kwh/d, jolloin hyödynnettäväksi jäävää lämpöenergia on 580 kwh/d, vuositasolla 211 000 kwh. Maitotila kuluttaa lämpöenergiaa vuositasolla 350 000 kwh (35 000 l kevyttä PÖ), jolloin sitä säästettäisiin vuositasolla 21 000 litraa = 22 000 eur. Lisäksi säästöä syntyy siitä, ettei jäteheraa- tai jätevesiä toimiteta enää puhdistamolle. Vuositasolla säästöä muodostuu noin 41 000 eur, eli yhteensä 63 000 eur. Kun sekä jätevesi ja hera on käsitelty ns. biokaasuprosessissa, voidaan prosessista muodostuva lopputuote, mädäte, hyödyntää nestemäisenä maanparannuslannoitteena. Lop- 13(20)
putuote on nestemäistä, kuiva-ainepitoisuus alle 1 %, jolloin sitä voidaan varastoida esimerkiksi lietealtaissa ja levittää pelloille lannoitteena lietelevittimillä. 4.4 Yhdistelmäpuhdistamon prosessikuvaus, investointi ja takaisinmaksuaika Yhdistetyn jäteveden puhdistusprosessi mitoitetaan käsittelemään 4 500 m 3 /a jätevettä ja heraa. Mitoitusvirtaamana käytetään 0,5 m 3 /h, eli puhdistusprosessi on jatkuvatoiminen. Prosessi käsittää seuraavat pääkomponentit: tasausallas, käytetään olemassa olevaa allaskapasiteettia. jäteveden pumppausjärjestelmä. jäteveden lämmönvaihdinjärjestelmä. biokaasureaktori, 8 vrk:n viipymä, 100 m 3. Kaasuvarasto biokaasureaktorin päällä, 25 m 3 Mädätteen siirtopumppu ja -linjasto. Mädätteen jälkivarasto, käytetään olemassa olevaa allaskapasiteettia, saneerataan soveltuvaksi mädätevarastona. Kaasun paineistus ja putkisto kattilalle Kaasupoltin ja kattila, 40 kw Päälaitteiden lisäksi investointi koostuu suunnittelusta sekä muutos- ja asennustöistä, prosessi-instrumenteista sekä maanrakennustöistä. Maitotilan yhdistetyn jäteveden biokaasuprosessin investointikustannus ilman maanrakennustöitä on noin 345 000. Investointilaskelma saadaan tarkennettua kun tilan olemassa olevat rakenteet voidaan tarkastaa. Prosessin virtauskaavio on esitetty liitteessä 1. Mikäli jätevedet ja hera käsitellään yhteisessä biokaasuprosessissa, saavuttaa tila säästöjä vuositasolla 63 000. Säästöä muodostuu korvaamalla kevyttä polttoöljyä biokaasulla sekä poistuvista jätevesi- ja jätemaksuista. Siten laitoksen takaisinmaksuaika olisi luokkaa 5,5 vuotta. Seuraavassa kappaleessa tarkastellaan tilannetta, jossa tilalle hankitaan lisämateriaalia syötettäväksi biokaasuprosessiin, jotta kaikki tilan tarvitsema lämpöenergia voitaisiin 14(20)
tuottaa biokaasulla. Biokaasulaitoksen taloudellista kannattavuutta voidaan parantaa, mikäli biokaasulaitokselle toimitetaan lisämateriaalia ja tuotetaan lisäenergiaa. 5. Maitotilan jakeet ja naudan lietelanta, biokaasulaitos kattamaan tilan omaenergiantarve Maitotilalla muodostuu edellisessä kappaleessa esitetyn mukaisesti jätevettä 4 500 m 3 /a, joka koostuu jätevedestä ja herasta. Edellä todettiin, ettei pelkästään jätevedenkäsittelyprosessin hankinta ole teknis-taloudellisesti kannattavaa. Sen sijaan jätevesien ja heran yhteiskäsittely biokaasuprosessissa on taloudellisesti kannattavaa, takaisinmaksuaika laitokselle alle 6 vuotta. Yhteiskäsittelyssä ei pystytä tuottamaan energiamäärää, joka korvaisi koko tilan lämpöenergiantarpeen, joten on vielä tarkasteltava tilanne, jossa biokaasulaitokselle toimitetaan naudan lietelantaa kattamaan tilan koko lämpöenergiatarve. Kun biokaasulaitokselle toimitetaan lisämateriaalia, on laitoskokonaisuus ja prosessi suunniteltava ja mitoitettava uuden materiaalimäärän mukaisesti. Naudan lietelannan kuiva-ainepitoisuus (TS) on noin 6 %. Orgaanisen aineksen osuus (VS) on luokkaa 65 % ja orgaanisen aineksen hajoavuus myös 65 %. Sen perusteella 1 tn naudan lietelantaa tuottaa metaania noin 16 Nm 3. Jotta tilan oma energiantarve lämpöenergian osalta (poltettaessa tuotettu biokaasu kattilassa) saataisiin katettua, pitäisi naudan lietelantaa toimittaa biokaasulaitokselle noin 2 400 m 3 /a, jolloin vuosikapasiteetti on 6 900 m 3 jakeita vuodessa (sisältää jäteveden ja heran). Seuraavassa on esitetty tilan oman energiantarpeen kattamiseksi suunnittelun biokaasuprosessin prosessikuvaus, investointitaso ja kannattavuus. TAULUKKO 6. Biokaasulaitoksella hyödynnettävien jakeiden määrät vuodessa. Jätehera Jätevesi Naudanlietelanta Määrä (tn/a) 500 4 000 2 400 Taulukossa 5 on esitetty biokaasulaitoksella käsiteltävän materiaalin määrä tapauksessa, jossa maitotilan energiantarve katetaan lämmön osalta täysin ja sähköenergiaa tuotetaan yli oman tarpeen. Materiaalin kuiva-ainepitoisuus on 2,7 % ja tuotetun biokaasun määrä on tuntitasolla 11 Nm 3 /h, jatkuva kaasuteho 69 kwh, josta lämpöä voitaisiin tuottaa kattilassa 54 kwh (80 %:n hyötysuhde). Vuositasolla lämpöä tuotettaisiin 471 000 15(20)
kwh. Prosessin oman energiankulutuksen jälkeen hyödynnettävissä oleva lämpömäärä olisi 353 000 kwh. Tällä lämpömäärällä katettaisiin tilan lämpöenergiantarve, mutta sähköenergia olisi edelleen ostettava valtakunnan verkosta. Vuotuinen säästö olisi kevyeen polttoöljyyn tarvittava määrä, eli 36 750 eur. Tila saisi kustannussäästöjä myös poistuvista jätemaksuista, vuodessa 41 000, yhteensä säästöjä vuodessa 77 750. Esisuunnittelun ja investointiarvion perusteella biokaasulaitos, joka käsittelee maitotilan omien jakeiden lisäksi naudan lietelantaa noin 2 400 tn/a maksaa noin 725 000 eur. Vuositasolla säästöjä muodostuu 77 750, joten biokaasulaitoksen takaisinmaksuaika on liki 10 vuotta. Lisäkustannuksia biokaasulaitokselle aiheuttaa naudan lietelannan toimittaminen laitokseen, noin 2 /tn, eli yhteensä 5 000 /a, joka pidentää takaisinmaksuaikaa. Tässä kappaleessa esitettyjen seikkojen perusteella voidaan todeta, ettei maitotilan oman energiantarpeeseen suunniteltava biokaasulaitos olisi taloudellisesti kannattava hankinta. Biokaasulaitoksen investointi ei maksa itseään takaisin riittävän nopeasti, eikä siihen kohdistuvilla investoinneilla saavuteta riittävän isoja kustannussäästöjä. Aiemmin esitettyjen laskelmien perusteella voidaan sen sijaan todeta että kustannustehokkainta olisi toteuttaa maitotilan jätevesien ja heran yhteiskäsittely biokaasuprosessissa. Seuraavaksi selvitystyössä tarkastellaan tilannetta, jossa biokaasulaitoksen taloudellinen kannattavuus saavutettaisiin vastaanottamalla sinne riittävästi tilan ulkopuolista materiaalia. Materiaalina tässä käytetään naudan lietelantaa, joka voidaan vastaanottaa biokaasulaitokseen ilman mittavia esikäsittelyinvestointeja. Muut potentiaaliset materiaalit jätetään tämän selvitystyön ulkopuolelle, sillä puhdistamolietteiden tai kunnallisen biojätteen käsittely vaatii prosessissa hygienisoinnin ja/tai jätteen esikäsittelyn (biojäte), jolloin biokaasulaitoksen investointitaso nousee korkeaksi, eikä taloudellista kannattavuutta saavuteta, kuin mittavilla jätemäärillä. On todettu että mikäli biokaasulaitos käsittelee biojätettä, on investoinnin kannattavuusraja noin 13 000 tn/a biojätettä. 16(20)
5.1 Maitotilan taloudellisesti kannattava biokaasulaitos, lisäsyötteenä naudan lanta Biokaasulaitosprosessi suunnitellaan yleensä perustuen syötteeseen sekä tuotetun energian ja muodostuvan lopputuotteen hyödyntämisen mukaisesti. Biokaasulaitoksen päälaitteisto voidaan yleisesti jaotella seuraavasti (suluissa tapauskohtaisesti tarvittavat osaprosessit): 1) Jakeiden vastaanotto ja esikäsittely sekä vastaanottoallas 2) (Sekoitusallas tai hydrolyysisäiliö) 3) (Hygienisointi) 4) Biokaasureaktori(t) 5) Mädätteen välivarasto, jälkikaasutus 6) (Mädätteen vedenerotus) 7) Rejektiveden ja mädätteen varastoallas 8) Kaasuvarasto 9) (Rikinerotusyksikkö) 10) CHP yksikkö ja soihtupoltin 11) Hajukaasujen käsittely Mikäli laitos vastaanottaa sivutuoteasetuksen 3. luokan sivutuotteita, kuten ruokajätettä kotitalouksista ja ravintoloista (EY 1774/2002), vaaditaan biokaasulaitosprosessiin ennen biokaasureaktoria hygienisointi (70 C, 60 min, partikkelikoko alle 12 mm). Puhdistamolietteen käyttö biokaasulaitoksella ja jatkohyödyntäminen maanparannusmädätteenä vaatii ainoastaan mesofiilisen (36 C, 21 vrk) mädätyksen ja stabiloinnin (esim. jälkikypsytys ja tai vanhentaminen 24 kk), tuotteen hygieenisyys on kuitenkin varmistettava ja käytännössä tämä tarkoittaa hygienisointikäsittelyä. Lisäksi, kun mädätettyä materiaalia toimitetaan laitoksen ulkopuolelle, turvallisin vaihtoehto vaadittavan hygienisoitumisen takaamiseksi on varustaa laitos erillisellä hygienisointiyksiköllä. Tämän selvitystyön tässä osiossa tarkastellaan tilannetta, jossa tilan omien jakeiden lisäksi biokaasuprosessiin vastaanotetaan naudan lietelantaa määrä, joka takaisi biokaasulaitoksen taloudellisen kannattavuuden. 17(20)
Tässä tapauksessa biokaasuprosessi suunnitellaan mahdollisimman kustannustehokkaaksi, jolloin prosessi sisältää seuraavat pääprosessit: vastaanottorakennus (75 m 2 ) ja allas (160 m 3 ) lämmönvaihtimet biokaasureaktori 1 300 m 3 mädätteen jälkivarasto 490 m 3 kaasuvarasto 60 m 3 CHP yksikkö lämmön ja sähkön tuotantoon (250 kwel) Laskelmissa on arvioitava biokaasulaitoksen investointitaso ja käsiteltävän materiaalin energiantuottopotentiaali. Laskelmissa tarkastellaan lisäksi materiaalin rahti- ja käsittelykustannukset sekä tuotetun energian määrää ja siitä saatavaa myyntituloa. Taloudellista kannattavuutta tarkasteltiin kahdella vaihtoehdolla: sähkön syöttötariffilla, jossa sähköenergian myyntihinta on 133,5 /MWh ja lämmön hinta 50 /MWh investointituella, 35 % investoinnista, sähkön myyntihinta 55 /MWh ja lämmön hinta 50 /MWh Laskelmat (taulukossa 7) ja suunnittelu osoittaa että taloudellista kannattavuutta biokaasulaitokselle tässä tilanteessa on erittäin epätodennäköistä saavuttaa. Osoittautui, että tilan omien jakeiden lisäksi (hera ja jätevesi yhteensä 4 500 m 3 /a) tarvitaan 35 000 tn naudan lietalantaa, jotta taloudellinen kannattavuus saavutetaan. Tämän laskelman biokaasulaitoksen investointitaso on noin 2 700 000. Jakeista voitaisiin tuottaa sähköenergiaa noin 2 180 MWh/a ja lämpöä 2 480 MWh/a. Biokaasulaitos kuluttaa itse osan tuotetusta energiasta, jolloin myytäväksi jää sähköenergiaa 1950 MWh/a ja lämpöenergiaa 1980 MWh/a. Jotta biokaasulaitoksella voitaisiin tuottaa tarvittava määrä energiaa, tulisi sen vastaanottaa omien jakeiden lisäksi naudan lietelantaa (TS 6%) 35 000 tn/a, joka vastaa noin 1 500 naudan lantamäärää. Saamiemme tietojen perusteella maitotilan lähialueella ei ole tällaista määrää nautoja, jolloin lannan kuljetusmatka kasvaisi ja se heikentäisi laitoksen taloudellista kannattavuutta. On myös huomioitava että laskelmissa on oletettu 18(20)
että kaikki tuotettu lämpöenergia (1980 MWh/a, 230 kwh) saadaan myytyä, ja siitä voidaan veloittaa hinta 80 /MWh. TAULUKKO 7. Maitotilan biokaasulaitoksen kannattavuustarkastelu. VAIHTOEHDOT VE1 VE2 Investointituki 0% Sähkön hinta 133,5 /MWh Lämpö 80 /MWh Investointituki 35% Sähkön hinta 55 /MWh. Lämpö 80 /MWh INVESTOINTI Investointi biokaasulaitokseen (koko laitos) 2 700 000 2 700 000 RAHOITUS Yhteensä 2 700 000 2 700 000 RAHOITUSKUSTANNUKSET Yhteensä 273 200 158 000 POISTOT Yhteensä 234 000 234 000 KIINTEÄT KULUT Henkilöstökulut (1 hlö) 26 400 26 400 Laitoksen kemikaali- ja käyttövesikustannus 25 800 25 800 Laitoksen huoltokustannus 77 400 77 400 Hankintakustannukset (1 /tn lietelanta), indeksikorotus 2,0 %/a 33 500 33 500 Markkinointi-, matka- ja henkilöstökoulutuskustannukset sekä edustus 1 100 1 100 Puhtaanapito, toimistokulut, kirjanpitopalvelut 1 100 1 100 Vakuutukset ja ulkopuoliset palvelut 1 100 1 100 Yhteensä 166 400 166 400 MYYNTIKATETARVE Rahoituskustannukset + kiinteät kulut / vuosi (vuodet 1 10) 439 600 324 400 TUOTOT Tuotettu bruttoenergia (MWh/a) 5900 5900 Tuotettu sähköenergia brutto (MWh/a) 2180 2180 Laitoksen käyttämä sähköenergia (oma kulutus) (MWh/a) 220 220 Myytävä energia (MWh/a) sähkö 1950 1950 Tuotettu lämpöenergia brutto (MWh/a) 2480 2480 Laitoksen käyttämä lämpöenergia (oma kulutus) (MWh/a) 500 500 Myytävä energia(mwh /a) lämpö 1980 1980 Tuotetun energian arvo sähkö /a 259 700 107 000 Tuotetun energian arvo lämpö /a 158 600 158 600 Energian myyntitulot yhteensä 418 300 265 600 Vastaanottomaksut yhteensä 41 000 41 000 Myyntituotot ravinteet yhteensä 0 0 KASSAJÄÄMÄ 19 700-17 800 19(20)
6. Yhteenveto Tässä selvitystyössä tarkasteltiin biokaasun hyödyntämistä osana jäteveden puhdistusta maitotilalla ja meijerillä. Työssä tarkasteltiin maitotilan jäteveden ja heran käsittelyn kannattavuutta erikseen ja yhteisesti. Työssä tarkasteltiin myös tilakohtaisen biokaasulaitoksen kannattavuutta tilanteessa, jossa materiaalia (naudan lanta) toimitettaisiin laitokselle se määrä, jolla tuotetaan tilan tarvitsema lämpöenergia. Viimeisenä työssä tarkasteltiin tilannetta, jossa tilalle perustettavaan biokaasulaitokseen toimitettaisiin naudan lantaa sellainen määrä että biokaasulaitoksen toiminta olisi taloudellisesti kannattavaa. Laskelmat osoittivat että taloudellisesti kannattavin ja myös realistisin vaihtoehto edellä mainituista vaihtoehdoista on käsitellä tilan tuottamat jätevedet ja hera yhteisessä biokaasulaitosprosessissa. Laitoksen investointitaso on noin 345 000 ja sen takaisinmaksuaika noin 6 vuotta. Muissa vaihtoehdoissa taloudellista kannattavuutta ei saavuteta tai laitoksella tarvittava käsiteltävä materiaali (naudan lanta, 35 000 tn/a) vaatisi erittäin laajan keräysalueen. Kesäkuussa 2011 Watrec Oy 20(20)