Hajautetut biojalostamot lähellä resursseja kestävästi. Hankkeen toimintaa kuvaavat infokortit

Hajautetut biojalostamot lähellä resursseja kestävästi Hankkeen toimintaa kuvaavat infokortit Sari Pitkänen & Lauri Sikanen (toim.) 17.04.2014

Sisällys Esipuhe...3 1. Hajautetut biojalostamot - hanke...4 2. Osahankkeet...7 3. Osahankkeiden tulokset...8 3.1 Puun biokaasutus...8 3.2. Pien CHP ja termiset prosessit... 11 3.3 Raaka-aineen laatu ja liiketoimintamallit... 33 4. Yhteenvetoa hankkeen saavutuksista... 61 2

Esipuhe Eurooppa on asettanut itselleen kovat tavoitteet liittyen uusiutuvien energiamuotojen käyttöön: vuoteen 2020 mennessä Euroopan Unioniin kuuluvat maat tuottavat 20 % energiastaan uusiutuvasti. Tämän velvoitteen saavuttaminen edellyttää monipuolista bioenergian tuotantoa. Vuosien 2030 ja 2050 tavoitteisiin kuuluu energian lisäksi biotalous, eli uusiutuvien raakaaineiden entistä laajempi käyttö. Pyrolyysiöljy, biohiili, kaasumaiset tuotteet, pelletit ja uudet materiaalit ovat tulevaisuuden kannalta ensiarvoisen tärkeitä mahdollisuuksia alueilla, joiden biomassavarat ovat suuret verrattuna omaan suoraan energiakäyttöön, Itä-Suomi kuuluu harvaanasuttuna alueena tähän ryhmään. Jalostamalla biomassaa eteenpäin monipuolisesti, saadaan aikaan yritystoimintaa ja lisätään alueen taloudellista toimeliaisuutta. Nykyaikaiset bioenergiaprosessit tarjoavat monia mahdollisuuksia, joissa polttoaineiden tuotannon lisäksi on mahdollista kehittää ja tuottaa uusia biotuotteita. Isot ja keskitetyt biojalostusratkaisut kehittyvät suuryritysten panostuksen kautta. Maa- ja metsätalousministeriö on huolissaan hajautetun biojalostamisen kehitystyöstä. Siksi käynnistettiin Hajautetut biojalostamot hanke, joka toteutettiin 1.8.2011 31.3.2014. Hanke selvitti uutta alaa ja lisäsi nykyisten ja potentiaalisten uusien toimijoiden tietoisuutta selvityksin, demonstraatioin ja tutkimustiedon jalkauttamisen avulla. Avainsana toiminnassa oli toimijoiden välinen yhteistyö ja sen kehittäminen, mikä mahdollisti erilaiseen osaamiseen perustuvan, tehokkaan ja innovatiivisen työskentelyn ja tulokset. Tämä julkaisu esittelee Hajautetut biojalostamot - hankkeen saavutuksia hankkeen aikana julkaistujen info-korttien avulla. Korteissa esitellään kunkin osahankkeen tavoitteita ja tuloksia. Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu vaihtui projektin aikana Karelia ammattikorkeakouluksi, siksi infokorteissa esiintyy molempia nimiä samasta organisaatiosta. Joensuussa 17.04.2014 Oppaan toimittajat 3

1. Hajautetut biojalostamot - hanke Hankekokonaisuuden tavoitteena oli tuottaa merkittävää uutta osaamista metsäbiomassan mahdollisuuksista kehittyneissä polttoaineissa ja uusissa tuotteissa ja materiaaleissa. Sen toteuttamisen aikana edistettiin arvoketjuihin perustuvaa yritystoimintaa Itä-Suomessa hyödyttämällä suoraan yritystoimintaa mm. osaamisena toiminnassa, laitteiden ja tuotteiden kehityksessä. Hanke loi uusia valmiuksia monipuolistaa metsäbiomassan energiakäyttöä ja aiempaa monipuolisempaa biomassan hyödyntämistä. Hankekokonaisuuden tuottamia valmiuksia voidaan hyödyntää arvioitaessa metsäenergiaan liittyviä olemassa olevia sekä tulevaisuuden potentiaalisia riskejä ja mahdollisuuksia aiempaa monipuolisemmin. Hankkeessa tuettiin tutkijoiden, kehittäjien ja toimijoiden välistä yhteistyötä ja siten edellytyksiä uudelle tuotantotoiminnalle. Tämä yhteistyö tuotti laadukasta tietoa monitieteisesti siitä, miten erilaisissa tilanteissa tulee toimia metsäbiomassan käyttöä monipuolistettaessa tulevaisuuden tarpeisiin sekä energian tuotannossa että muissa tuotteissa. Hankkeen verkosto tuotti menetelmäkuvauksia, raportteja laatuhakkeesta, pelletin uusista käyttömuodoista, bioöljyistä jne., yhteensä 25 erilaista infokorttia hankkeen tuloksista, laadukkaita uusia kehityshankkeita, laskenta-algoritmeja, esim. pien-chp laitoksen perustamiskustannuksiin liittyen, ja demonstraatiokohteita metsäenergian tuottajien ja käyttäjien käyttöön. Verkosto tuotti uutta tietoa ja sovelluksia myös koulutukseen (mm. UEF:n WoodSci-ohjelma). Niin ikään verkoston tärkeä lisäarvo oli Itä-Suomen yliopiston ja Itä-Suomen ammattikorkeakoulujen (UEF/ISAT) yhteistyö luonnonvarojen käytön opetuksessa ja tutkimuksessa. 4

Hajautetut biojalostamot Infokortti 1 Hanke-esite Pien-CHP Biohiili Biokaasu Pelletit Puutisleet Hajautetut biojalostamot ovat se tulevaisuuden biotalouden suunta, johon Itä-Suomessa kannattaa pyrkiä, koska suuria biodiesel-jalostamoja ei alueelle tämänhetkisen tiedon mukaan perusteta. Hajautetut biojalostamot-projektin tarpeellisuus on tullut esille strategisen huippuosaamisen keskittymien (SHOK) valmistelussa, kansallisen uusiutuvan energian velvoitepaketin selvityksissä Hajautetut biojalostamot hankkeen päärahoittaja on Euroopan sosiaalirahasto. Lisäksi rahoittajina ovat: Josek Oy, Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu ja Itä-Suomen yliopisto. Hajautetut biojalostamot -hankkeessa luodaan uutta osaamista ja lisätään hajautettujen biojalostamojen tunnettuutta Itä- Suomessa. TAVOITE Hankekokonaisuus luo merkittävää uutta osaamista metsäbiomassan mahdollisuuksista kehittyneissä polttoaineissa ja uusissa tuotteissa ja materiaaleissa. Hanke edistää arvoketjuihin perustuvaa yritystoimintaa Itä- Suomessa ja edistävää uusien yritysten muodostumista alalle. Hankkeen asiantuntemus hyödyttää suoraan yritystoimintaa mm. osaamisena toiminnassa, laitteiden ja tuotteiden kehityksessä, kaupallistamisessa ja palvelututkimusvalmiuksina yrityksille. 5

Biotalous on hankalasti määriteltävä käsite, joka on kuitenkin noussut nopeasti yhdeksi laajimmin kannatusta saaneista tulevaisuuden suunnista kehittyneiden maiden positiivisissa tulevaisuusennusteissa. Laajimmin tulkittuna biotalous on paikallisuuteen ja uusiutuvien luonnonvarojen kestävään ja moderniin käyttöön perustuva tapa tuottaa yhteiskunnan palvelut ja toiminnot. Suomalaisessa metsäkeskustelussa biotalous on puusta saatavia uusia tuotteita, aineita ja palveluita, joilla suomalainen metsäteollisuus saadaan uudelle kukoistavan tulevaisuuden uralle. TOIMENPITEET Hanke toteutetaan osahankkeina. Osahankkeet ovat yhteistyössä keskenään ja ulospäin. Uusien biojalostamisen konseptien esittelyyn ja toteuttamisselvityksiin yhdessä yritysten kanssa. Toiminnassa panostetaan aktiiviseen tiedon tuottamiseen, siirtämiseen ja jalostamiseen yhdessä yritysten, viranomaisten ja päättäjien kanssa. Osahankkeet: A) Puun biokaasutus Itä-Suomen yliopiston johtama osuus, jossa selvitetään ja havainnollistetaan biokaasun tuotannon laajentamista Suomessa metsäbiomassaa käyttäen. B) Pien-CHP ja termiset prosessit Itä-Suomen yliopiston johtama osuus, jossa selvitetään pien-chp:n mahdollisuuksia itäsuomalaisessa toimintaympäristössä sekä termisten jalostusprosessien (terminen kaasutus, torrefiointi ja biohiili) merkitystä tulevaisuuden energiahuollossa Itä-Suomen kannalta ja uusien tuotteiden etsimisessä. C) Raaka-aineen laatu ja liiketoimintamallit Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulun johtama osuus, jossa perehdytään raaka-aineen tuotanto- ja laatukysymyksiin hankkeen prosessien näkökulmasta sekä uusien jalostusprosessien liiketoimintamalleihin. Itä-Suomen yliopisto aloittaa monitieteisen biotalouden asiantuntijoiden koulutuksen maisteriohjelmalla vuonna 2013. Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu on kouluttaa omia osaajiaan Joensuun Sirkkalassa sijaistsevassa Biotalouden keskuksessa OSAHANKKEIDEN TULOKSIA OVAT: Biomassan lämpökäsittelyyn perustuvat polttoaineet ja uudet tuotteet (esimerkkejä ja demonstraatioita toteutettavuusselvityksineen itäsuomalaisessa toimintaympäristössä) 2 kpl Biologisesti muokatun biomassan mahdollisuudet (mahdollisuuksien demonstrointi ja toteutettavuusselvitys 3 eri arvoketjulle) Biomassan kaasuttamiseen perustuvat liiketoimintakonseptit (pien-chp demonstraatio ja toteutettavuusselvitys sekä biokaasun tuotanto puubiomassasta, demonstraatio ja toteutettavuusselvitys) Kokeellisesti todennettu toimintamalli ja suositukset puupohjaisten raaka-aineiden hyödyntämiseksi biokaasutuotannon syötteinä. Taloudellinen kannattavuustarkastelu ja kustannushyötyanalyysi (jopa mahdollinen liiketoimintamalli) puupohjaisten raaka-aineiden hyödyntämiseksi biokaasulaitosten syötteenä. Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Lauri Sikanen Kehityspäällikkö Sari Pitkänen Projektipäällikkö Simo Paukkunen p. 050 381 2443 p. 050 363 4540 p. 050 913 1786 lauri.sikanen@uef.fi sari.k.pitkanen@uef.fi simo.paukkunen@pkamk.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 6

2. Osahankkeet Hajautetut biojalostamot hanke jakaantui kolmeen suureen osahankkeeseen, joka loi merkittävää uutta osaamista metsäbiomassan mahdollisuuksista kehittyneissä polttoaineissa ja uusissa tuotteissa ja materiaaleissa. Osahankkeet toimivat yhteistyössä keskenään ja yritysten kanssa keskittyen uusien biojalostamisen konseptien esittelyyn ja toteuttamisselvityksiin. Toiminnassa panostettiin aktiiviseen tiedon tuottamiseen, siirtämiseen ja jalostamiseen. A) Puun biokaasutus Itä-Suomen yliopiston johtama osuus, jossa selvitettiin ja havainnollistettiin biokaasun tuotannon laajentamista Suomessa metsäbiomassaa käyttäen. B) Pien-CHP ja termiset prosessit Itä-Suomen yliopiston johtama osuus, jossa selvitettiin pien - CHP:n mahdollisuuksia itäsuomalaisessa toimintaympäristössä sekä termisten jalostusprosessien (terminen kaasutus, torrefiointi ja biohiili) merkitystä tulevaisuuden energiahuollossa Itä-Suomen kannalta ja uusien tuotteiden etsimisessä. C) Raaka-aineen laatu ja liiketoimintamallit Karelia-ammattikorkeakoulun johtama osuus, jossa perehdyttiin raaka-aineen tuotantoja laatukysymyksiin hankkeen prosessien näkökulmasta sekä uusien jalostusprosessien liiketoimintamalleihin. 7

3. Osahankkeiden tulokset 3.1 Puun biokaasutus Osahankkeen työ liittyy "Biokaasutuotanto puubiomassasta demonstraatio ja kannattavuus" työhön. Itä-Suomen yliopiston Joensuun kampuksen biokaasureaktorilla perustettiin demonstraatiokokeita. Ensimmäinen kaasutuskoe tehtiin pajulla ja todettiin että puun biokaasutus onnistuu yllättävän hyvin. Seuraavaksi testattiin männyn ja kuusen kaasutusta sekoitettuna lehmän lantaan. Kokeet osoittivat että puuta voidaan käyttää biokaasutuksen syötteenä ja kaasun tuotanto jopa ylitti ennakko-odotukset. Puu on kuitenkin käsiteltävä melko intensiivisesti ennen kaasutusta ja jatkokokeiden valmistuttua arvioidaan prosessin kokonaistaloudellisuus huomioiden puuraaka-aineen valmistaminen kaasutukseen. Tämä tarkoittaa erilaisia lämpö- ja painekäsittelyjä. Pajun biokaasutuskokeissa jatkuvatoimisten reaktorien kokeissa käytettiin lantaa ja jauhoa sisältävään syötteeseen totutettua biokaasua tuottavaa reaktorilietettä, jota syötettiin eri määrillä lantaa, jauhoa ja puuainesta veteen sekoitettuna. Kokeiden perusteella pajun osuutta syötteestä oli mahdollista lisätä noin 70 %:iin saakka, minkä jälkeen kaasuntuotto romahti. Myös kontrolleihin verrattuna kaasuntuotto pysyi samanlaisena 70 %:iin syötteestä saakka. Toisessa jatkuvatoimisten reaktorien kokeessa käytettiin biojätteitä sisältävään syötteeseen totutettua biokaasua tuottavaa reaktorilietettä, jota syötettiin eri määrillä biojätettä ja puu- ja ruokojakeita (paju, kuusi ja järviruoko) veteen sekoitettuna. Kokeiden keston lyhyestä aikataulusta johtuen puuja ruokojakeiden osuuden lisäyksen vaikutuksesta ei saatu riittävästi näyttöä: kaasuntuotto näytti alenevaa trendiä kokeen alusta alkaen suhteessa kontrolliin. 8

Hajautetut biojalostamot Infokortti 4 Puusta biokaasua Biokaasun muodostuminen on anaerobisissa olosuhteissa mikrobien keskinäisen vuorovaikutusketjun avulla tapahtuva kolmivaiheinen prosessi (mädätys, anaerobinen digestio) 1. Se on mahdollista toteuttaa Psykro- meso- tai termofiilisenä, joissa lämpötila optimit <20 C, 35 C ja 55 C vastaavasti. Mesofiilinen mädätys on tavallisin ja psykrofiilinen on hyvin harvinainen. Makromolekyylit Hydrolyysi Sokerit, aminohapot, rasvat, ym. Fermentaatio Etikkahappo, muurahaishappo, (propionihappo, voihappo, vety hiilidioksidi, etanoli ym.) Metanogeneesi Metaani, Hiilidioksi (, rikkivety, ammoniakki, ym.) Puun biokaasutus mahdotonta? Perinteisesti puun biokaasutusta on pidetty kannattamattomana johtuen se suuresta ligniinipitoisuudesta ja sen myrkyllisyydestä metaania tuottaville mikrobeille 2, 3. Kuitenkin lignoselluloosaa sisältäviä materiaaleja, kuten heiniä ja viljojen korsia on mahdollista biokaasuttaa 4-6. Puun biokaasutuksen esteenä on pääosin ligniini ja sen hajoamistuotteet. Puussa ligniiniä on paljon ja se suojaa selluloosakuituja mikrobien hyökkäykseltä. Lisäksi puun orgaaniset molekyylit ja ligniini hajoamistuotteet ovat metaania tuottaville mikrobeille myrkyllisiä. Ligniinin lisäksi muokkaamaton hemiselluloosa suojaa selluloosakuituja anaerobiselta digestiolta. Havupuita on pidetty lehtipuitakin huonommin biokaasuuntuvina. Tämä oletetaan johtuvan lehti- ja havupuiden ligniinin eroista. Sekä ligniinin määrä havupuissa on suurempi, että sen koostumus on mikrobien hyökkäykseltä paremmin suojaava 3. Kussakin vaiheessa voi olla useampi eri mikrobi hyödyntämässä eri ainesosia. 9

Hajautetut biojalostamot hankkeessa tutkitaan biokaasun tuottamista puuperäisistä materiaaleista, erityisesti puu materiaalille tarvittavia esikäsittelyjä, jotta ligniinin ja orgaanisten yhdisteiden metaanin tuottoa estävä vaikutus saadaan poistettua. Testausta on tarkoitus tehdä ensin pienemmällä reaktorilla ja lopuksi tehdä koekäyttöjä pienellä tuotantolaitteistolla. LÄHTEET: 1.Yadvika; Santosh; Sreekrishnan, T. R.; Kohli, S.; Rana, V., Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques-- a review. Bioresour. Technol. 2004, 95 (1), 1-10. 2.Chen, Y.; Cheng, J. J.; Creamer, K. S., Inhibition of anaerobic digestion process: A review. Bioresour. Technol. 2008, 99 (10), 4044-4064. 3.Taherzadeh, M.; Karimi, K., Pretreatment of Lignocellulosic Wastes to Improve Ethanol and Biogas Production: A Review. International Journal of Molecular Sciences 2008, 9 (9), 1621-1651. 4.Seppälä, M.; Paavola, T.; Lehtomäki, A.; Rintala, J., Biogas production from boreal herbaceous grasses - Specific methane yield and methane yield per hectare. Bioresour. Technol. 2009, 100 (12), 2952-2958. 5.Frigon, J.-C.; Guiot, S. R., Biomethane production from starch and lignocellulosic crops: a comparative review. Biofuels, Bioproducts and Biorefining 2010, 4 (4), 447-458. 6.Ward, A. J.; Hobbs, P. J.; Holliman, P. J.; Jones, D. L., Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources. Bioresour. Technol. 2008, 99 (17), 7928-7940. 7.Overend, R. P.; Chornet, E.; Gascoigne, J. A., Fractionation of Lignocellulosics by Steam- Aqueous Pretreatments [and Discussion]. Philos. Trans. R. Soc Lond. Ser. A, Math & Phys Sci 1987, 321 (1561), 523-536. 8.Kumar, R.; Singh, S.; Singh, O., Bioconversion of lignocellulosic biomass: biochemical and molecular perspectives. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2008, 35 (5), 377-391. 9.Martinez, A. T.; Speranza, M.; J, R.-D. F.; Ferreire, P. C., Susana ; Guillen, F.; Martinez, M. J.; Gutierrez, A.; del Rio, J. C., Biodegradation of lignocellulosics: microbial, chemical, and enzymatic aspects of the fungal attack of lignin. Int. Microbiol. 2005, 8 (3), 195-204. Puun biokaasutuksessa esikäsittely on avainasemassa. Esikäsittelyllä voidaan sekä avata puun ainesosia mikrobeille paremmin saatavilla, sekä hajottaa niitä mikrobeille käyttökelpoiseen tai vähemän haitalliseen muotoon 3, 7. Entsymaattinen käsittely 8 Entsymaattisella esikäsittelyllä saadaan nopeasti tehtyä täsmällisiä muutoksia biomassaan, kuten hajotettua ligniiniä tai muuta biomassan rakennetta hyvin täsmällisellä tavalla. Tämä ei kuitenkaan pääosin poista metaanin tuottamiselle haitallisia yhdisteitä. Valkolahottaja 3, 9 Ligniinin ollessa pääasiallinen metaanin tuottamista haittaava tekijä voidaan valikoidulla valkolahottaja kannalla ligniinin ja siihen sitoutuneiden yhdisteiden määrää biomassassa vähentää, samalla kun selluloosa vapautuu metaania tuottavien mikrobien käytettäväksi. Kuumavesikäsittely 3, 7 Kuumalla vedellä käsittely on käsittelyistä yksinkertaisin. Yksinkertaisimmillaan keittämistä, joskin lisäämällä painettaa saadaan veden vaikutusta tehostettua. Myös jo pienillä emästai happolisällä saadaan vaikutusta tehostettua, joskin näillä lisillä saattaa olla biokaasutukseen epäedullisia vaikutuksia jo siksi, että ne aiheuttavat muutoksia ph:ssa. Kuuma ja vesi yhdessä aiheuttavat biomassassa hydrolyysiä mikä tekee siitä helpommin biokaasuuntuvaa. Höyryräjäytys 3, 7 Höyryräjäytys on nimensä mukaisesti painehöyryn avulla biomassan sekä kemiallisen että fyysiseen mikro- ja makrorakenteen hajottamista. Höyryn kemiallinen vaikutus on samankaltainen kuin kuumavesikäsittelyn, mutta höyryllä biomassan sisällä oleva vesi osittain kaasuuntuu mikä tehostaa hydrolyysiä ja kun paine puretaan äkillisesti (räjähdyksenomaisesti) biomassan sisällä oleva vesi kaasuuntuu ja höyry laajenee joka rikkoo biomassan mikro- ja makrorakennetta. Tämä tekee siitä sekä helpomin biokaasuuntuvaa, että paremman alusta mikrobeille. Yhteyshenkilö hankkeessa: Teemu Vilppo p. 050 4070 193 teemu.vilppo@uef.fi 10

3.2. Pien CHP ja termiset prosessit Yksi mielenkiintoisimmista aiheista tässä osahankkeessa oli pyrolyysiöljyn tuottaminen ja sen analysoiminen mitä se pitää sisällään. Näytteiden analysoinnissa tehtiin yhteistyötä Kouvolassa sijaitsevan Biosammon kanssa. Itä-Suomen yliopiston kemian laitoksella tehtiin tarkat analyysit massaspektrometrillä öljyjen eri faaseista (vesi ja öljy, erilaiset hapot jne. ilman fraktiointia) Torrefiointilaitteiston viimeistely ja toteutuksen yhteydessä ilmene haasteita yllin kyllin minkä vuoksi projektille haettiin jatkoaikaa 31.3.2014 asti. Ilman sitä ei varsinaisia vakuumitorrefiointi kokeita olisi pystytty tekemään ollenkaan laitteiden asennusongelmien vuoksi. Laite saatiin Mekrijärvelle toukokuun lopulla 2013 käyttökuntoon vuoden 2014 alussa. Kaasutusdemonstraatioiden merkittävin tulos saavutettiin harvesteripuru kaasutuksessa yhdessä JAMK kanssa. Kaasutuskokeet tehtiin Mekrijärven tutkimusasemalla sijaitsevalla kaasuttimella. Tässä osahankkeessa selvitettiin myös pelletin uusia käyttömahdollisuuksia. Yksi mielenkiintoinen aihepiiri on puuraaka-aineesta tehtyjen pellettien käyttö kuivikkeena. Asiaa selvitettiin yhteistyössä joensuun ratsastusopiston kanssa. Joensuun Ratsastusopistolla käytiin huhtikuussa 2013 tekemässä alkumittauksia. FTIR analysaattorilla mitattiin koekarsinoista hengitysilman kaasujen koostumus ilmasta rinnankorkeudelta (hevosen turvan korkeus eli hengityskorkeus), likaisimmasta kohdasta karsinaa sekä puhtaammasta kohdasta karsinaa. Lisäksi mitattiin kaasut ulkoilmasta ja tallin käytäviltä kahdesta eri kohdasta rinnankorkeudelta. Karsinoiden kuivikkeista otettiin myös näytteet, joista määritettiin ph ja typenmäärä. Tulokset osoittivat, että ilmassa on merkittäviä mutta ei haitallisia pitoisuuksia ammoniakkia, kuten hajukin tallissa antaa ymmärtää. Patjan sisällä vaikuttaa olevan suurta vaihtelua ammoniakin määrässä ja ammoniakki indikoi myös alkavaa happikatoa. Pitoisuudet 11

ilmassa eivät ylitä 8h työsuosituspitoisuuksia, mutta voivat olla lyhyelläkin altistuksella kuivikepatjan sisässä haitallisissa pitoisuuksissa. Kuivikepellettidemonstraation tiimoilta on tehty yhteistyötä Järeä - Järviruoko hankkeen (SYKE) kanssa; yksi karsina toimii järviruokopelletin kuivikekäytön kokeena. Tulosten perusteella ammoniakkiongelmaan on saatavissa parannusta: kaasumittausten perusteella sekä järviruoko- että puupelletit toivat ammoniakin suhteen olkipellettiä paremmin karsinoiden kuivikkeena. Kasvualustapellettien koe onnistui hyvin. Pelletöinti poistaa e-koli ja samonella - bakteerit kasvualustasta ja tekee kasvualustan kuljetuksesta erittäin tehokasta. Pelletin palauttaminen kuohkeaksi alustaksi onnistuu myös hyvin. Työssä oli mukana Kiteeläinen yritys Kiteen Mato ja Multa. Mekrijärven tutkimusasemalle hankittiin pien CHP laitteisto vuonna 2013 sekä tuottamaan lämpöä asemalle että toimimaan demonstraatiokohteena. Volter Oy toimitti laitteiston. Laitteiston hankinnasta kirjoitettiin raportti sisältäen kuvauksen koko prosessista ja kustannuksista sekä muista seikoista asioista jotka on otettava huomioon vastaavissa hankinnoissa. Pien-CHP teemapäivä toteutettiin Mekrijärven tutkimusasemalla marraskuussa 2013 ja aihetta esiteltiin tapahtumassa. 12

Hajautetut biojalostamot Infokortti 16 Termiset prosessit Lämpötila-alueet Termiset prosessit Poltto biomassan täydellistä hapettamista hiilidioksidiksi ja vedeksi Kaasutus biomassan saattamista energiaa sisältävään kaasumaiseen muotoon osittaisella hapetusprosessilla[1]. Pyrolyysi biomassan hajottamista hapettomissa oloissa lämmön avulla, yleensä biohiileksi ja nestemäisiksi tuotteiksi (Katso myös Infokortit 2, 3 ja 12) [2,3]. Torrefiointi paahtaminen, hapeton lämpökäsittelymenetelmä jossa biomassasta häviää hieman massaa, mutta suhteessa vähemmän lämpöarvoa, jolloin lämpöarvo painoyksikköä kohden kasvaa, noin 30% [4,5]. Lämpöpuukäsittely puun käsittely lämmöllä jossa sen vastustuskyky ympäristötekijöitä vastaan kasvaa vähäisen mekaanisten ominaisuuksien menetyksen kustannuksella [6]. Kuivaus kemiallisesti sitoutumattoman veden poistaminen biomassasta. 13

Hajautetuissa biojalostamoissa käsitellään kaasutusta, pyrolyysiä ja torrefiointia. Siinä ei käsitellä kuivausta, lämpöpuuta tai polttoa. Vaikka kaikkiin termisiin prosesseihin liittyy kuivuminen ja poltossa tapahtuu kaikkia termisten prosessien osia (pyrolyysi ja kaasuuntuminen) vaiheittain palamisen edetessä. Prosessit myös ovat osittain päällekkäisiä. Vesi ja termiset prosessit Torrefioinnissa pyritään biomassasta poistamaan myös kemiallisesti sitoutunutta vettä, toisin kuin kuivauksessa. Tästä syystä torrefioinnissa poistuu myös muita happea sisältäviä yhdisteitä kuten etikkaa ja metanolia ja vastaavasti jäljellejäänyt kiinteä aines muuttuu vettä hylkiväksi [3]. Pyrolyysissa kosteudesta on jopa etua, koska vesi(höyry) aiheuttaa hydrolyysiä (veden aiheuttama kemiallinen hajoamisreaktio), jolloin erityisesti helmiselluloosat ja ligniini alkavat hajoamaan alhaisemmissa lämpötiloissa ja pyrolyysi tehostuu [6]. Kaasutuksessa vesi on aktiivinen ja välttämätön komponentti. Biomassasta kemiallisesti vapautuva vesi on juuri ja juuri riittävä hyödyntämään biomassan sisältämän hiilen kaasutusreaktiossa. Koska reaktio on tasapainossa (kaikki vesi ei reagoi hiilen kanssa), pieni, alle 20% kosteus kaasutettavassa biomassa ei ole haitaksi. Tätä suurempi kosteus alkaa vaatia enempi lämpöä kuivaukseen joka otetaan hapetusvyöhykkeeltä palamisreaktiossa joka vähentää hiilen määrää hiilidioksidin määrän lisääntyessä[1]. LÄHTEET: 1. McKendry P. Energy production from biomass (part 3): gasification technologies. Bioresour Technol 2002;Volme:55. 2. Keiluweit M, Nico PS, Johnson MG, Kleber M. Dynamic Molecular Structure of Plant Biomass-Derived Black Carbon (Biochar). Environ Sci Technol 2010;Volme:1247. 3. Boucher ME, Chaala A, Roy C. Bio-oils obtained by vacuum pyrolysis of softwood bark as a liquid fuel for gas turbines. Part I: Properties of bio-oil and its blends with methanol and a pyrolytic aqueous phase. Biomass Bioenergy 2000;Volme:337. 4. Prins MJ, Ptasinski KJ, Janssen FJJG. Torrefaction of wood: Part 1. Weight loss kinetics. J Anal Appl Pyrolysis 2006;Volme:28. 5. Prins MJ, Ptasinski KJ, Janssen FJJG. Torrefaction of wood: Part 2. Analysis of products. J Anal Appl Pyrolysis 2006;Volme:35. 6. Viitaniemi P, Jämsä S. Puun modifiointi lämpökäsittelyllä. Espoo: VTT; 1996, p. 59. Termiset prosessit Hajautetuissa Biojalostamoissa Torrefiointi [2,3] Olosuhteet: Hapeton tai tyhjiö. Lämpötila 220 C 300 C. Torrefioinnilla pyritään parantamaan sekä energiasisältöä massayksikköä kohden, että säilyvyysominaisuuksia. Mikäli torrefioitua materiaalia ei pelletöidä, tai muutoin tiivistetä, sen energiasisältö tilavuusyksikköä kohden ei juuri muutu tai se heikkenee. Torrefioinnissa biomassasta poistuu vettä ja pienimolekyylisiä happea sisältäviä yhdisteitä kuten etikkaa. Pyrolyysi [4,5] Olosuhteet: Hapeton. Lämpötila 250 C 600 C. Pyrolyysissa tavoitteena voi olla joko biohiili (esimerkiksi grillihiili) tai pyrolyysinesteet (bioöljy, terva). Nopeassa pyrolyysissa hienojakoinen aine kuumennetaan nopeasti, noin sekunnissa, 300-550 C lämpötilaan jolloin noin 70% massasta muuttuu jäähtyessään nesteiksi, noin 15% jää kaasuksi ja 15% jäännöshiileksi. Tavoitteena on pääasiassa nesteet, bioöljy. Hitaassa pyrolyysissa lämmitysajat ovat tunteja tai vuorokausia. Materiaali on tyypillisesti haketta tai pilkettä. Lämpötila voidaan joko nostaa kerralla tavoitelämpötilaan tai kuumentaa vaiheittain. Lopputulos riippuu suuresti sekä käsittelyajasta, kuumennusnopeudesta ja jaksotuksesta. Tyypillisesti kuitenkin kaasu/neste/hiili jakauma on kolmasosa kutakin. Myötävirta kaasutus[1] Olosuhteet: vähähappinen. Lämpötila 500 C 750 C. Yleistä: kaasutuksessa biomassaa muutetaan (yleensä) kiinteästä kaasumaiseen, energiaa sisältävään muotoon jossa pääreaktio on seuraava. C+H 2 O CO+H 2 Myötävirtakaasutuksessa kaasut ja polttoaine virtaavat reaktiovyöhykkeessä samansuuntaisesti. Ylimpänä on pyrolyysivyöhyke jossa muodostuu pyrolyysikaasuja ja biomassa hiiltyy, hapetusvyöhykkeeseen syötetään käyttöilma jossa tuotetaan osittaisella hapettamisella kaasutuksen tarvitsema lämpö. Hapetusvyöhykkeen alapuolella on pelkistysvyöhyke jossa kaasutuksen pääreaktio (kts. yllä) tapahtuu. Muita kaasutusmenetelmiä [1]: Vastavirtakaasutuksessa kaasut virtaavat polttoeineen virtaussuuntaa vastaan ja tämä tekniikka tuottaa runsastervaista kaasua ja se muistuttaa osittain pyrolyysia. Leijupetikaasutuksessa kaasutettava materiaali syötetään leijupetiin vähäisen hapen tai pelkän höyryn kanssa. Prosessi muistuttaa nopeaa pyrolyysia, mutta lämpötila on korkeampi ja se soveltuu suuriin (MW luokan) laitoksiin. Entrained flow kaasutus, sopii nesteille tai pulvereille ja soveltuu erityisesti runsastuhkaisille materiaaleille. Kaasutettava materiaali sumutetaan kaasuvirtaan hyvin korkeassa lämpötilassa (>1000 C) Yhteyshenkilö hankkeessa: Tutkija Teemu Vilppo p. 050 407 0193 etunim.sukunimi@uef.fi 14

Hajautetut biojalostamot Infokortti 19 Hidaspyrolyysiöljyn kemialliset ominaisuudet Hajautetut biojalostamot hankkeessa selvitettiin Kouvolan seudun ammattiopiston valmistamien pyrolyysiöljyjen kemiallisia ominaisuuksia Itä-Suomen yliopiston kemian laitoksella. 1 Työn tavoitteena oli erityisesti öljyjen kemiallisen koostumuksen selvittäminen. Öljyn koostumukseen vaikuttavat raaka-aineen lisäksi pyrolyysissä käytetty lämpötila sekä lämmitysnopeus. Tässä infokortissa esiteltyjen pyrolyysiöljyjen valmistusmenetelmänä oli hidas pyrolyysi ja raaka-aineena kuorellinen mäntyhake. Pyrolyysilämpötila oli 360 C. Laitteistossa oli kolme ulostuloa tuoteöljylle: etu (E), taka (T) ja kondenssi (K). Näytteet analyyseihin kerättiin kaikista ulostuloista erikseen. Pyrolyysiöljyihin muodostuu usein kaksi faasia, vesimäinen ja orgaaninen. Faasierottuminen riippuu sekä öljyn sisältämän veden määrästä että öljyn kemiallisesta koostumuksesta. Tutkituissa pyrolyysiöljyissä oli havaittavissa kaksi eri faasia, joiden ominaisuuksia selvitettiin erikseen. Taulukossa 1 on tutkittujen öljynäytteiden mitattuja bulkkiominaisuuksia. Tulokset osoittavat, että pyrolyysiöljyt ovat happamia, mutta selvää korrelaatiota ph:n ja TAN-arvon välillä ei ole. Hapen suurempi määrä vesimäisessä kuin orgaanisessa faasissa korreloi suuremman vesipitoisuuden kanssa. E, T ja K näytteiden välillä ei havaittu merkittäviä eroja. Typpeä havaittiin myös pieniä määriä, mutta rikkiä ei sen sijaan ollenkaan. Taulukko 1. Mäntypohjaisten hidaspyrolyysiöljyjen ph-, TAN- ja alkuaineanalyysien tuloksia (E = etunäyte, K = kondenssinäyte, T = takanäyte). Pyrolyysiöljyjen ns. bulkkiominaisuuksia selvitettiin mm. alkuaine-, ph-, ja kokonaishappoluku (TAN) -määrityksillä. 15

Massaspektrometria (MS) on hyvä analyyttinen menetelmä orgaanisten yhdisteiden tunnistamiseen (tarkemmin Infokortissa 3). Pyrolyysiöljen tarkempaa kemiallista koostumusta selvitettiin korkean erotuskyvyn MS:lla. Tässä työssä käytettiin Brukerin 12 teslan FT-ICR massaspektrometria, jolla saavutetaan erittäin korkea erotuskyky ja massatarkkuus. Yhdisteiden ionisointiin käytettiin negatiivista sähkösumutusionisaatiota (ESI), joka soveltuu erityisen hyvin bioöljyjen suurempien, haihtumattomien polaaristen yhdisteiden tunnistamiseen. Massaspektrin perusteella voidaan selvittää öljynäytteen sisältämien yhdisteiden tarkat alkuainekoostumukset, eli molekyylikaavat (C c H h O o S s N n...), ja niiden suhteellinen runsaus öljyssä (Kuva 1). Öljynäytteiden massa-analytiikassa tulosten analysoinnin helpottamista varten tunnistetut yhdisteet jaetaan usein ns. heteroatomiluokkiin (Kuva 2). Edelleen molekyylikaavasta voidaan laskea kaksoissidosekvivalenttiluku (double bond equivalent, DBE 2 ), jonka avulla voidaan usein tehdä tarkempia johtopäätöksiä kunkin yhdisteen molekyylirakenteesta. Tehokas tapa tulosten esittämiseen ovat ns. contour kuvaajat (yhdisteen DBE vs. hiililuku vs. intensiteetti) (Kuva 3). Contour-kuvaajissa yhdisteen aromaattisuus-/tyydyttymättömyysaste kasvaa alhaalta ylöspäin ja vastaavasti alkylaatioaste (koko) vasemmalta oikealle. VIITTEET: 1. Miettinen, Ilja: Puupohjaisten pyrolyysiöljyjen karakterisointi korkean resoluution massaspektrometrialla, pro gradu tutkielma, Itä-Suomen yliopisto, kemian laitos, 2012. 2. Renkaiden ja/tai kaksoissidosten lukumäärä molekyylirakenteessa; esim. bentseenirenkaalle DBE = 4 (yksi rengas ja kolme kaksoissidosta). Kuva 1. Hidaspyrolyysiöljyjen (takanäyte, T) vesimäisen ja orgaanisen faasin korkean erotyskyvyn ESI FT-ICR massaspektrit. Kuvassa 1 on öljynäytteen T vesimäisen ja orgaanisen faasin ESI FT-ICR massaspektrit. Kummastakin näytteestä tunnistettiin yli 700 yksittäistä yhdistettä. Kuvassa 2 on tunnistettujen yhdisteiden heteroatomiluokkajakaumat. Kuvasta nähdään, että faasien välillä on selviä eroja kemiallisessa koostumuksessa. Vesifaasissa luokat O 6 O 9 ovat vallitsevia, orgaanisessa faasissa on eniten O 2 -luokan yhdisteitä. Kuva 2. Eri heteroatomiluokkiin kuuluvien yhdisteiden suhteelliset osuudet öljynäytteen E vesimäisessä ja orgaanisessa faasissa. Rasvahappo (C18, DBE = 1) Hartsihappo (C20, DBE = 6) Kuva 3. Öljyn E luokkien O 2, O 6 ja O 9 yhdisteiden contour-kuvaajat Dianhydrosellobioosi C 12H 18O 9; DBE = 4 Contour-kuvaajista havaitaan, että pyrolyysiöljyjen rasvahapot kertyvät erityisesti vesimäiseen faasiin, kun taas hartsihapot vastaavasti orgaaniseen faasiin (Kuva 3). O 6 -luokan yhdisteet ovat ligniinin hajoamistuotteita ja O 9 -luokan yhdisteet ovat pääosin anhydrosokereita. C C Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Janne Jänis janne.janis@uef.fi www.uef.fi/mass-spectrometry hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org Tutkija Timo Kekäläinen timo.kekalainen@uef.fi 16

Decentralised biorefineries Infocard 12 Joensuu pyrolysis oil factory Picture: Fortum & Metso Picture: Fortum & Metso Joensuu pyrolysis oil plant is a joint effort of Fortum ltd. and Metso ltd. The plant will start production in 2013 and the annual production will be 50 000 tonnes of oil. Production requires 250 000 solid cubic meters of wood. It enrolls 10 supply chains with about 70 persons to work annually. In Joensuu, production will be integrated with fluidised bed boiler of Fortum CHPplant. This is creating remarkable synergy in the process. The total cost of the new plant is 33 M and the support for the project from government was 8 M. Pyrolysis oil is one of the most promising liquid biofuel. Production is relatively simple and further processing options are almost unlimited. In production wood is gasified in high (500-600ᵒC) temperature and the gas is cooled and condensed to liquid. Pyrolysis oil can be used also as a substitute of heavy heating oil in energy production and, for example, as a fuel for ships and other heavy duty machines. Researchers all over the world are creating methods to use pyrolysis oil in chemical industry to compensate fossil oil. 17

Pyrolysis oil can substitute heavy heating oil in energy generation. Finnish demand for heavy heating oil is about one million tonnes annually. In heat production, heavy heating oil covers 1.4% of fuel used. Domestic demand equals amount 20 times the production of Fortum plant in Joensuu. Fortum plant is using fast pyrolysis process, which is described in the illustration below. Another option in pyrolysis oil production is slow pyrolysis, in which the heat treatment can take half an hour or even days. Slow pyrolysis is using lower temperatures and the process can be adjusted stepwise to produce more wide range of gasified outputs. Technical implementation used in Joensuu is relatively easy to install to numerous fluidized sand bed boilers of large chp-plants in Finland and elsewhere in the world. Figure above: High resolution mass spectrometer of UEF has been able to separate thousands of compounds in pyrolysis oil (see infocard 3 at project s website) University of Eastern Finland has remarkable research facilities and efforts for pyrolysis oil. Both supply chain and oil itself are studied. The main research branches are high resolution mass spectrometry and product characterization. In pyrolysis oil production UEF is concentrating on slow pyrolysis, because it has as a process more potential for identification of new compounds and products. In Joensuu area, Fortum s and Metso s pyrolysis oil concept was able to have good local network of research and development. That was one of the factors supporting decision making of companies. Picture: Fortum & Metso Pyrolysis oil has following chemical and physical characteristics: Density 1.2 kg/l Calorific value 16-21 MJ/kg Ash content 0.13% Flash point 40-100 ᵒC Pour point -12 - -33ᵒC Cetane number 10 Water content 20-28% ph 1.5 3.8 Water in pyrolysis oil is difficult to separate, because molecules have been split during the pyrolysis. Water content is also making the use difficult in cold conditions, pyrolysis oil tanks need to be heated in winter. Acidity is also challenging for tanks, hoses and valves. Still, redesign of fossil oil using power plant for pyrolysis oil needs relatively small investments. Pyrolysis oil is very complex product with thousands of compounds. Simple energy use is only a starting point, it gives instant economical sustainability for the value chain and enables research and development of countless options where the use of fossil oil can be substituted. Contact person in the project: Professor Lauri Sikanen p.+358 50 381 2443 lauri.sikanen@uef.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 18

Hajautetut biojalostamot Infokortti 3 Massaspektrometria bioöljyjen analytiikassa Fourier-muunnos-ionisyklotroniresonanssi massaspektrometria (FTICR-MS) 1 on viime vuosina kehittynyt erinomaiseksi menetelmäksi (bio)öljyjen tutkimuksessa. Menetelmällä voidaan saavuttaa erittäin korkea erotuskyky sekä massatarkkuus, jotka ovat keskeisiä ominaisuuksia erittäin monimutkaisten näytteiden suorassa analysoinnissa. Korkean erotuskyvyn massaspektrometria on tehnyt mahdolliseksi kokonaan uuden tieteenalan, petroleomiikan 2,3 synnyn. Tieteenala tutkii öljyjen kemiallisen rakenteen sekä ominaisuuksien ja reaktiivisuuden välisiä yhteyksiä. Viimeisen noin 15 vuoden aikana massaspektrometriaa on alettu käyttää yhä enemmän öljyjen tutkimiseen. Viime vuosina tutkimus on laajentunut myös bioöljyjen puolelle. 4 Massaspektrometria on analyyttinen menetelmä, jota voidaan käyttää orgaanisten yhdisteiden tunnistamiseen. Massaspektrometriassa näytteen sisältämät yhdisteet ionisoidaan ja siirretään massa-analysaattorille. Massaspektrometri mittaa ionien intensiteetin niiden massa/varaus-suhteen funktiona. Yhdisteen massa/varaus-suhde kertoo yhdisteen molekyylimassan ja intensiteetti sen pitoisuuden (suhteellisen määrän) näytteessä. Mittaamalla riittävän tarkasti ionin massa/varaus-suhde, voidaan yhdisteen alkuainekoostumus määrittää yksiselitteisesti. Alkuainekoostumuksesta sekä siitä edelleen johdettavasta informaatiosta (mm. kaksoissidosten sekä renkaiden lukumäärä rakenteessa) on mahdollista selvittää yhdisteen molekyylirakenne. Massaspektrometrisilla menetelmillä voidaan tutkia biomassasta tuotettuja nestemäisiä seoksia suoraan ilman kromatografista erottelua. Yhdellä mittauksella on mahdollista selvittää lähes kaikki näytteen sisältämät yhdisteet. Bioöljyt voivat sisältää jopa kymmeniä tuhansia erilaisia yhdisteitä. 19

Suomen ainoa FTICR massaspektrometri (etusivun kuvassa) on käytössä Itä- Suomen yliopiston kemian laitoksella Joensuussa. Laite on varustettu korkean kentän (12 teslaa) suprajohtavalla magneetilla. Vastaavia laitteistoja on Euroopassa tällä hetkellä vain kuudessa laboratoriossa. Kuva 1. Koivun sydänpuusta valmistetun pyrolyysiöljyn korkean erotuskyvyn massaspektri, jossa voidaan erottaa useita tuhansia piikkejä. Fossiilisten polttoaineiden korvaaminen uusiutuvilla energiamuodoilla on keskeinen kysymys tulevaisuuden energiapoliittisissa ratkaisuissa. Yksi osa ratkaisumalleja voisi olla erilaisten bioöljyjen hyödyntäminen. Kuva 2. Sähkösumutusionilähde, jonka avulla näytteen sisältämät yhdisteet ionisoidaan ennen niiden siirtämistä massa-analysaattorille. VIITTEET: 1. Marshall, A. G.; Hendrickson, C. L.; Jackson, G. S. Mass Spectrom. Rev. 1998, 17, 1-35. 2. Marshall, A. G.; Rodgers, R. P. Acc. Chem. Res. 2004, 37, 53-59. 3. Rodgers, R. P.; McKenna, A. M. Anal. Chem. 2011, 83, 4665-4687. 4. Smith, E. A.; Lee, Y. J. Energy Fuels, 2010, 24, 5190-5198. Bioöljyjä voidaan tuottaa pyrolyysin avulla biomassasta, kuten puusta, puujätteestä, levästä tai muusta orgaanisesta aineksesta. Pyrolyysi on biomassan kuumentamista hapettomissa olosuhteissa. Pyrolyysissä tapahtuu kemiallisia reaktioita, jossa kuumennettavan biomassan sisältämät komponentit pilkkoutuvat pienemmiksi molekyyleiksi ja vapautuvat hiiltyvästä aineksesta joko nestemäisessä muodossa tai erilaisina kondensoituvina kaasuina. Pyrolyysiöljyt ovat erittäin monimutkaisia orgaanisia seoksia, joiden koostumus voi vaihdella suuresti alkuperän ja pyrolyysiolosuhteiden mukaan. Massaspektrometrialla voidaan selvittää miten olosuhteiden muutokset, kuten lämpötila tai erilaiset katalyyttikäsittelyt, vaikuttavat tuotteiden koostumukseen. Bioöljyn koostumuksella on tärkeä merkitys bioöljyn taloudelliselle arvolle, koska koostumus vaikuttaa suoraan öljyjen tuotanto- ja prosessointikäsittelyyn sekä ominaisuuksiin ja hyödynnettävyyteen. Bioöljyjen koostumuksen tunteminen on siis tärkeää niiden jatkojalostusprosessien kehittämisessä. Hajautetut biojalostamot hankkeessa korkean erotuskyvyn massaspektrometriaa hyödynnetään mänty- ja koivuhakkeesta tehtyjen pyrolyysiöljyjen sisältämien orgaanisten yhdisteiden analysoinnissa. Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Janne Jänis Tutkija Timo Kekäläinen p. 013 2513362 p. 013 2513355 20 janne.janis@uef.fi timo.kekalainen@uef.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org

Hajautetut biojalostamot Infokortti 24 Vakuumitorrefiointitestit Saanto taulukko (massa kilogrammoina) Havupuu hake Mänty pilke Koivu pilke Lähtöaine 12.48 9* 9.365 Hiili 0.3 1.73 2.515 150/120 0.425 0.02 0.005 150/60 0.235 0.03 0 150/10 0.29 0.13 0 Suoja pullo 0.34 0.03 0 260/120-0.165 0.235 260/60-0.12 0.235 260/10-0.39 1.175 Suoja pullo 0.075 0.045 Nesteitä yhteensä Saanto yhteensä 1.29 0.96 1.695 1.59 2.69 4.21 Saanto % 13 % 30 % 45 % Ensimmäinen luku on käsittelylämpötila ja toinen luku lämpötila jossa lauhde on kerätty. esim. 150/60 käsittely 150 astetta, keräyssormeen 60 C kertynyt nestemäärä. Suojapullo on viimeinen pullo, joka on huoneen lämmössä Vakuumitorrefiointi testit Laitteiston ensimmäisissä testeissä ajettiin mäntyhaketta, mänty pilkettä ja koivupilkettä. Testeissä todettiin, että pyrolyysin käynnistymislämpötila vaikuttaa olevan alhaisempi vakuumissa kuin normaalipaineessa ja erityistä huomioita tulee kiinnittää järjestelmän tiiviyteen. Testi ajettiin 2 vaiheisena, ensimmäinen 150 C kuivausvaihe ja toinen 260 C torrefiointivaihe. Testeistä saatiin 9 eri näytettä; jäännöshiili ja kahdesta vaiheesta lauhteet 3 eri lämpötilan +120 C, +60 C ja +10 C keräyssormista. Kuivajää sormea ei testattu. Myös puulajilla vaikuttaa olevan merkittävä vaikutus saantoon, mäntypilkkeellä nestekertymä käsittelylämpötilojen ja keräyssormien välillä vaikutti olevan jotakuinkin vakio, kun koivupilkkeestä saanto 150 lämpötilassa oli liki olematon ja pääosa kertyi +10 C asteen sormeen +260 C prosessilämpötilasta. Ensimmäisessä hake testeissä todettiin puutteet tiiveydessä ja niillä oleva merkittävä vaikutus lopputulokseen, hake paloi tuhkaksi saakka alipaineesta huolimatta. 21

Torrefiointi Torrefiointi on biomassan lämpökäsittelyä lämpöpuukäsittelyä korkeammassa lämpötilassa joka ei kuitenkaan johda pyrolyysiin (hiiltymiseen). Käsittelylämpötila on 225 300 C tyypillisimmillään alle 260 C. Torrefioinnissa biomassan lämpöarvo painoyksikköä kohden (MJ/kg) kasvaa, mutta lämpöarvo tilavuusyksikkö kohden jopa laskee. Torrefioinnissa menetetään noin 30 % massasta mutta vain noin 10 % energiasta. Kumpikin arvo kasvaa mitä korkeampi käsittelylämpötila ja mitä pidempi käsittelyaika. Ilman pelletöintiä tai muuta tiivistämistä torrefionilla ei saavuteta kuin mekaanisten (hauraampi; parempi jauhautuminen pölypolttoon ym.) ja käyttöominaisuuksien (parempi syttyvyys, hydrofobisuus) paraneminen. Pelletöinnillä voidaan näiden lisäksi saavuttaa logistinen hyöty. Torrefionnin mittausdataa (lämpötila) Vakuumi torrefionitilaitteisto Laitteisto koostuu reaktioastiasta, keräyssormisarjasta ja alipainepumpusta. Järjestelmän mittauksista ja ohjauksesta huolehtii automaatio, ja käyttäjältä vaaditaan ainoastaan näytteiden (neste ja kiinteät aineet) fyysinen käsittely. Reaktori Reaktorin tilavuus on 50 litraa, nimellinen lämpötilankesto +400 C ja alipaineenpitävyys 0,05 bar. Reaktoria lämmitetään yhdellätoista sähkövastuksella joista 2 on ulkovaipassa ja 9 sauvavastusta kammion sisällä. Sauvavastustornit on integroitu imuputkiin, jolloin muodostuva kaasu liikkuu kohden lämpimämpää eikä kondensoidu kammion sisään. Imuputkista kokoojakammion kautta kaasu johdetaan lauhduttimien läpi pumpulle joka poistaa kondensoitumattomat kaasut ulkoilmaan. Reaktorissa on runsaasti lämpötilamittauksia joilla prosessin etenemistä biomassassa voidaan seurata. Keräyssormet Sormia on 2 sarjaa 5 joista 4 on käytössä. Näillä saadaan kerättyä eri kiehumispisteet omaavat nesteet talteen. 120 C sormi on toteutettu öljykierrolla ja +60 C ja +10 C vesi-glykoli kierroilla. Kuivajäällä voidaan viimeiseen sormeen kondensoida herkästi haihtuvia yhdisteitä joiden kiehumispiste on normaalipaineessa jopa noin ±0 C. Torrefiointi laitteiston lämpötilan ylläpito on hyvin vakaa. Lämpötilaan voivat vaikuttaa lämpöä tuottavat reaktiot käsiteltävässä materiaalissa. Tulevaisuus Vakuumitorrefiointilaitteella tullaan testaamaan laaja kirjo erilaisia puulajeja ja muita raaka-aineita, kuten järviruokoa ja ruokohelpeä. Vakuumitorrefioinnin rinnalla voidaan Itä-Suomen yliopistolla tehdä normaalispaineisia torrefiointikokeita jolloin tuloksia voidaan vertailla tyypilliseen normaalipaineiseen LÄHTEET: 1. Prins MJ, Ptasinski KJ, Janssen FJJG. Torrefaction of wood: Part 1. Weight loss kinetics. J Anal Appl Pyrolysis 2006;77:28. 2. Prins MJ, Ptasinski KJ, Janssen FJJG. Torrefaction of wood: Part 2. Analysis of products. J Anal Appl Pyrolysis 2006;77:35. 3. Garcia-Perez M, Chaala A, Pakdel H, Kretschmer D, Roy C. Vacuum pyrolysis of softwood and hardwood biomass: Comparison between product yields and biooil properties. J Anal Appl Pyrolysis 2007;78:104. Paineen alentamisen vaikutus keräyssormiin kertyviin yhdisteisiin Alipainepumppu Alipaine pumppu on vakuumitorrefiointilaitteiston sydän. Alipaine pumpun kapasiteetti on 100m 3 /h (27,8 l/s) ja se kykenee tuottamaan 0,033bar (3% ilmanpaineesta) alipaineen. Vesi kiehuu tyypillisissä käyttö paineissa noin 25 40 C lämpötilassa. Yhteyshenkilö hankkeessa: Teemu Vilppo teemu.vilppo@uef.fi 050 407 0193 22

Hajautetut biojalostamot Infokortti 20 Biohiilen saanto biojalostusprosesseissa Biohiileksi voidaan kutsua hiiltä, joka on valmistettu biopohjaisesta raaka-aineesta (mm. viljelykasvien oljet ja korjuutähteet, sekä puuraaka-aineet). Yleensä puhuttaessa biohiilestä tällä tarkoitetaan puuhiiltä, joka on biohiilen yleisin raaka-aine. Puuhiiltä syntyy, kun puuta lämmitetään hapettomassa tai vähähappisessa tilassa niin lämpimäksi, että siitä poistuu suurin osa haihtuvista aineista. Jäljelle jää puun jäännöshiili ja pieni määrä tuhkaa. Puuhiilestä haihtuu lämmityksessä myös kosteus. Biohiiltä valmistettiin jo antiikin aikana. Sitä on käytetty mm. luolamaalauksien tekoon, ahjojen polttoaineena, ruudin valmistukseen ja lannoitteena. Nykyaikana Biohiiltä käytetään ruoan valmistuksessa polttoaineena, jonkin verran lannoitteena ja aktiivihiilen raakaaineena. Suomessa tuotetaan puuhiiltä käytännössä lähes ainoastaan grillihiileksi. Grillihiilen tuotantomäärä on Suomessa noin 200-400 t vuodessa. Ulkomailta tuodun grillihiilen osuus on noin 90-95 %. 23

Biohiili sisältää alkuainehiiltä valmistustekniikasta riippuen parhaimmillaan yli 90 %. Biohiilen kosteus on tyypillisesti 5 8 %. Puun pyrolyysiprosesseissa (hidas- ja nopeapyrolyysi, sekä kaasutus) syntyy kaasujen ja nestemäisten jakeiden lisäksi tuotteena puuhiiltä (katso infokortti 16 Termiset prosessit). 100,0 Metalliteollisuuden käyttöön valmistettu biohiili (voidaan käyttää kivihiilestä valmistetun koksin sijasta) sisältää haihtuvia aineita 5 15 %, grillihiilessä vastaava osuus on 20 30 %. 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Saanto % Hiilipitoisuus % Vetypitoisuus % 200 300 400 500 C 600 700 800 900 Kuva 1. Puun pyrolyysissä lämpötilan nousu vähentää lopputuotteen saantoa ja vetypitoisuutta. Hiilen suhteellinen osuus kasvaa kun muut aineet poistuvat lämmön nousun myötä. Väreillä kuvataan lämpötila-alueita, joissa kyseiset prosessit yleisesti tapahtuvat. Aktiivihiilen valmistus kuvaa hiilen fyysisen aktivoinnin lämpötila-aluetta (katso Infokortti 18 Puuhiilen jalostus aktiivihiileksi). Puun pyrolyysissä reaktioon ei päästetä lainkaan ilmaa. Tällöin lopputuotteena syntyy suurempi määrä jäännöshiiltä. Kuva 3. Nopean ja hitaan pyrolyysin, sekä kaasutuksen vaikutusta maissin korjuutähteestä syntyvään hiilen. Hiilen lämpöarvo korreloi kiinteän hiilen osuuden suhteen. Lähteet: Bruun, E. W. 2011. Application of Fast Pyrolysis Biochar to a Loamsy Soil. PhD thesis. Risø DTU. Gašparovič, L., Labovský, J., Markoš, J. and L. Jelemenský. 2012. Calculation of Kinetic Parameters of the Thermal Decomposition of Wood by Distributed Activation Energy Model (DAEM). Brewer, C. E., Schmidt-Rohr, K., Satrio, J. A. & Browna, R. C. 2009. Characterization of Biochar from Fast Pyrolysis and Gasification Systems. Starck, J. 2010. Biohiili. Zajec, L. 2009. Slow pyrolysis in a rotary kiln reactor: Optimization and experiment. Nopea pyrolyysi Hidas pyrolyysi 475 C 500 C 525 C 550 C 575 C 525 C C (%) 45,2 48,1 50,4 49,3 49,9 68,9 H (%) 4,7 4,0 3,7 2,9 2,7 2,1 O (%) laskennallinen 33,2 26,6 23,0 20,2 18,5 7,9 N (%) 1,0 1,3 1,2 1,2 1,1 14,0 Tuhka (%) 15,8 20,1 21,6 26,4 27,9 19,8 Selluloosa (%) 30,0 16,0 7,4 4,2 2,7 0 Hemiselluloosa (%) 5,5 3,0 1,4 1,5 0,7 0 Kok. Hiilihydraatit (%) 35,5 19,0 8,8 5,7 3,4 0 ph 6,8 7,1 10,1 BET (m 2 /g)* 1,6 1,6 2,3 2,2 2,1 0,6 Tiheys (kg/m 3 ) 180 200 200 210 210 260 Taulukko 1. Eri pyrolyysimenetelmien ja lämpötilatasojen vaikutus vehnän oljesta muodostuvan hiilen koostumukseen ja ominaisuuksiin. (*BET katso Infokortti 18 Puuhiilen jalostus aktiivihiileksi). Kuva 2. Puun eri komponentit hajoavat erilaisilla lämpötila-alueilla. Tummemmat kohdat kuvastavat lämpötila-alueita, joissa hajoamisreaktiot ovat voimakkaimmillaan. Kaasutuksessa osa jäännöshiilestä reagoi hapen kanssa ja muodostaa hiilimonoksidia ja hiilidioksidia, jolloin myös jäännöshiilen määrä vähenee. Nopeassa pyrolyysissä syntyvän hiilen määrä on vähäinen. Hitaalla pyrolyysillä saadaan tuotettua pyrolyysiprosesseista eniten hiiltä. Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Lauri Sikanen Kehityspäällikkö Sari Pitkänen Projektipäällikkö Simo Paukkunen p. 050 381 2443 p. 050 363 4540 p. 050 913 1786 lauri.sikanen@uef.fi sari.k.pitkanen@uef.fi simo.paukkunen@karelia.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 24

Hajautetut biojalostamot Infokortti 21 Kaasutuskokeet Myötävirtakaasutuksen reaktiovyöhykkeet Kuivuminen polttoainevarasto/puskuri Pyrolyysivyöhyke jossa muodostuu tervoja ja muita palavia höyryjä ja kiintoaines hiiltyy Hapetusvyöhyke jossa tuotetaan reaktioiden tarvitseman lämpöenergian palamisreaktiossa, joka kuluttaa pienen osan polttoaineesta Pelkistysvyöhykkeellä tapahtuu pääosa tuotekaasun häkä ja vety kaasuista vesihöyryn reagoidessa hehkuvan hiillen kanssa. Myötävirtakaasuttimen periaatekuva 1 Kaasutuskokeet Kaasutuksessa tuotekaasun laatuun vaikuttavat kaasutus polttoaineen palakoon ja kaasuttimen mitoitussuhde, syöttöilman virtausnopeus, kaasun näennäisvirtausnopeus (superficial gas velocity) reaktorissa ja polttoaineen viipymä ja koostumus. Mekrijärven tutkimuskaasutin on mitoitettu käyttämään pellettiä polttoaineena. Polttoaineen voidaan käyttää myös pienen palakoon haketta. Automaatio ja mittaukset Järjestelmä mittaa lämpötiloja useista pisteistä, joista osaa käytetään myös ohjauksessa. Pääasiallinen ohjaus tapahtuu syöttöilman virtausnopeuden mittauksella ja säädöllä. Tämän lisäksi järjestelmässä mitataan painetta. FTIR Laimentaminen Kaasunkoostumusta mitattiin FTIR kaasuanalysaattorilla laimennetusta kaasusta. Tarkan laimennoksen määrittämiseksi laimentimelle tulevan raa an tuotekaasun painetta mitattiin, josta voitiin laskea laimennoskerroin (välillä 6-12). 25

Kaasutus reaktiot Biomassa koostuu pääosin hiilestä (C) hapesta (O) ja vedystä (H), reaktiota ajetaan syöttämällä happea (ilmaa) ja/tai vettä. Lisäksi osa tuotteista muodostuu krakkautumalla pyrolyysi, hapetus- tai pelkistysvyöhykkeellä. C+O 2 CO 2 2H+O 2 2 H 2 O 2C+O 2 CO C+H 2 O CO+H 2 CO+H 2 O CO 2 +H 2 CO+3 H 2 CH 4 +H 2 O Kuivan kaasun pääkomponentit ovat 50% N 2, 21% CO, 16% H 2, 9% CO 2, 2% CH 4, 1% O 2 ja noin 1% muita hiilivetyjä, erityisesti etyleeniä (0,5%) ja asetyleeniä (0,2%). Kaasua jäähdytettäessä muodostuu lauhteita, joissa on pääosin vettä, etikkaa ja metanolia ja formaldehydiä. Lisäksi polttoaineen koostumuksesta ja kaasutuslämpötilasta riippuen voi lauhteeseen kertyä ammoniakkia, hiilivetyjä ja tervoja Tulevaisuus Otos kaasutustuloksista noin 40min käyttöjakson keskiarvo kostealle kaasulle. Kuusikuitu Mfibrils kuitulisäaineella Havupuru jossa Kierrätys paperia 10% Paju Kuorilla Paju Kuoreton Polttoaine Tuotekaasukomponentit CO % 18.6 20.1 19.1 18.3 CO2 % 8.9 7.8 8.5 9.3 CH4% 1.8 1.5 2.3 2.4 H2% ennuste 14.4 15.7 13.6 13.3 H2O % 8.8 6.1 9.3 9.8 C2H4 ppm 4393 3992 5697 7086 CHOH ppm 65 87 93 292 CO/CO2 suhde 2.08 2.58 2.24 1.97 CO/CH4 suhde 10.22 13.73 8.48 7.48 Mitä vähemmän kaasussa on kosteutta ja hiilidioksidia sen tehokkaampi kaasutusprosessi on. Myötävirtakaasutuksella ilmalla ajettaessa kaasussa on aina noin 50% typpeä ja noin 10% hiilidioksidia. Hiilidioksidi muodostuu hapetusvyöhykkeellä lämpöä tuottavassa hapetusreaktiossa (palaminen). Laimentamattoman ja laimennetun kaasun spektrit (eri kokeista) FTIR kaasuanalysaattorille käyttöönotettua tuotekaasun laimentamiseen perustuvaa analyysimenetelmää voidaan soveltaa myös CHP- laitteiston tuotekaasun koostumuksen määrittämisessä. Tulevaisuudessa raakaaineen ominaisuuksien, niiden muokkaamisen, tuotekaasun koostumuksen ja pakokaasupäästöjen välisten yhteyksien määrittäminen tulee olemaan merkittävässä roolissa. LÄHTEET: 1. FAO. Wood Gas as Engine Fuel - Forestry Paper 72. FAO Forestry paper: FAO; 1986, p. 139 2. Altafini CR, Wander PR, Barreto RM. Prediction of the working parameters of a wood waste gasifier through an equilibrium model. Energy Convers Manage 2003;44:2763. Kuvien poikkiviiva osoittaa FTIR kaasuanalyysin spektrin piikkien optimianalyysikorkeuden. Ylipäätään analysoitavissa on korkeintaan 1 absorbanssi yksikön korkuiset piikit. Laimentamattomassa kaasussa lähes koko spektri on kummankin raja-arvon yläpuolella, kun taas laimennetussa kaasussa ollaan käyttökelpoisella absorbanssialueella. Yhteyshenkilö hankkeessa: Teemu Vilppo teemu.vilppo@uef.fi 050 407 0193 26

Hajautetut biojalostamot Infokortti 11 FTIR-kaasuanalysattori Gasmet DX-4000 Mekrijärven bioenergian tutkimus ja kehitys ympäristö uudet tuotantomenetelmät hankkeessa hankittu laitteisto koostuu kuumasta näytteenottosondista, kuumasta näytelinjasta, pumppuyksiköstä ja itse FTIR analysaattorista. Näytteenottosondissa on ensiösuodatus huokoisella kivisuodattimella 180 C lämpötilassa. Näytelinja siirtää näytteen sondilta pumppuyksikköön ja pumpulta analysaattorille pitäen sen 180 C lämpötilassa. Pumppuyksikkö pumppaa näytekaasua 4 l/min ja pumppuyksikön yhteydessä on ZrO2 happianturi ilma- ja savukaasumittauksia varten. FTIR kaasuanalysaattorissa on 5 m kyvetti ja mittausaika on säädettävissä 1 sekunnista kolmeen minuuttiin, laitteella voidaan mitata yhtäjaksoisesti 1 vuorokausi ja mittaustarkkuudessa päästään ppm pitoisuuksiin. Laitteistoa ohjataan Calcmet ohjelmistolla. Analysaattorissa on vakaa interferometri, joten laitteistoa on mahdollista liikutella ilman, että se aiheuttaa virheitä mittauksissa. Mittaukset Mekrijärven tutkimusaseman FTIR-kaasuanalysaattorilla Savukaasu Savukaasumittauksella voidaan seurata palamistapahtuman puhtautta sekä päästöjä monimuotoisesti. Kaasuanalysaattorilla voidaan peruspalamisreaktion tuotteiden (CO 2, CO, hiilivedyt, O 2 ZrO 2 kennolla) lisäksi seurata palamisreaktion happosateeseen liittyviä typen ja rikin oksidien päästöjä. Pienhiukkasanalysaattorin mittauksien rinnalla kaasuanalysaattorilla saadaan Mekrijärven polttolaitteistoilla erinomainen kuva palotapahtuman laadusta. Mekrijärven tutkimusaseman pienhiukkasanalysaattori sekä kaasuanalysaattori soveltuvat hyvin monipuoliseen ja liikkuvaan käyttöön, mikäli ilmenee tarvetta tehdä mittauksia erilaisissa toimintaympäristöissä. Biomassan kaasuemissiot LAAVA-hankkeessa on toteutettu biomassan varastointiin liittyvää kaasujen vapautumisen seurantaa FTIR analysaattorilla. Biomassasta, erityisesti tuoreena, vapautuu runsaasti sekä hiilivetyjä (tuoreen puun tuoksu) että hiilidioksidia, mutta myös varastointiolosuhteista riippuen häkää. Tuotekaasu Tuotekaasu on kaasutusprosessin kaasua, joka on infrapuna-alueella optisesti erittäin tummaa. Tuotekaasua voidaan mitata myös suoraan, mutta erityisesti pienempinä pitoisuuksina esiintyvien hiilivetyjen analyysi suurempina pitoisuuksina esiintyvien alta onnistuu paremmin, mikäli tuotekaasua laimennetaan. FTIR analysaattorilla voidaan mitata myös muita prosessikaasuja, mikäli kyseiselle prosessille olennaiset kaasut on analysaattorille kalibroitu. 27

Hajautetut biojalostamot -hanke toimii FTIR kaasuanalyysi perustuu infrapuna- eli lämpösäteilyn imeytymiseen läheisesti Mekrijärven bioenergian (vaimenemiseen) kullekin aineelle tyypillisellä tavalla Beerin lain mukaisesti. tutkimus Pellettejä ja kehitysympäristö otettiin noin 400g uudet kokeeseen ja koko aineisto seulottiin ja mitattiin. tuotantomenetelmät hankkeen kanssa, jossa on hankittu tai hankitaan FTIR kaasuanalysaattori, alipaineinen torrefiointi yksikkö, pien-chp laitteisto ja tuhkan sulamispisteanalysaattori. joita voidaan tehokkaasti hyödyntää biomassan selvitystyössä. jalostuspotentiaalin Suodatuksen ja kuumanäytteenoton merkitys Kaasuanalysaattorilla mitattavan aineen tulee olla kaasumaisessa muodossa. Tästä syystä kiinteät hiukkaset (>2µm) ja yli 180 C lämpötilassa nesteenä esiintyvät aineet suodatetaan kaksivaiheisella suodatuksella. Kuumanäytteenotto pitää veden ja syövyttävät yhdisteet, kuten rikki- (H 2 SO 4 ) ja suolahapon (HCl) tai ammoniakin (NH 3 ) sekä kaasuna olevat tervayhdisteet kaasumaisessa muodossa jolloin ne eivät aiheuta vaurioita (syöpymistä) tai likaantumista kaasumaisten aineiden mittaamiseen tarkoitetun laitteen valoa käsittelevissä peileissä. Kuumanäytteenotto on merkittävä erityisesti savu-, tuote- ja prosessikaasuanalyyseissä. Viereisessä kuvassa näkyy pieni alue spektriä aaltolukualueelta 2250 cm -1-1750 cm -1. Punaisena kalibroitu häkäkaasun spektri analyysissä käytetyltä alueelta ja sekä mustall ohuemmalla viivalla näytteen spektri jossa näkyy myös kaasumaisen veden aiheuttamaa sahalaitaa häkäkaasun profiilin päällä. FTIR Fourier Transform InfraRed (spectroscopy) kaasuanalyysi FTIR eli Fourier muunnos infrapunaspektrometria perustuu interferometriaan ja Fourier muunnokseen. Yksi, kaikkia IR-taajuuksia lähettävä säde (mustan kappaleen säteily) jaetaan puoliläpäisevällä peilillä kahtia. Toisen näistä identtisistä säteen puolikkaista kulkemaa matkaa muutetaan, jolloin muodostuu interferenssi. Interferenssi(kuvio) muuttuu, kun säteen puolikkaiden matkaeroa muutetaan. Kun säteen puolikkaat johdetaan näytteen lävitse, siirtyy siihen tieto näytteen sisältämien yhdisteiden absorbtioista. Interferogrammi voidaan lukea IR-detektorilla. Interferogrammi sisältää tiedon koko spektristä, josta spektri voidaan laskea Fourier muunnoksella. Infrapuna spektrometria asettaa FTIR kaasuanalyysille rajoituksia. Yhden (jalokaasut esim He, Ar) tai kaksi samaa atomia (typpi N 2, happi O 2, vety H 2, kloori Cl 2 jne.) sisältävät molekyylit eivät absorboi infrapunasäteilyä, joten niitä ei voida FTIR:llä määrittää. Kaasun sisältämien yhdisteiden pitoisuuden määrittäminen Kaasun sisältämien yhdisteiden määrä mitataan vertaamalla sitä tunnetun pitoisuuden spektriin (kalibrointi). Näitä kalibroituja pitoisuuksia on mitattu useita eritasoisia ja niiden pienimmän (yleensä 0) ja suurimman pitoisuuden väliä kutsutaan kalibrointialueeksi. Viereisessä kuvassa näkyy pieni alue spektriä aaltolukualueelta 2250 cm -1-1750 cm -1. Punaisena kalibroitu häkäkaasun spektri analyysissä käytetyltä alueelta ja sekä mustalla ohuemmalla viivalla näytteen spektri jossa näkyy myös kaasumaisen veden aiheuttamaa sahalaitaa häkäkaasun profiilin päällä. Koska mitattava kaasu on useiden yhdisteiden, joissa on usein myös samoja kemiallisia ryhmiä (esimerkiksi OH ja CH 3 ), joudutaan vertailu tekemään monivaiheisesti niin, että myös muut samoilla aallonpituuksilla absorboivat yhdisteet otetaan huomioon. Yhteyshenkilö hankkeessa: Tutkija Teemu Vilppo p. 050 407 0193 etunimi.sukunimi@uef.fi 28

Hajautetut biojalostamot Infokortti 14 Mekrijärven pien-chp CHP CHP eli Combined Heat and Power, yhdistetty lämmön ja sähkön yhteistuotanto. Usein ymmärretään kaupunkien ja suurten taajamien voimalaitoksina MW kokoluokassa. Pien-CHP Yli 10kW e alle 2MW e. Useimmiten ymmärretään alle 50kWe sähköverovapaana pientuotantona. Tyypillisesti maatila- tai kiinteistöryhmä kokoluokkaan soveltuva laitteisto. Mikro-CHP Alle 10kWe. Tyypillisesti omakotitalokokoluokkaa oleva laitteisto. CHP- teknologioita Kaasutus Polttomoottori Kaasuturbiini MCFC -polttokenno Suora poltto Suora poltto Höyry-, kaasu-, kuumailma-, ORCturbiinit, ym. Mekrijärven pien-chp Volter 30 Omasähkölaitos Volter 30 omasähkölaitos tuottaa 30 kw sähköä ja 80 kw lämpöä Mekrijärven tutkimusaseman verkkoihin. Laitoksen toiminta perustuu palavan tuotekaasun tuottamiseen termisellä kaasutusprosessilla kiinteästä biopolttoaineesta. Jäähdytetty ja suodatettu tuotekaasu käytetään polttomoottorin polttoaineena [1]. Polttomoottori on kytketty sähkögeneraattoriin. Lämpö vastaavasti otetaan talteen useasta pisteestä, sekä tuote-, että pakokaasun jäähdytyksestä, että moottorin jäähdytyksestä. Laadukkaan tuotekaasun tuottamiseksi polttoaineen tulee olla kuivaa. Mitoituspolttoaine on hake jonka käyttökosteus on alle 18 %. Polttoaine tuodaan asemalle käyttökosteudessa ja se varastoidaan 50 m 3 jousipurkaimella varustettuun polttoainesiiloon. Siilosta polttoaine siirtyy ruuvilla sulkusyöttimen kautta kaasuttimeen. Mahdollisesti kaavio tai kuva 29

Katsaus pien-chp:n käyttöön liittyvään lainsäädäntöön (12/2013) Pienimuotoisella sähköntuotannolla tarkoitetaan sähköntuotantolaitosta tai usean sähköntuotantolaitoksen muodostamaa kokonaisuutta, jonka teho on enintään kaksi megavolttiampeeria. Aina voi tuottaa ja kytkeytyä verkkoon kun täyttää tekniset vaatimukset. Tekniset vaatimukset ovat julkista tietoa. (Sähkömarkkinalaki http://www.finlex.fi/fi/laki/ajantasa/199 5/19950386) Pien CHP:llä tuotetulta sähköltä ei peritä valmisteveroa alle 50 kw (50 kva) teholta, eikä alle 2MW (2000 kva), jos voimalaitosta ei ole kytketty verkkoon eli sähkö tulee vain omaan käyttöön. (Laki sähkön ja eräiden polttoaineiden valmisteverosta http://www.finlex.fi/fi/laki/ajantasa/ 1996/19961260) Syöttötariffi myönnetään yli 100 kw (VA) teholle, runsain rajoituksin ja reunaehdoin. (Laki uusiutuvilla energialähteillä tuotetun sähkön tuotantotuesta http://www.finlex.fi/fi/laki/alkup/20 10/20101396) Mekrijärven lämmön ja sähkön käyttö Lämpö Sähkö Kaasutus Kaasutus on kiinteän (tai nestemäisen) hiilipitoisen materiaalin muuttamista korkeassa lämpötilassa epätäydellisellä hapettamisella kaasumaiseen, energiaa sisältävään muotoon. Tärkein kaasutuksen reaktio [2] on veden reagointi hehkuvan hiilikerroksen kanssa pelkistys vyöhykkeellä. C + H 2 O -> CO + H 2 Tuotekaasun pääkomponentit ovat häkä, vety ja hiilidioksidi. Lisäksi kaasussa on pari prosenttia metaania, vähän muita hiilivetyjä, pieni happijäännös ja ilmalla kaasutettaessa noin puolet inerttiä typpeä, mikä alentaa kaasun lämpöarvoa. Tyypillinen kaasun lämpöarvo on noin 5 MJ/m 3, mikä on noin kymmenesosa maakaasun lämpöarvosta. Sähköä, lämpöä ja tutkimusta Mekrijärven pien-chp on varustettu tutkimuslaitteeksi. Laitteistoon on lisätty perus lämpö- ja sähkötehojen mittaamisen lisäksi momenttimittaus moottorin ja generaattorin väliin, jotta moottorin hyötysuhde voidaan laskea. Pakokaasulinjan lisäksi myös tuotekaasulinjaan on tehty varaukset kaasun koostumuksen ja pienhiukkaspitoisuuden määrittämiseksi. Kaasun koostumuksesta ja virtaustiedosta voidaan laskea kaasun energiasisältö. Kun tiedetään syötetyn polttoaineen energiasisältö, voidaan kattavasti laskea hyötysuhde prosessin kaikista vaiheista. LÄHTEET: Esimerkiksi näin: 1. FAO. Wood Gas as Engine Fuel - Forestry Paper 72. FAO Forestry paper: FAO; 1986, p. 139. 2. McKendry P. Energy production from biomass (part 3): gasification technologies. Bioresour Technol 2002;83:55. Hyötysuhteen lisäksi voidaan tutkia erilaisten polttoaineiden ja polttoaineiden teknisten ominaisuuksien vaikutusta kaasutusprosessiin ja päästöihin. Käyttö Tarkoituksenmukaisinta pien-chp:llä, myös Mekrijärven tapauksessa tutkimuksen ohella, on pyrkiä korvaamaan ostettua sähköä varsinaisen sähkön myynnin sijasta. Yhteyshenkilö hankkeessa: Teemu Vilppo 050 407 0193 teemu.vilppo@uef.fi 30

Hajautetut biojalostamot Infokortti 25 Pien-CHP-teknologiat Lyhenne CHP tulee Englannin kielen sanoista Combined Heat and Power, yhdistetty lämmön ja sähköntuotanto. Mikro-CHP, sähköteholtaan muutamia kilowatteja (P e noin 1-10 kw). Soveltuvat pääasiassa täyttämään yksittäisen pienkiinteistön tai sen osan sähköntarpeen. Pien-CHP, sähköteholtaan kymmenistä kilowatteista satoihin kilowatteihin (P e 10-1000 kw). Soveltuvat vastaamaan kiinteistöjen, kiinteistöryhmien sekä pientaajamien sähköntarpeeseen. Lämpövoimakone: Kahden erilämpötilaisen säiliön välissä toimiva kiertoprosessi CHP-tuotannolla tarkoitetaan prosessikokonaisuutta, josta tuotteena saadaan sähköenergiaa sekä hyödynnettävää lämpöenergiaa. Lähes kaikki CHP-ratkaisut perustuvat lämpövoimakoneprosesseihin muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta. Tällaisen poikkeuksen muodostavat esimerkiksi polttokennotekniikat. Tässä infokortissa tarkastellaan nykyisin yleisessä käytössä olevia lämpövoimakoneprosesseja pien-chp-tuotannon kannalta. Lämpövoimakoneissa pyritään lähtökohtaisesti muuntamaan mahdollisimman suuri osa prosessiin tuotavasta polttoaineen lämpöenergiasta mekaaniseksi energiaksi, joka jalostetaan sähköenergiaksi generaattorissa. Erilaiset voimakoneprosessit soveltuvat erilaatuisille polttoaineille. Voimakoneprosessien keskinäiseen vertailuun voidaan käyttää ns. Carnot-hyötysuhdetta, joka määrittää prosessin maksimaalisen hyötysuhteen kun tiedetään kahden eri tilan olosuhteet. Tiivistetysti Carnot-hyötysuhde voidaan määrittää oheisella kaavalla: Lämpövoimakoneiden kiertoprosesseja ovat muun muassa polttomoottorit, kaasuturbiinit, höyryturbiinit, lämpöpumput sekä kompressorit Kiertoprosessin työaine: Tarkoittaa prosessissa kiertävää ainetta, joka puristuu, lämpenee, paisuu ja luovuttaa lämpöä. Suljetuissa prosesseissa se voi olla vettä/höyryä, ilmaa, typpeä tai hiilidioksidia. Lisäksi voidaan käyttää orgaanisia yhdisteitä. Avoimessa prosessissa työaine vaihtuu kokoajan ja työaine sekoittuu palokaasuihin poistuen prosessista kierron jälkeen. Suljettu kiertoprosessi: Sama työaine kiertää koko ajan koneen sisällä, esimerkiksi höyryturbiiniprosessi Avoin kiertoprosessi: Työaine vaihtuu koko ajan, esimerkiksi polttomottori Voimakoneprosesseista saadaan siis ulos työtä, joka voidaan jalostaa sähköksi, sekä lämpöä joka tulee poistaa prosessista. Kaikissa voimakoneprosesseissa muodostuu mekaanisen liikkeen sivutuotteena lämpöä! Lämpövoimakoneiden kiertoprosessit voidaan jaotella suljettuihin ja avoimiin kiertoprosesseihin. Edelleen kiertoprosesseja suorittavat koneet voidaan jaotella virtauskoneisiin ja mäntäkoneisiin. Kaikki voimakoneisiin perustuvat CHP-tuotannon kiertoprosessit, riippumatta kokoluokasta tai käytettävästä polttoaineesta, käyvät läpi kiertoprosessin aikana seuraavat vaiheet: 1. Puristus: Työaine puristetaan korkeampaan paineeseen, tehdään työtä paineen nostamiseksi Tämä vaihe kuluttaa energiaa 2. Lämmöntuonti: Tuodaan lämpöä prosessiin polttamalla polttoainetta. Suljetussa prosessissa lämmitetään kiertävää työainetta ja avoimessa prosessissa työaine ja palokaasut sekoittuvat. Tuodaan lämpöenergiaa prosessiin 3. Paisunta: Kuuman ja korkeassa paineessa olevan työaineen energia valjastetaan mekaaniseksi työksi paisuttamalla sitä hallitusti. Työaine tekee työtä, saadaan CHP-sähköä 4. Lämmönpoisto: Työaineesta poistetaan hyödyntämiseen kelpaamaton lämpömäärä. Suljetussa prosessissa lämpö siirretään pois jäähdyttämällä työainetta ja avoimessa prosessissa työaine poistuu kiertoprosessista. Työaine luovuttaa lämpöä, saadaan CHP-lämpöä 31

Höyryprosessi, Clasius-Rankine-prosessi, työaineena vesi Höyryturbiiniprosessi 1. Puristus, nestemäisessä muodossa oleva vesi paineistetaan pumpulla 2. Lämmöntuonti, kattilan lämmönsiirtimiltä siirretään lämpöä työaineeseen, joka kiehuu ja tulistuu 3. Paisunta, Tulistettu höyry laajenee turbiinissa paineen alentuessa. Höyry luovuttaa energiaa, joka otetaan talteen turbiinin pyörimisliikkeenä 4. Lämmönpoisto, r lauhduttimella höyry tiivistyy nesteeksi ja luovuttaa tiivistymislämpönsä lämpöverkkoon 5. Generaattori Höyryprosessissa (Clasius-Rankine-prosessi) on suljettu prosessi. Työaineena on vesi. Avoin kaasuturbiiniprosessi Suljettu kaasuturbiiniprosessi ORC-prosessi (Organic Rankine Cycle) on toimintaperiaatteeltan sama kuin höyryprosessi. Työaineena on veden sijasta organinen yhdiste, esim. tolueeni. Pääasiallisena erona alhaisemmat lämpötilatasot johtuen työaineen ominaisuuksista. Avoin kaasuturbiiniprosessi, Brayton-prosessi, työaineena ilma ja palokaasut 1. Puristus, ilma puristetaan kompressorissa korkeaan paineeseen 2. Lämmöntuonti, polttoaine räjäytetään palamaan polttokammiossa 3. Kuuma ilman ja palokaasujen seos laajenee turbiinissa luovuttaen energiansa pyörimisliikkeeksi 4. Lämmönpoisto tapahtuu pakokaasujen lämmöntalteenoton avulla ja poistuu lopulta ulkoilmaan Suljettu kaasuturbiiniprosessi (HAT, Hot Air Turbine), työaineena ilma tai muu kaasu (CO2, N2). On kuin kaasuturbiiniprosessi, mutta työainetta ei vaihdeta, jolloin lämpö tuodaan prosessiin ja poistetaan prosessista lämmönsiirtimien kautta. Otto- ja Diesel prosessi, avoimia prosesseja 1. Puristus, ilma puristetaan sylinterissä korkeampaan paineeseen 2. Lämmöntuonti, Otto-prosessissa vakiotilavuudessa, Diesel-prosessissa vakiopaineessa. (teoriassa) 3. Paisunta, Ilman ja palokaasujen seos työntää männän alas joka pyörittää kampiakselia 4. Lämmönpoisto, pakokaasut poistuvat sylinteristä lämmönsiirtimelle, jossa otetaan hukkalämpöä talteen Aiheeseen liittyvää luettavaa: Perttula J. 2000. Energiatekniikka Helynen s. et al. 2004. Energian käytön ja tuotannon teknologiset näkymät. Teoksessa: Energia Suomessa. Tekniikka, talous ja ympäristövaikutukset Kaasuturbiiniprosessi (Brayton-prosessi) on joko avoin tai suljettu prosessi. Työaineena kaasu. Avoin Ottoprosessi Avoin Dieselprosessi Otto- ja Diesel-prosessit ovat avoimia mäntäkoneprosesseja Lähtökohtaisesti avoimet prosessit vaativat puhtaan kaasumaisen tai nestemäisen polttoaineen ja suljettuihin prosesseihin polttoaineeksi käyvät kaikki polttoaineet. Oheisessa taulukossa 1. on esitetty tässä käsiteltyjen kiertoprosessien soveltuvuutta pien-chp-sovelluksiin. Taulukko 1. Lämpövoimakoneiden kiertoprosessien ominaisuuksia ja soveltuvat polttoaineet. Prosessi Polttoaineteho Lämpö / Sähkö / Häviöt [%] Polttoainevalikoima Lämpötilat, tuonti / -poisto [ o C] Höyryprosessi > 1 MW 60 / 30 / 10 Kiinteät, nesteet ja kaasut 600 / 100 ORC-prosesshukkalämpö > 100 kw 80 / 10 / 10 Kiinteät, nesteet, kaasut, ja- 300 / 50 Kaasuturbiini, > 1 kw 55 / 35 / 10 Puhtaat/puhdistetut nes- 1200 / 500 avoin teet ja kaasut Kaasuturbiini, > 1 kw 65 / 25 / 10 Kiinteät, nesteet ja kaasut 700 / 200 suljettu Otto- ja Dieselprosessiteet > 1 kw 55 / 35 / 10 Puhtaat/puhdistetut nes- 1000 / 400 ja kaasut Taulukossa esitetyt arvot ovat viitteellisiä ja ovat suurelta osin riippuvaisia prosessin suunnittelusta! Avoimet prosessit vaativat puhtaamman polttoaineen ja tarvitsevat enemmän huoltoa. Avoimien prosessien sähköntuotannon hyötysuhteet ovat kuitenkin korkeammat, johtuen tehokkaammasta lämmönsiirrosta. Tällöin lämmöntuonti tapahtuu korkeammassa lämpötilassa ja lämmönpoisto vastaavasti alemmassa lämpötilassa kuin suljetuissa prosesseissa. Suljetut prosessit pystyvät sitä vastoin hyödyntämään laajempaa polttoainevalikoimaa, minkä takia Clasius-Rankine-prosessi on maailman eniten käytetty CHP- ja sähköntuotantoprosessi. Tämä prosessi on käytännössä käytössä kaikissa kiinteän polttoaineen CHP- ja lauhdevoimalaitoksissa. Pien-CHP-sovelluksiin se on liian kallis ja monimutkainen, joten erilaiset turbiini- ja mäntämoottoriprosessit ovat yleisemmin käytettyjä. Avoimet prosessit vaativat biomassan jalostuksen soveliaaseen muotoon. Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Lauri Sikanen Kehityspäällikkö Sari Pitkänen Projektipäällikkö Simo Paukkunen p. 050 381 2443 p. 050 363 4540 p. 050 913 1786 lauri.sikanen@uef.fi sari.k.pitkanen@uef.fi simo.paukkunen@karelia.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 32

3.3 Raaka-aineen laatu ja liiketoimintamallit Hakkeen laatu on erittäin tärkeä kysymys lämpölaitoksille, esimerkiksi Mekrijärven pien CHP laitoksen suurimpia haasteita on riittävän laadukkaan hankkeen saaminen laitokseen. Hakkeen laatukysymyksiä selvitettiin kolmannessa osahankkeessa ja tuloksista julkaistiin tuotantoraportti. Tähän osuuteen liittyy läheisesti myös selvitys, joka tehtiin hakkureiden tuottavuudesta. Selvityksessä vertailtiin erityyppisten hakkureiden tuottavuutta tuotettaessa palakooltaan pienempää tai suurempaa haketta. Toinen mielenkiintoinen seikka on selvittää puuhiilen mahdollisuudet suodattimena ja puuhiilen generoinnista aktiivihiileksi. Suodatuskokeita (turvekenttien valumavesien suodatus) varten kerättiin 50 kpl 500 ml näytteitä eri suodatettavista vesistä. Edelleen analysointia varten hankittiin reagenssisarjat ammoniumtypen, nitraattitypen ja liukoisen fosforin määritykseen. Karelia-ammattikorkeakoulun suodatinfotometria käytettiin tarvittaviin määrityksiin. Suodatukseen liittyen selvitettiin humuspitoisten vesien suotautumista hakepatjan läpi laboratoriokokeella. Näitä suodatuskokeita varten tehtiin esisuodatus kokeita (suodatusaineena Puuhiilipuupelletti, chp-jäännöshiili, puupelletti). Suodatuskokeiden toteuttamista hankittiin puuhiiltä Salon Hiili Oy:ltä ja aktiivihiiltä KW Filter Oy:lä. Osahankkeessa myös laadittiin raportti "Pyrolyysiöljyn käyttämisen tekniset näkökohdat pienissä, keskisuurissa ja suurissa kevyttä ja raskasta polttoöljyä käyttävissä öljykattiloissa", jossa mielenkiintoinen kysymys liittyi öljykattiloiden muuntamistarpeeseen pyrolyysiöljyn käyttöä varten. Liiketoimintamalli osiossa toteutettiin hajautettujen biojalostamoiden toimintamallien arviointi, selvitys pelletin hinnan muodostumiseen vaikuttavista tekijöistä sekä pelletintuotannon liiketoimintamalleja. Työhön liittyi myös selvitys torrefioidun raakaaineen pelletöinnistä, johon oli sisällytetty erikseen hankkeelle tehty osuus Ilomantsin 33

pellettitehtaan muuttamisesta torrefioitua pellettiä tuottavaksi. Torrefioidun pelletin todettiin olevan selkeä vaihtoehto pohjoiskarjalaisen metsäbiomassan jalostamiseksi. Pelletöidyn puuhiilen käyttö Terra Preta tyyppisesti maanparannuksessa oli osahankkeen etukäteen lupaavimpia kokeita. Aihepiiriä selvitettiin ensin laboratorioviljelykokeen avulla ja myöhemmin tehtiin maastokoe, jossa viljely alueelle kylvettiin syysruista ja maaperään laitettiin pelletin muodossa hiiltä 5 tonnia / ha. Pelletti toimi hyvin mutta hiilen oli huono jopa negatiivinen: tässä Terra Preta kokeilussa ei saatu näkyviin positiivisia vaikutuksia satoon hiilen käytöllä. Järvimalmia sisältävien sedimenttien käyttäytymisestä puupolttoaineen kanssa selvitettiin koepolttojen avulla. Joensuun Ahvenisella toteutettiin puuhakepohjasedimenttien polttokoe, toteuttajina BioInnoPatu Oy ja Karelia ammattikorkeakoulu. Polttokokeen pohjatuhkien ja järvisedimenttien näytteet analysoitiin Itä-Suomen yliopiston Joensuun kampuksella. Karelia ammattikorkeakoulu teki Konepaja M. Pappisen tiloissa uuden pellettipolttimen polttokokeita. Polttokokeita varten tilattiin laatuhaketta MJ-Forest Oy:ltä ja polttokokeiden aikana poltettiin myös järeä hankkeessa tuotettuja järviruokopellettejä. 34

Hajautetut biojalostamot Infokortti 23 Hakkeen kuivaus Puussa oleva vesi ilmenee joko vapaassa muodossa puun syiden kyllästymispistettä PSK korkeammissa kosteuspitoisuuksissa tai sidotussa muodossa alle PSK rajakosteuden. Vapaa vesi sijaitsee soluonteloissa ja voidaan poistaa helposti haihduttamalla aina PSK rajakosteuteen saakka, jolloin vapaata vetää ei puussa ole. Sidottu vesi on adsorboitunut soluonteloiden välisiin seinämiin ja sen poistaminen vaatii vapaata vettä enemmän energiaa. Lämpöenergian tarve poistettua vesikiloa kohden kasvaa mitä kuivempaa puuhake on. Puun syiden kyllästymispiste PSK riippuu lämpötilasta ja vähäisissä määrin puulajista. Yleisesti suomalaisille puulajeille käytetään lämpötiloissa 0-60 o C PSK:n kosteuspitoisuudelle arvoa XPSK 0,23 tai vastaavasti kosteussuhteelle arvoa UPSK 0,3. Kosteusprosentti: Kosteussuhde vai kosteuspitoisuus? (Alla kaavoissa ka = kuiva-aine) Puuhakkeen jatkojalostuksessa niin energiahyötykäytön kuin materiaalikäytönkin kannalta kosteudella on suuri vaikutus. Tuoreesta puusta valmistetun hakkeen kosteuspitoisuus vaihtelee välillä 40 55 % riippuen haketettavasta puulajista, puun osasta ja vuodenajasta. Ilman erillistä hakkeen kuivausta voidaan optimaalisissa olosuhteissa päästä alle 25 %:n kosteuspitoisuuksiin. Ohessa (taulukko 1.) on esitetty tyypillisiä vaatimuksia hakkeen kosteudelle eri hyödyntämiskohteissa. Taulukko 1. Raaka-aineen hyödyntämiseltä vaadittu kosteusprosentti Hyödyntämiskohde Kosteus - % Pelletöinti 8 12 Briketöinti 10 18 Puun kaasutus ja muu pyrolysointi 15 30 Lämmöntuotanto, Pth 50-300 kw 15 30 Lämmöntuotanto Pth 300-2000 kw 20 40 Lämmöntuotanto Pth > 2000 kw 30 55 Kosteuspitoisuuden ohella haketettu puulaji, puun osa sekä hakkeen palakokojakauma vaikuttavat merkittävästi hakkeen hyötykäyttöön ja soveltuvuuteen eri hyödyntämiskohteissa. Hakkeen tehollinen lämpöarvo kosteuden funktiona on kuvattu oheisessa kuvassa 1. 6 5 m vesi Kosteussuhde U (Dry-basis (d-%)): m ka,puu m vesi Kosteuspitoisuus X (Wet-basis (w-%)): m ka,puu +m vesi kwh/kg 4 3 2 1 X = U U+1 tai U = X 1 X Energiasektorilla käytetään kosteuspitoisuutta (wet-basis [w-%]), mutta tämä tulee selvittää mikäli tätä ei ole erikseen mainittu. 0-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 99 Kosteusprosentti (w-%) Kuva 1. Hakkeen tehollinen lämpöarvo saapumistilassa [kwh/t] kosteusprosentin funktiona (w-%) 35

Veden ominaislämpökapasiteetti on 4,19 kj/kgk, eli yhden vesikilon lämmittäminen 1 o C vaatii energiaa 4,19 kj (1,16 Wh). Veden ominaishöyrystymislämpö on 2260 kj/kgvesi (0,63 kwh/kgvesi). Tämä määrä energiaa kuluu muutettaessa yksi kilo 100 o C asteista nestettä höyryksi. Keskimäärin yhden vesikilon poistaminen kuluttaa lämpöenergiaa 0,68 kwh/kgvesi. 25 o C vertailulämpötilassa. Hakkeen kuivaus perustuu tyypillisesti konvektioon. Konvektiossa hakkeen sisältämä kosteus siirtyy vesihöyryn osapaineeltaan alhaisempaan ympäröivään kaasuun, tyypillisesti ilmaan. Muita kuivauksessa käytettyjä kuivausmekanismeja on muun muassa puristus ja konduktio. Kuivausilman kykyä sitoa kosteutta hakkeesta voidaan arvioida kostean ilman Mollier-piirroksen avulla. Höyrystyessään vesi sitoo lämpöä, joka saadaan kuivausilmasta. Esim: Kuivausilman lämpötila on 20 o C, suhteellinen kosteus rh on 60 % vesisisältö 8,5 gvesi/kgilma. Kuivausilman rh nousee 100 %:iin, jolloin se sitoo hakkeesta 2 gvesi/kgilma. Samalla kuivausilman lämpötila laskee 15 o C:een sen luovuttaessa lämpöenergiaa veden haihdutukseen hakkeesta. Mitä kuivempaa ja lämpimämpää kuivaukseen käytettävä ilma on, sitä enemmän sillä on kykyä sitoa itseensä kosteutta hakkeesta. Aiheeseen liittyvää luettavaa: Härkönen, M. 2012. Puun polttoainekäyttö pienissä lämpölaitoksissa. Jahkonen, M., Lindblad, J., Sirkiä, J. & Laurén A. 2012. Energiapuun kosteuden ennustaminen. Hukka, A. 1996. Puun kuivumisen matemaattinen mallintaminen korkeissa lämpötiloissa. Kares, M. ja Linna V. 1983. Polttohakkeen puhallinkuivatus pientaloissa ja maatiloilla. Hakkeen keinokuivauksen nettoenergiantarvetta poistettua vesikiloa kohden kussakin kosteusprosentissa voidaan arvioida oheisen sovitteen avulla (kuva 2.). Käyrässä on huomioitu lisäenergiantarve keinokuivatettaessa haketta alle PSK:n (XPSK = 23 %). Lähestyttäessä absoluuttisen kuivaa haketta (X 0 %), on keinokuivauksen ominaisenergiantarve noin kolme kertaa suurempi kuin vapaan veden alueella; 2,0 kwh/kgvesi (X 0 %) vrt. 0,68 kwh/kgvesi X > 23 %. kwh/kg VESI 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Kosteusprosentti (w-%) Kuva 2. Kuivauksen ominaislämpöenergiankulutus poistettua vesikiloa kohden eri kosteusprosenteilla Hakkeen keinokuivaus vastaa normaalia kiinteän aineen kuivausta fysikaalisilta perusteiltaan. Haketta voidaan kuivata niin puristukseen, konduktioon, konvektioon, säteilyyn kuin sähkömagneettisiin ilmiöihin pohjautuvien menetelmien avulla. Käytännössä kaikki hakkeen kuivauksen menetelmät perustuvat haihtumiseen ja konvektioon, jossa hakkeen kosteus siirtyy vesihöyryn osapaineeltaan pienempään ympäröivään kaasuun, tyypillisesti ilmaan. Poltettaessa kosteaa haketta, voidaan veden olettaa höyrystyvän 100 %:n hyötysuhteella, kunnes kaikki vesi on poistunut hakkeesta. Hakkeen keinokuivauksessa palotilan ulkopuolella kuivauksen hyötysuhde on tyypillisesti 50 80 %. Hakkeen keinokuivauksen taloudellisuus riippuu täysin kuivaukseen käytettävän energian hinnasta, kuivasta hakkeesta saatavasta myyntitulosta ja erityisesti palopään ja kattilan parantuneesta hyötysuhteesta sekä alhaisemmista ylläpitokustannuksista. Taloudellisinta hakkeen keinokuivaus on silloin kun kuivauksen energianlähteenä voidaan käyttää hukkalämpöä tai muuta ns. ilmaisenergiaa. Nettoenergiataseeltaan hakkeen keinokuivaus yhdistettynä polttoon ilman ilmaisenergioita on aina heikompi tai teoriassa yhtä suuri kuin kostean hakkeen suora poltto. Oheisessa taulukossa 2. On esitetty energiatasevertailu keinokuivauksen ja suoran polton välillä. Taulukko 2. Hakkeen keinokuivauksen energiatase Kuivauksessa ilmaisenergiaa / hukkalämpöä 0 % Kuivauksessa ilmaisenergiaa / hukkalämpöä 70 % Nettoenergia, suora poltto (η = 85 %) 1826 kwh 1826 kwh Kuivuri A, kuivauksen hyötysuhde 80 % (50 w-% 18 w-%) Nettoenergia, kuivaus + poltto (η = 85 %) 1777 kwh 1948 kwh Kuivauksen ei-ilmaisenergiankulutus 286 kwh 86 kwh Kuivauksen ilmaisenergiankäyttö 0 kwh 200 kwh Kokonaishyötysuhde vs. suora poltto 97,3 % 106,7 % Kuivuri B, kuivauksen hyötysuhde 50 % (50 w-% 18 w-%) Nettoenergia, kuivaus + poltto (η = 85 %) 1632 kwh 1904 kwh Kuivauksen ei-ilmaisenergiankulutus 458 kwh 137 kwh Kuivauksen ilmaisenergiankäyttö 0 kwh 321 kwh Kokonaishyötysuhde vs. suora poltto 89,3 % 104,3 % Laskelman lähtöarvot: 1 t puuhaketta, lähtökosteus 50 w-%, kuivaus 18 w-%:iin. Kuiva-aineen energiasisältö 5,33 kwh/kg. Kattilan hyötysuhde on vakio (η = 85 %) ja sen muutoksia eri laatuisilla polttoaineilla ei ole huomioitu. Hakkeen keinokuivaus ei ole energiataseen kannalta järkevää toimintaa, mikäli kuivauksessa käytetään kattilalla tuotettua lämpöenergiaa (kuivattu hake polttoaineena). Sitä vastoin hukkalämpöä hyödynnettäessä energiataseesta saadaan positiivinen, kun oletetaan, että hukkalämpöä muodostuu riippumatta siitä onko prosessiin kytketty keinokuivausta vai ei ja hukkalämmölle ei ole vaihtoehtoista käyttökohdetta. Kun huomioon otetaan mahdollinen palotapahtuman parantunut hyötysuhde kuivemmalla hakkeella, kasvaa energiatehokkuus entisestään. Hakkeen kuivauksen mielekkyyden arviointi on monisyinen kokonaisuus, jossa prosessia tulee tarkastella laaja-alaisesti niin teknisestä kuin taloudellisestakin näkökulmasta. Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Lauri Sikanen Kehityspäällikkö Sari Pitkänen Projektipäällikkö Simo Paukkunen p. 050 381 2443 p. 050 363 4540 p. 050 913 1786 lauri.sikanen@uef.fi sari.k.pitkanen@uef.fi simo.paukkunen@karelia.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 36

Hajautetut biojalostamot Infokortti 5 Kolmen sideaineen vaikutus pelletin tuotannossa Suomessa on lisääntyvässä määrin kiinnostusta hajautettuun pelletintuotantoon suurten yksiköiden rinnalla. Pelletti kustannustehokas tapa siirtää biomassaa harvaanasutuilta biomassan kasvualueilta tiheään asutetuille pääkäyttöalueille. Tämä vaatii hajautetussakin tuotannossa riittävien laatukriteerien saavuttamista kohtuullisilla kustannuksilla. Kuva 1: Fig 12. julkaisusta "Additives in wood pellet production - A pilot-scale study of binding agent usage 1 Kuva 2: Fig 8. julkaisusta "Additives in wood pellet production - A pilot-scale study of binding agent usage 1 Laitteistomuutosten rinnalla tehokas tapa kontrolloida vaihteluita raaka-aineessa on lisätä lisäaineita jotka jo pieninä pitoisuuksina parantavat pelletin laatua merkittävästi. Tässä testissä malliraakaaineena käytettiin ikäännytettyä mäntysahanpurua ja kutterinlastua. Kaikilla testatuilla lisäaineilla (tärkkelys, lignosulfonaatti ja perunankuorimäski) saavutettiin merkittävä parannus pelletin käyttöominaisuuksissa mitattuna mekaanisena- (kuva 1) ja varastointikestävyytenä (Kuva 2). Lisäainetutkimus on tärkeä osa pellettitutkimusta. Tarkoituksena on löytää uusia, edullisia lisäaineita, joilla voi vaikuttaa pellettien tekniseen laatuun, valmistuskustannuksiin sekä polttoominaisuuksiin ja päästöihin. 37

Pelletöinnin lisäainekokeet on tehty kolmella lisäaineella, perunajauholla, perunakuorimäskillä ja lignosulfonaatilla. Vertailulisäaineena oli perunajauho, jota käytetään yleisesti pelletin lisäaineena. Perunajauho on perunan puhdistettuja tärkkelysjyväsiä ja se on noin 100% tärkkelystä. Perunajauhon lisäksi testattiin perunakuorimoista muodostuvaa kuorisivuvirtaa, perunakuorimäskiä Perunakuorimäskissä on noin 50-60% tärkkelystä ja runsaasti perunan kuorikerroksessa olevia ravinteita, erityisesti kaliumia ja hieman perunan ulkopuolisia epäpuhtauksia (maa-ainesta). Lignosulfonaatti on sulfiittisellun valmistuksessa muodostuvaa ligniinijohdannaista jossa on jonkin verran rikkiä. Hajautetut biojalostamot hankkeessa selvitetään erilaisia hajautetun bioenergian ja muiden biomassalle lisäarvoa tuottavien hajautettuja prosesseja, tehdään testejä ja pyritään toteuttamaan lopuksi koekäyttöjä pienillä tuotantolaitteistolla yhteistyökumppaneiden kanssa. LÄHDE: 1 Kuokkanen, M.; Vilppo, T.; Kuokkanen, T.; Stoor, T.; Niinimäki, J., Additives in wood pellet production - A pilot-scale study of binding agent usage. Bioresources 2011, 6 (4), 4331-4355. http://www.ncsu.edu/bioresources/bio Res_06/BioRes_06_4_4331_Kuokkanen _VKSN_Chem_Tech_Binding_Agent_Wo od_pellet_1782.pdf Yhteyshenkilö hankkeessa: Teemu Vilppo p. 050 407 0193 etunimi.sukunimi@uef.fi Taulukko 1 Table 6 julkaisusta"additives in wood pellet produciton - A pilot-scale study of binding agent usage 1 Tärkkelys Vertailulisäaineena käytetyllä perunatärkkelyksellä ei ole merkittävää vaikutusta pelletin epäorgaaniseen koostumukseen. Tähän verrattuna sekä lignosulfonaatilla että perunakuorimon sivuvirralla on tiettyjä rajoitteita. Lignosulfonaatti Lignosulfonaatti lisää havaittavissa määrin rikin määrää pelleteissä, josta aiheutuu eurooppalaisessa standardisaatiossa sekä velvoite määrittää ja ilmoittaa rikin määrä pelletissä, että tekninen rajoite käytetyn lignosulfonaatin määräksi alle 1%. Rikki lisä ei kuitenkaan välttämättä ole pelkästään haitallinen. Vaikka se todennäköisesti aiheuttaa kohonneita SO x päästöjä voi rikki jäädessään tuhkaan merkittävästi nostaa tuhkan sulamispistettä ja pidättää alkaleja tuhkaan vähentäen korroosion riskiä. Lignosulfonaattia on saatavana kaupallisesti, joten sen kustannus riippuu maailmanmarkkinatilanteesta ja sulfiittisellun tuotannosta. Perunakuorimäski Perunakuorimon sivuvirran käyttöä rajoittaa standardisaatiossa tuhkan määrä. Lisäksi on mahdollista, että perunakuorimon sivuvirran sisältämä runsas kalium aiheuttaa pelletin polttamisessa kasvavan mahdollisuuden että tuhka laavaantuu ja laitoskäytössä lisääntyneen korroosion riskin. Toisaalta perunakuorimon sivuvirran käyttö lisää tuhkan kalium (K) ja fosfori (P) ravinnepitoisuuksia. Perunakuorimon sivuvirta on käytännössä jalostusasteeltaan alhaisempaa tärkkelystä ja sitä muodostuu merkittäviä määriä elintarviketeollisuudessa. 38

Raaka-aine Laitteisto Toimintamalli Myyntihinta Tuotantokustannukset Puupelletin raaka-aine eli kuiva hienonnettu puru painaa n. 120 kg /irtokuutio. Valmiin pelletin ominaispaino on 600 700 kg irtokuutio. Pelletin myyntiyksikkönä käytetään kilogrammaa ja 1 tonni pellettiä sisältää 4, 75 MWh energiaa. 8 mm paksuiselle pelletille sopiva raakaaineen palakoko hienonnuksen jälkeen on 2-4 mm. Puupelletin valmistuksessa on mahdollista käyttää lisäaineita pelletin laadun parantamiseksi. Yleisesti käytetty lisäaine on tärkkelys, esimerkiksi perunatärkkelys. Pellettipuristimien hinnat alkavat n. 8000 ylöspäin. Pienen kokoluokan pellettipuristinlinjasto maksaa n. 50000 ja siitä ylöspäin. Pelletöinti tarkoittaa purumaisen raaka-aineen puristamista kiinteämpään muotoon. Pienen pelletöintiyksikön raaka-aineeksi parhaiten sopii kuiva (8-12 % kuivapainosta mitattuna) sahanpuru tai höylänlastu. Raaka-aine on hienonnettava vasamyllyllä tai muulla vastaavalla laiteella sopivaan palakokoon, jonka jälkeen pellettipuristin puristaa raaka-aineen kovaksi kiiltäväpintaisiksi pelleteiksi. Valmiit pelletit on jäähdytettävä ja seulottava ennen varastointia. Valmiit pelletit voidaan myydä asiakkaille pienissä (16-20 kg) säkeissä, suursäkeissä. (500 800 kg) tai irtotavarana. Pellettipuristin toimii yleensä sähkömoottorilla (5 50 kw) tai ulkopuolisella voimanlähteellä (esim. traktori). Pellettipuristin on vaaka- tai rengasmatriisilaite, jossa kolleripyörät puristavat raaka-aineen matriisissa olevien puristuskanavien läpi. Prosessissa muodostuva lämpöenergia sulattaa puun ligniinin, joka toimii pelletin luontaisena liima-aineena. Pelletin muodostumiseen vaikuttavat myös raaka-aineen partikkeleiden väliset sidosvoimat. Suomessa on saatavilla kotimaisia, eurooppalaisia ja aasialaisia pienen kokoluokan pellettipuristimia. Pienet pellettipuristimetkin voidaan liittää automaattiseen valmistuslinjaan, jolloin valmistuslinja ei tarvitse henkilötyövoimaa. 5 kw sähkömoottorilla varustettu pellettipuristin pystyy valmistamaan käytännössä 35 50 kg puupellettejä tunnissa. Puupelletin valmistaminen kuivasta raaka-aineesta kuluttaa noin 150 200 kwh sähköä. 39

Raaka-aine Hienonnus Pelletöinti Seulonta ja jäähdytys Varastonti Aiheeseen liittyvää luettavaa: The Pellet Handbook. The production and thermal utilisation of biomass pellets. Ingwald Obernberger and Gerold Thek. 2010. Critical review on the pelletizing technology. Markku Kallio. 2011 Energy pellets in the future markets and raw materials. Simo Paukkunen, Lauri Sikanen, Lasse Okkonen, Teemu Vilppo and Heikki Lamberg. Biomassan pelletöinti, kirjallisuuskatsaus, Jarno Hyrkäs, 2010. www.pellettienergia.fi Raaka-aine sivutuotteena Pelletin valmistaminen pienessä tuotantolaitoksessa sopii yritykselle, jonka päätuotannosta saadaan sivutuotteena kuivaa puupohjista raaka-ainetta. Yritys voi jalostaa sivutuotteen korkealaatuiseksi polttoaineeksi, joka voidaan käyttää yrityksen omaan energiantuotantoon. Yritys voi myydä pelletit myös paikallisille asiakkaille. Pienen kokoluokan pellettivalmistuslaitoksen on haastavaa kilpailla lopputuotteen hinnassa suurempien valmistajien kanssa, mutta hyvä pelletin laatu voi olla ratkaiseva kilpailuvaltti. Pelletin laatuvaatimukset Kotitalouksille tarkoitettu pelletti tulisi olla standardin SFS 15210-1:2009 vaatimusten mukaista, koska epäpuhtaudet ja hienoaines aiheuttavat pieniin polttolaitteisiin käyttöhäiriöitä. Teknisesti suuremmat lämpökattilat kohteet (esimerkiksi lämpölaitokset) voivat käyttää polttoaineenaan pellettiä, joka on tehty esim. kokonaisesta ensiharvennuspuusta oksineen tai vaikka oljesta, mutta lämpölaitoskokoluokassa pelletti kilpailee Suomessa hinnaltaan puuhakkeen ja turpeen kanssa. Pelletöinnin onnistumiseen vaikuttaa monta erilaista tekijää. Käytettävien laitteistojen tekniikka ei vaikuta monimutkaiselta, mutta aivan yksinkertaista pelletöinti ei ole. Yksittäisistä tekijöistä ratkaisevan tärkeänä voidaan pitää raaka-aineen laatutekijöitä ja raaka-aineen hintaa. Puupohjaisen raaka-aineen tulee olla kuivaa optimikosteuden ollessa 8-12 % kuivapainosta mitattuna. Yleistäen vain ns. puusepänkuivan puun työstämisestä tuleva sivutuote on kosteudeltaan sopivaa puupellettien raaka-aineeksi ja kosteampi raakaaine tuleekin kuivata. Kuivaaminen vaatii omat erikoislaitteensa, joiden hankkiminen voi moninkertaistaa kertaistaa muun pellettivalmistuslaitteiston investointikustannukset. Kuivaaminen kuluttaa myös paljon energiaa: Kaatotuoreen puun (kosteus 55 %) kuivaaminen 10 % kosteuteen vie noin 1 MWh energiaa, kun lopputuloksena on 1 tonni pelletin raaka-ainetta. Kotitalouksissa käytettävän pellettien raaka-aineessa ei saisi olla hiekkaa eikä muitakaan epäpuhtauksia. Kuoripäällisen puun käyttö puupelletin raaka-aineena on usean tutkimuksen kohteena, mutta pienen kokoluokan pelletinvalmistuksessa raaka-aineen tulisi olla ilman kuorta. Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Lauri Sikanen Kehityspäällikkö Sari Pitkänen Projektipäällikkö Simo Paukkunen p. 050 381 2443 p. 050 363 4540 p. 050 913 1786 lauri.sikanen@uef.fi sari.k.pitkanen@uef.fi simo.paukkunen@pkamk.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 40

Raaka-aine Laitteisto Toimintamalli Myyntihinta Pellettitehtaan tuotanto voi olla muutakin kuin puupellettiä. Suurten nykyaikaisten pellettitehtaiden rakenne voi olla esimerkiksi sellainen, että tehtaan lopputuotteena valmistuu puupellettejä, lämpöä (tarvitaan pelletin kuivaamiseen ja myytäväksi tarkoitettuun kaukolämpöön) ja sähköä. Laitoksen lämpö ja sähkö voidaan tuottaa paikallisella polttoaineella (esim. metsähake ja turve) toimivalla kiinteän polttoaineen leijupetikattilalla. Otsikon alla oleva kaaviokuva on tällaisesta pellettitehtaasta Haapavedeltä. Pienen kokoluokan pellettitehtaan kannattaa keskittyä pelletin tekemiseen kuivasta raaka-aineesta. Pellettituotannon liiketoimintamallia voidaan kuvata malliksi, jolla sekä organisoidaan toimintaa että jaetaan vastuuta ja omistussuhteita osallistuvien liikekumppaneiden (rahoittajat, omistajat jälleenmyyjät, ostajat, alihankkijat, raaka-aineen tuottajat) kesken. Pelletintuotannossa voidaan erottaa kolme liiketoiminta mallia, joissa erottavana tekijänä on pelletien myynnin organisointi: Itsenäinen yritys, joka valmistaa pelletit ja huolehtii itse omien pellettiensä markkinoinnin ja myynnin Itsenäinen yritys, joka valmistaa pelletit alihankintasopimuksen perusteella suuremmalle yritykselle, joka huolehtii markkinoinnista ja myynnistä Suuryritys, jolla on useita tehtaita, alihankkijoita ja kattava pellettien markkinointi-, myynti- ja jakeluverkosto Riskien hallinnalla on merkittävä vaikutus yritystoimintaan ja investointeihin. Pellettituotannon liiketoiminnan käytännön toteutukseen vaikuttaa merkittävästi tuotannon raaka-aineen saatavuus ja hankinta. Yritys voi saada raaka-aineen oman päätuotannon sivutuotteena (esim. höyläämöt ja sahat), jolloin tuotanto on raaka-aineen hallinnasta lähtien yrityksen omaa toimintaa ja siten koko tuotantoketju on yrityksen hallittavissa. Tällainen liiketoimintamalli sopii pieniin ja keskisuuriin pelletintuotantolaitoksiin. Suuremmissa yksittäisissä pellettitehtaissa ja usean pellettitehtaan 41

Suomessa pellettejä valmistetaan pääsiassa polttoaineeksi, jolloin raaka-aine on puuta. Uusia liiketoimintamahdollisuuksia voi tulla uusien raaka-aineiden käytön myötä, esimerkiksi viljan oljista valmistettujen pellettien käyttö kuivikkeena ja kissanhiekan asemesta. Tämän pienen kokoluokan pellettitehtaan tuotantomäärä on n. 1000 tonnia puupellettiä vuodessa. Tämän pellettipuristimen teho on n. 250 kg tunnissa, joka voisi soveltua osaaikaiseen pelletin tuotantoon. Aiheeseen liittyvää luettavaa: Flyktman, Martti. 2001. Pellettien kuivauskustannukset eri laitoskytkennöillä. VTT. Kallio, Markku ja Kallio, Esa. 2004. Puumateriaalien pelletöinti. VTT. Wolf, Anna, Vindlund, Anna ja Andersson, Eva. 2006. Energy-efficient pellet production in the forest industry a study of obstacles and success factors. Biomass & Bioenergy. Suuryrityksen vahvuuksia ovat mm. tuotantolaitoksien koko, vahva kokemus pelletin tekemisestä ja kyky ottaa suuria riskejä. Yleensä asiakas luottaa suuren yrityksen kykyyn tuottaa pellettiä eli pelletin saaminen tulevaisuudessakin on varmaa. Pienen yrityksen yhteistyö suuren yrityksen kanssa luo turvallisuutta tuotteen menekin kannalta, mutta toisaalta suuri yritys ottaa oman osansa taloudellisesta tuotosta. Suuryritys voi ostaa pelletin raaka-aineen maakunnan ulkopuoleltakin, joten aluetaloudelliset vaikutukset voivat pienentyä. Pelletin valmistus osa-aikaisena liiketoimintana: Pienen kokoluokan pelletinvalmistuslinja Tuotantoteho 150 500 kg/h, Investointi n. 30000 100000 Raaka-aine tulisi olla oman tuotannon sivutuote tai hankittu mahdollisimman läheltä ja raaka-aineen tulisi olla kuivaa ja mahdollisimman tasalaatuista Tällaisen yrityksen tulisi miettiä oman työn arvon osuutta pelletinvalmistuksessa. Pelletin tuotannon tulisi olla yrityksen päätuotantoa tukevaa toimintaa, ei päätuotantoa Valmistetut pelletit käytettäisiin osittain itse oman päätuotantotilojen lämmitykseen ja tuotantoprosesseihin Osa tuotannosta voitaisiin myydä paikallisille kuluttajille ilman välittäjäorganisaatioita Pelletin tuotanto pienessä pellettitehtaassa: Pelletin tuotanto olisi yrityksen päätuotantoa Raaka-aineen tulisi olla kuivaa ja peräisin mahdollisimman läheltä Tuotantolinjan teho n. 700 kg 2000 kg/h, Työtä n. 1-2 työntekijälle koko vuodeksi Pelletit tulisi markkinoida paikallisille markkinoille Markkinointi ja kuljettaminen tulisi järjestää mahdollisimman pienellä kulurakenteella, esim. pelletit myytäisiin ostajille tehtaalla ja ostaja huolehtisivat kuljetuksen järjestämisestä Pelletin valmistaminen isona liiketoimintana Tuotantoteho pitäisi olla >2500 kg/tunnissa Kansainvälisesti pääperiaatteena pidetään, että pelletin tuotanto voi olla taloudellisesti tuottavaa kun tuotantoteho on enemmän kuin 4000 kg/tunnissa Raaka-aine hankitaan useasta lähteestä Raaka-aine yleensä sekä kuivaa että kosteaa ja raaka-aine koostuu useasta eri puulajista Kansallinen ja kansainvälinen jälleenmyyntiketju ja toimitusjärjestelmä Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Lauri Sikanen Kehityspäällikkö Sari Pitkänen Projektipäällikkö Simo Paukkunen p. 050 381 2443 p. 050 363 4540 p. 050 913 1786 lauri.sikanen@uef.fi sari.k.pitkanen@uef.fi simo.paukkunen@pkamk.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 42

Yllä oleva ympyrädiagrammi kuvaa pelletin hinnan muodostumista tapauksessa, jossa raaka-aineena käytetään kosteaa sahanpurua. Tuotantolaitoksen investointi oli 2 000 000 ja laitos tuottaa pellettiä viidessä vuorossa (kolme työvuoroa vuorokaudessa, kaksi vuoroa palkallisella vapaalla, kaksi työntekijää miestä per vuoro). Pelletin pörssihinnan kehittyminen Polttoaineiden hinnan kehittyminen Suomessa Kaikissa tämän infokortin esimerkeissä raaka-aineen kuivaus tapahtuu kuivurilla, jossa polttoaineena käytetään puuhaketta. Laitoksen laskennallinen tuotantokapasiteetti on 22,5 tuhatta tonnia puupellettiä, joka on noin neljä kertaa se määrä puupellettiä, mikä kulutetaan Itä-Suomessa yhden vuoden aikana. Näin ollen tuotantoa suunnitellessa tulisi ottaa huomioon lopputuotteen kulutusmarkkinoiden tilanne ja tulevaisuuden kehitys. Kilpailevien polttoaineiden ja energialähteiden hinnat vaikuttavat erittäin merkittävästi puupellettimarkkinoiden kehittymiseen. Seuraavat laskelmaesimerkit on tehty tiettyjen oletusten vallitessa, eikä esimerkkilaskelmia pidä ottaa sellaisenaan ohjeeksi käytännön toimenpiteiden suunnitteluun. Perusoletuksena on, että laitoksen tuottama puupelletti olisi hinnaltaan kilpailukykyinen markkinoilta saatavaan kotimaiseen pellettiin verrattuna. Muutokset raaka-aineen hintaan ja tuotantohenkilökunnan määrään vaikuttavat ratkaisevasti laskelmien lopputulokseen ja raaka-aineen hinta ja tuotannon rakenne voivat tapauskohtaisesti olla hyvinkin erilaisia. 43

Esimerkkilaskelma laitoksesta, joka käyttää raaka-aineena kosteaa sahanpurua. Harvennuspuun hakkuu Ilomantsissa Esimerkkilaskelma laitoksesta, joka käyttää raaka-aineena kuorellista mäntyä, kantohinta 11,5 kiintokuutiometri. Harvennuspuun haketus Joensuussa. Esimerkkilaskelma laitoksesta, joka käyttää raaka-aineena kuorittu mänty, kantohinta 11,5 kiintokuutiometri. Haketta kamarikuivurissa Utrassa. Aiheeseen liittyvää luettavaa: Flyktman, Martti. 2004. Polttoaineen kuivauksen kannattavuus laitoksilla. Thek, Gerold ja Obernberger, Ingwald. 2004. Wood pellet production costs under Austrian and in comparison to Swedish framework conditions. Biomass & Bioenergy. Esimerkkilaskelma laitoksesta, joka käyttää raaka-aineena kuorittu mänty, kantohinta 4 kiintokuutiometri. Zakrisson, Mårten. 2002. Internationell jämförelse av productionskosnader vid pelletstillverkning. SLU. Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Lauri Sikanen p. 050 381 2443 lauri.sikanen@uef.fi Kehityspäällikkö Sari Pitkänen p. 050 363 4540 sari.k.pitkanen@uef.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 44 Projektipäällikkö Simo Paukkunen p. 050 913 1786 simo.paukkunen@pkamk.fi

Hajautetut biojalostamot Infokortti 13 Pellettien pituusseulonta Koeaineisto 2 % tärkkelyksellä lisäaineistetut pelletin seulontakokeessa. Pellettejä otettiin noin 400g ja koko aineisto seulottiin ja mitattiin [1]. Laskenta b = pelletin paksuus c = seula-aukon pituus b = putken sisämitan ja pelletin paksuuden erotus a= Neliöjuuri(c 2 -b 2 ) pelletin seula-aukossa oleva pituus = pelletin kallistuskulma seula-aukossa Sin( ) = b / c = b / c c = b / sin( ) = pelletin putken sisällä oleva pituus l = a+c = Neliöjuuri(c 2 -b 2 ) + (b / sin( )) = Neliöjuuri(c 2 -b 2 ) + (b / ( b / c )) = seula-aukosta putoavan pelletin kokonaispituus Pelletin pituuden merkitys Pelletin pituudella on merkittäviä vaikutuksia sekä sen käytettävyyteen että kuljetukseen. Standardi SFS-EN 14961-2 määrittelee pelletille pituuden ylä- ja alarajat (3,15 mm 40 mm/ <2 % 45 mm). On kuitenkin olennaista, onko pääosa pelleteistä 10 mm vai 30 mm pitkiä, vaikka kumpikin täyttää standardin laatuvaatimukset pituuden osalta. Biomassan poltossa palamistapahtumaan merkittävästi vaikuttaa polttoaineen palakoko [2-6]. Koska pelletti on periaatteessa sylinterin muotoinen kappale, pelletin palakokoon vaikuttavat parametrit ovat pelletin halkaisija ja pelletin pituus [3]. Pelletin pituudella on myös yhteys pelletin irtotiheyteen [7], jolla on merkitystä pelletin kuljetuksen kannalta [8]. Samoin pelletin päiden lukumäärä, mitä lyhyempiä pellettejä, sen useampia murtopintoja on suhteessa massayksikköön, mikä edesauttaa pelletin polttolaitteita haittaavan pölyn muodostumista. 10 12 15 18 21 25 30 35 40 45 50 Total n 128 52 77 23 14 12 8 3 3 0 0 320 Mediaani 11,7 18,8 24,3 30,2 35,5 39,6 46,2 53,2 64,2 19,1 Ka 11,6 18,8 24,1 30,0 34,8 40,4 46,6 53,6 65,7 21,0 SD 3,73 2,49 2,51 2,07 3,40 3,99 5,87 1,58 2,66 11,06 CV% 32,1 % 13,3 % 10,4 % 6,9 % 9,8 % 9,9 % 12,6 % 3,0 % 4,0 % 52,8 % Min 4 7,2 18,2 25,5 28,4 35,9 37 52,2 64,2 4 Max 19,4 22,8 30,5 34 40,5 47,7 57,8 55,3 68,8 68,8 Massa (g) 80 58 112 44 32 32 24 12 12 0 0 406 45

kaasutus, raaka-aineena. Tavoitteena on tehdä useita keskimitaltaan erimittaisia pelletti jakeita ja tutkia niiden käyttäytymistä eri käyttömuodoissa. Alustava testi on tehty ensin yksiputkisella seulalla ja käsisyötöllä, mutta jatkossa tavoitteena on seuloa testaukseen käyttökelpoisia määriä pellettejä. Seulontapituuden laskenta Hajautetut biojalostamot hankkeessa selvitetään eripituisten pellettijakeiden Oletuksina laskennassa on että pelletti on tasapäinen ja sylinterimäinen koko aineisto seulottiin kappale, ja mitä mitattiin. se toimivuutta termisien prosessien, kuten Pellettejä otettiin noin 400g kokeeseen pääsääntöisesti ei tarkalleen ottaen ole, joten seulan mitoitus on suuntaa-antava ja todelliset toimintaparametrit käyvät ilmi vasta käytännön kokeissa. Tavanomaisia tasapäisestä sylinteristä poikkeavia muotoja ovat päiden kuperuus ja koveruus nokka kuperassa tai pyrstö koverassa päässä viisto katkopinta koko pelletin kaarevuus Pelletin pituuden mittaaminen LÄHTEET: 1.Kuokkanen, M.; Vilppo, T.; Kuokkanen, T.; Stoor, T.; Niinimäki, J., Additives in wood pellet production - A pilot-scale study of binding agent usage. Bioresources 2011, 6 (4), 4331-4355. 2.Ryu, C.; Yang, Y. B.; Khor, A.; Yates, N. E.; Sharifi, V. N.; Swithenbank, J., Effect of fuel properties on biomass combustion: Part I. Experiments--fuel type, equivalence ratio and particle size. Fuel 2006, 85 (7-8), 1039-1046. 3.Sikanen, L.; Vilppo, T., Small Scale Pilot Combustion Experiments with Wood Pellets The Effect of Pellet Length. The Open Renewable Energy Journal 2012, 5, 1-6. 4.Thunman, H.; Leckner, B., Influence of size and density of fuel on combustion in a packed bed. Proceedings of the Combustion Institute 2005, 30 (2), 2939-2946. 5.Yang, Y. B.; Ryu, C.; Khor, A.; Yates, N. E.; Sharifi, V. N.; Swithenbank, J., Effect of fuel properties on biomass combustion. Part II. Modelling approach-- identification of the controlling factors. Fuel 2005, 84 (16), 2116-2130. 6.Yang, Y. B.; Sharifi, V. N.; Swithenbank, J., Numerical Simulation of the Burning Characteristics of Thermally-Thick Biomass Fuels in Packed-Beds. Process Saf. Environ. Prot. 2005, 83 (6), 549-558. 7.Jalasaho, J. Pituuden vaikutus puupelletin irtotiheyteen (Effect of pellet length on bulk density). University of Eastern Finland, Joensuu, 2011. 8.Selkimäki, M.; Mola-Yudego, B.; Röser, D.; Prinz, R.; Sikanen, L., Present and future trends in pellet markets, raw materials, and supply logistics in Sweden and Finland. Renew. Sustain. Energy Rev. 2010, 14 (9), 3068-3075. Yhteyshenkilö hankkeessa: Tutkija Teemu Vilppo p. 050 407 0193 etunimi.sukunimi@uef.fi Pelletin pituus on yksinkertaisinta, mutta varsin työlästä, mitata työntömitalla. Pelkän mittaamisen lisäksi on mittaustuloksesta tiedettävä myös mitä ja miten se on mitattu. Pelletistä voidaan mitata maksimi-, keski- ja/tai minimipituus. Maksimipituus on teknisesti helpoin ja siten luotettavin mittaus, kun työntömitan leuat asetetaan pelletin äärimittojen kohdalle. Minimipituudessa haastetta asettaa pelletin toinen, tyypillisesti kovera, pää, jonka kuopan pohjan mittaaminen tavanomaisella työntömitalla ei ole mahdollista. Keskipituus on kuvaavin, mutta päiden keskimääräisen kohdan määrittäminen silmämääräisesti toistettavasti on haastavaa, ja lisäksi pitää tietää pyritäänkö mittaamaan massa vai pituuskeskipistettä. Arkikäytössä, esimerkiksi vastaanotettaessa uutta pellettierää, riittää noin 100 pelletin otos (pari kourallista), mikäli ei tehdä standardin mukaista näytteenottoa. Pelleteistä mitataan karkeasti pituus, jolloin tulos on lähinnä keskipituus. 46

Hajautetut biojalostamot Infokortti 15 Pelletin rakenne MikroCT kuvauksella MikroCT MikroCT eli Mikrometer Computer Tomography on mikrometri mittakaavassa tehtävä tietokoneavusteinen kolmiulotteinen kuvantamismenetelmä. Kuvantaminen on saman tyyppinen kuin lääketieteessä käytetty CT kuvaus. CT kuvauksessa kappaleesta otetaan röntgenkuvia useita kymmeniä-satoja hieman eri suunnista ja näistä yhdistetään laskennallisesti 3 ulotteinen kuva. Tavallisella pöytätietokoneella 3d-kuvan kokoamiseen menisi useita päiviä ja 3d-laskentakoneellakin yteen 3d kuvaan menee useita kymmeniä minuutteja, tarkkuudesta riippuen Pelletin mikrorakenne Pelletti on jauhetusta puusta puristettu tiheydeltään noin 1,1-1,3 g/cm 3, pohjoismaissa tyypillisesti halkaisijaltaan 8mm sylinterimäinen kappale. MikroCTssä erottuvat sekä rakenteen murtolinjat sekä materiaalissa esiintyvät mineraali epäpuhtaudet, tyypillisesti metalli siruja ja hiekkaa. Puristettu materiaali hävittää kuitenkin biomassan hienorakenteen ainakin 5µm erotustarkkuuteen saakka, jossa pelletin materiaali em. murtolinjoja ja epäpuhtauksia lukuun ottamatta on homogeenista. Skyscan 1172 mikrotomografia laitteisto 1-11Mp röntgenkamera - Tarkimmillaan 8000x8000 pikseliä joka kuvaviipaleessa - 0,7µm erotustarkuus - 3D-kuvan kokoamisohjelma (reconstitution) yksittäiselle tai moniprosessoriratkaisuille. - 2D/3DKuva-analyysiohjlemisto Kuva 1: Veden aiheuttamia muutoksia pelletin rakenteeseen, ennen ja jälkeen veden lisäystä (1 tippa pelletin päähän). Vaaleat pisteet mineraaliepäpuhtauksia ja tummat raidat tyhjiä murtuma-alueita. 47

Kuvasarja 1 Kuvasarja 2 MikroCT kuvasarjat vasemmalla. Kuvasarja 1 on ylhäältä päin kuvattu koostettu kuva, jokaisen viipaleen paksuus on noin 10 µm, eli koko kuvasarja on noin 1mm paksuudelta. Kuvasarja 2 on alkuperäisiä röntgenkuvia. Sarjaan on otettu joka viideskymmenes (50) kuva noin 240 pyörähdyksestä. Näistä kuvista on kostettu sarjan 1 kuvat. Kuvassa 2 on kuva-analyysiohjelmiston kuva, jolla kuvia voidaan tarkastella 3-ulotteisesti. Kuvat ovat väärävärikuvia joissa röntgenvaimennuksen (tiheyden) erot näkyvät eri väreillä. Oikeassa ylänurkassa on sama kuva, erilaisella vääräväriasetuksella. Kuva 2: Kuva-analyysojojelmisto. Vaaleat pisteet mineraaliepäpuhtauksia ja tummat raidat murtuma-alueita. LÄHTEET: 1.http://www.skyscan.be/products/1172.htm Voimakkaasti röntgenvaimentavalla lisäaineella, tai lisäaineen värjäämisellä voidaan lisäaineen jakaumaa pelletin sisällä tutkia. Yhteyshenkilö hankkeessa: Teemu Vilppo 050 407 0193 teemu.vilppo@uef.fi 48

Hajautetut biojalostamot Infokortti 7 Pellettien kuivikekäyttö talleilla Kuivikepellettien raaka-aineeksi soveltuvat monet erilaiset sivutuotebiomassat. Ruokohelpi, turve, sahanpuru, olki, puun kuori tai järviruoko ovat Suomen oloissa potentiaalisia raaka-aineita. Tutkimus eri raaka-aineista tehtyjen pellettien kuivikeominaisuuksista on kuitenkin vielä kesken. Pellettien suuri ominaispaino (yli 1 000 kg kiintokuutiometriä kohti) ja irtotiheys (yli 600 kg irtokuutiometriä kohti) tekevät pelletistä erittäin tehokkaasti käsiteltävän kuivikkeen tallilla verrattuna esimerkiksi irtosahanpuruun tai turpeeseen. Irtonaisen sahanpurun, oljen tai turpeen tilantarve on 3-5-kertainen pellettiin verrattuna. Jokaista hevosen omistajaa ja talliyrittäjää askarruttaa sama asia: millainen on hyvä talli hevoselle, sellainen joka pitää eläimen terveenä ja tukee sen työkykyä mahdollisimman hyvin. Eläinlääkäri Timo Talvion mukaan (Hippos 1/2012) tallin tärkein ominaisuus hevosen terveyden kannalta on hyvä ilmanvaihto. Karsinoissa käytettävällä kuivikkeella on suuri vaikutus tähän tallin ominaisuuteen. Moni hevosen pitäjä on tutustunut lähes kaikkiin tarjolla oleviin kuivikevaihtoehtoihin: olki, sahanpuru, turve ja viimeisimpänä pelletti. Oljen käyttö on vanha ja perinteinen valinta, joka on kuitenkin erittäin työläs. Lisäksi se ei sovi ahneelle hevoselle: olki kun maistuu pahimmille syömäreille myös korsirehuna. Sahanpuru oli pitkään päivänselvä valinta talleilla, mutta sen kyky pitää haitallinen ammoniakki poissa ilmasta, on kovin vähäinen. Lisäksi sen jälkihävitys ei ole aivan helppoa, sillä sen kompostoituminen vie aikaa. 49

Kuivikepelletin menekki on 1 200 kg 1500 kg / hevonen / vuosi. Tästä syystä pelletin hinta on ratkaiseva tekijä, kun lasketaan sen käyttämisen kannattavuutta. Pelletti on kuivikevaihtoehdoista uusin ja tällä hetkellä ehdottomasti mielenkiintoisin. Kiinteän ja irtonaisen pelletin käsitteleminen on helppoa. Lisäksi sen varastoiminen vaatii huomattavasti vähemmän tilaa kuin sahanpurun tai turpeen. Pelletin jälkihävitys on helppoa sillä varsinkin olkipelletti kompostoituu jo parissa kuukaudessa kelvolliseksi maanparannusaineeksi (Hippos 1/2012). Kuva 2. Kuivikepellettien tuotekehityksen yhtenä tavoitteena on hajuhaittojen hillitseminen sopivien ammoniakkia neutraloivien lisäaineiden avulla. Biojalostamisen mahdollisuudet liittyvät kuivikepelletissä kokonaistarkasteluun eli pelletin tuottamisen, käytön ja jälkijalostamisen toteuttamiseen harkittuna prosessina ja palveluna. VIITTEET: Haastattelu Joensuun ratsastusopisto Reetta Kallio- Ratilainen. Hippos nro 1, 2012, s. 22-25 Hyvä kuivikepelletti hajoaa kosteuden vaikutuksesta ja sitoo kosteuden tehokkaasti itseensä. Pelletti ei kuitenkaan kykene riittävässä määrin sitomaan ammoniakin erittymistä ilmaan. Ammoniakki on hevosen terveydelle haitallinen kaasu helposti havaittavissa hajun perusteella. Tätä haittaa pelletin käyttäjät ovat kompensoineet lisäämällä karsinoihin kalkkia (Joensuun ratsastusopisto) tai sirottamalla etikalla terästettyä vettä (Hippos 1/2012). Tämä on kuivikepelletin osalta selkeä tuotekehityksen tehtävä. Työmäärältään pelletti on Joensuun ratsastusopiston omistajan Reetta Kallio - Ratilaisen mukaan tarkan tekijän kuivike. Kun malttaa puhdistaa karsinan tarkasti poistaen vain märät kuivikkeet ja ulosteet, pysyy karsina siistinä eikä pelletin kulutus nouse liian suureksi. Itse puhdistustyötä hän kuitenkin kuvailee helpommaksi kuin esim. turvetta käytettäessä. Yhteyshenkilö hankkeessa: Kehittämispäällikkö Sari Pitkänen p. 050 3634 540 sari.k.pitkanen@uef.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 50

Hajautetut biojalostamot Infokortti 17 Puu- ja järviruokopelletti hevosten kuivikkeena Kuivikkeen tärkeitä ominaisuuksia ovat hinta, tilavuus (varastointiin tarvittavan tilan koko), patjan muodostumisen (pelletin hajoaminen hevosen kavioiden mekaanisen rasituksen ja ulosteiden kosteuden imeytymisen kautta, jolloin muodostuu tiivis kerros hevosen ja lattian väliin) nopeus, pölyämättömyys, käytön helppous (siivoaminen ja uusien levittäminen) sekä kyky sitoa haitallista ammoniakkia ja kosteutta. Yksi tärkeä arvioitava seikka on karsinajätöksen loppukäytön mahdollisuudet. Maanparannus ja kasvualusta ovat perinteiset ja edelleen lupaavimmat, mutta puun osalta hidas maatuminen vaatii vielä jatkokehittelyä. Pellettien käyttö eläinten kuivikkeena on yksi mahdollisuus myös puupelletille. Sitä millainen puupelletti on hyvä kuivikepelletti, selvitettiin koejärjestelyin yhteistyössä Joensuun ratsastusopiston kanssa. Kokeeseen perustettiin muutama karsina: kontrollikarsina tällä hetkellä käytössä olevalla olkipelletillä, muutama karsina perustettiin järviruoko- ja puupelletein niiden kuivikeominaisuuksien testaamiseksi. Järviruokopelletti saatiin Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) JÄREÄ eli järviruo on käyttöä tutkivasta projektista ja siltä osin koe tehtiin yhteistyössä ko. projektin kanssa. Aluksi karsinoista mitattiin alkuarvot eli FTIR - kaasuanalysaattorilla mitattiin ammoniakin määrä tallin käytävällä, karsinoissa 1.3 m korkeudella sekä patjan sisällä (olkipelletti). Lisäksi määritettiin patjasta otetuilla näytteillä sen typpi pitoisuus ja happamuus. Alkumittausten jälkeen karsinat perustettiin eri pellettejä käyttäen. Karsinoita ylläpidettiin 1,5 viikon ajan minkä jälkeen mittaukset uusittiin. 51

Koejärjestelyissä käytetyt kuivikepelletit: Pellettien käyttökokemusten perusteella uudet pelletit muodostavat karsinan patjan olkipellettiä hitaammin, ne myös hajotessaan pölysivät voimakkaasti kunnes niihin sitoutui kosteutta patjan muodostuessa. Karsinoissa asuvat hevoset olivat silminnähden pölyisempiä uusissa karsinoissa, mikä vaikeutti hoitajan hevosen puhdistustyötä. Uudet pelletit hajotessaan laajenivat olkea voimakkaammin, mikä teki siivoamisesta hieman raskaampaa. Uusista kuivikemateriaaleista järviruoko piti ammoniakin nenällä havaittavan hajun tehokkaimmin kurissa, puupelletti oli nenätuntumalla olkipellettiä parempi tässä suhteessa. Olkipelletti, tällä hetkellä yleisimmin käytössä. Puupelletti Kaasumittausten tulokset (FTIR). Järviruokopelletti, yhteistyössä JÄREÄ hankkeen kanssa. Haistaa 5 ppm, ärsyttää 20 ppm - 100 ppm, limakalvovaurioita 400 ppm ja yli tappava 5000ppm. Olkipelletin alkupitoisuus on mitattu jo 19.4.2013, muiden 21.10.2013 Ammoniakki pitoisuudet koejakson aikana kasvoivat kaikissa karsinoissa, mutta eniten olkipelletillä. Vähiten ammoniakkitaso nousi järviruokopelletillä. Kuvaajassa Ilma on mitattu karsinassa 1,3m korkeudelta, Puhdas ja Likainen on mitattu patjan sisältä, puhtaimmasta ja likaisimmasta kohdasta. Likaisten kohtien pajan ilman sisältämä ammoniakkimäärä on merkittävä, se on vähintään ärsyttävä. Yhteyshenkilö hankkeessa: Kehittämispäällikkö Sari Pitkänen Tutkija Teemu Vilppo p. 050 3634 540 p. 050 4070 193 sari.k.pitkanen@uef.fi teemu.vilppo@uef.fi 52 hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org

Hiili on huokoista materiaalia, mistä johtuen se pystyy sitomaan itseensä tiettyjä aineita. Tätä ominaisuutta voidaan hyödyntää erilaisissa suodatussovelluksissa. Hiilen huokoisuutta voidaan kasvattaa aktivoimalla hiili, jolloin myös sen suodatusominaisuudet paranevat. Aktiivihiilen raaka-aineina käytetään tyypillisesti puuta, turvetta, kookospähkinän kuorta, ruskohiiltä, kivihiiltä ja raakaöljyn jätteitä. Kivihiili on yleisin raaka-aine edullisen hinnan vuoksi. Suomessa vuonna 2010 aktiivihiiltä kulutettiin 4,83 milj. ja tuotettiin 113 000 arvosta. Aktiivihiilen suurimmat tuottajat ovat Kiina ja Yhdysvallat. Aktiivihiilen suurimmat kuluttajat ovat Yhdysvallat ja Japani. Hiiltä käytettiin tiettävästi ensi kertaa n. 1500 ekr lääkinnällisiin tarkoituksiin. Puuhiiltä on käytetty aikoinaan moniin eri vaivoihin, esim. epilepsian ja pernaruton hoitoon. Ensimmäiset alkeelliset hiilen aktivointimenetelmät patentoitiin 1900 luvun alussa. Aktiivihiilen tuotanto kasvoi ensimmäisen maailmansodan aikaan, koska aktiivihiiltä tarvittiin kaasunaamareihin kemiallisilta aseilta suojautumiseen. Sodan aikana kehitetyt aktiivihiilisuodattimet tulivat käyttöön sodan jälkeen arkipäiväisissä sovelluksissa. Nykyään aktiivihiiltä käytetään vesien ja kaasujen puhdistukseen. Arkipäiväisimpiä sovelluksia ovat liesituulettimien ja autojen sisäilman aktiivihiilisuodattimet, joilla poistetaan ilmasta hajut ja epäpuhtaudet. Suurkaupunkien rakennusten ilmanvaihtojärjestelmissä käytetään aktiivihiiltä poistamaan tuloilman epäpuhtaudet. Aktiivihiilelle on käyttöä myös elintarviketeollisuudessa, lääketieteessä ja vedenpuhdistamoissa. 53

Fyysinen aktivointi tapahtuu hapettavassa tilassa, jossa lämpötila on tyypillisesti 600 1 200 C. Kemiallisessa aktivoinnissa lämpökäsittely tapahtuu 450 900 C. Käytetyimmät aktivointikemikaalit: - fosforihappo - sinkkikloridi - rikkihappo Adsorptiossa kiinteä aine sitoo pinnalleen nesteestä tai kaasusta molekyylejä. Sitoutuminen voi tapahtua joko kemiallisesti tai fysikaalisesti. Fysikaalinen sitoutuminen tapahtuu Van Der Waalsin voimiin perustuen. Kemiallisessa sitoutumisessa aineiden välille syntyy elektronisidos. BET-analyysillä mitataan aktiivihiilen pinta-alaa mittaamalla typen sitoutumista aktiivihiileen 77 K (-196 C) lämpötilassa. Aktiivihiilen (BET) pinta-alasta (500 m 2 /g 1 500 m 2 /g) on 99 % partikkelien sisäosissa. Aktiivihiilellä voidaan adsorboida: - orgaanisia yhdisteitä (hapot, alkoholit ja aldehydit) - epäorgaanisia yhdisteitä (halogeenit, rikkidioksidia ja -happoa) - hajuja ja makuja Lähteet: IndexMundi.com, activated carbon import/ export. Pulkkinen, Matti. 2010. Aktiivihiilen aktivointi, käyttö ja regenerointi. Leimkuehler, Eric Paul. 2010. Production, Characterization, and Applications of Activated Carbon. Gasek Oy Ranta, Jussi. 1994. Puuhiilen valmistus - käsikirja Zanzi, R., Bai, X., Capdevila, P. & Björnbom, E. 2001. Pyrolysis of biomass in Presence of Steam for Preparation of Activated Carbon, Liquid and Gaseous Products. Asakura, R., Kondo, T., Morita, M., Hatori, H. & Yamada, Y. 2004. Electric double-layer capacitor characteristics of activated wood charcoals. Kuvat: KW-Filter Oy ja Hajautetut Biojalostamot hanke. Puuhiilen jalostus aktiivihiileksi tapahtuu aktivoinnilla. Puulajista ja siitä saatavan hiilen kovuudesta riippuen aktivointi voidaan suorittaa joko kemiallisesti tai fyysisesti. Puulaji vaikuttaa paljon aktiivihiilen lopulliseen laatuun. Pehmeistä puupohjaisista raaka-aineista tehdään yleensä aktiivihiiltä kemiallisella aktivoinnilla. Fyysinen aktivointi sopii paremmin kovemmille raaka-aineille kuten kookospähkinän kuorille. Aktivointi parantaa hiilen adsorptiokykyä. Aktiivihiilellä on hyvät adsorptio-ominaisuudet, eli se pystyy sitomaan hyvin itseensä erilaisia aineita. Adsorptiokykyyn vaikuttaa aktiivihiilen huokosrakenne (pinta-ala ja koko). Huokosten koko vaikuttaa siihen minkä kokoisia molekyylejä aktiivihiili sitoo parhaiten. Aktiivihiili toimii myös sihtinä, jolloin molekyylit jää hiileen kiinni pelkästään fyysisen kokonsa vuoksi. Raaka-aine Valmistusmenetelmä BET pinta-ala (m 2 /g) Huokostilavuus (cm 3 /g) Keskimääräinen huokoskoko (nm) Sahateollisuuden sivutuotteet Hiilletty 15,0 0,0161 4,279 Hakkuutähde Hiilletty 11,8 0,0359 12,209 Sahateollisuuden sivutuotteet Hiilletty + aktivoitu 1283,0 0,9591 2,990 Hakkuutähde Hiilletty + aktivoitu 575,9 0,4441 3,085 Tauluko 1. Aktivoinnin vaikutus hiilen huokostilavuuteen, -kokoon ja BET pinta-alaan. Koivu Vertailu 1, koivukuitu ja - rankahake Ensiharvennus koivukuitu Rankahake Kuvassa vertaillaan aktiivihiilen ja aktivoimattoman hiilen sinkin sitomiskykyä; aktiivihiili sitoo sinkkiä paremmin kuin aktivoimaton hiili. Aktivoimaton hiili saavuttaa myös hitaammin kyllästymispisteen. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että aktivoimaton hiili tarvitsee enemmän aikaa adsorptioon. Vertailu 2, Rankahakkeen kaasutuksen jäännöshiilestä aktiivihiiltä Kaasutusjäännös Vertailu 3, Rankahakkeesta puuhiiltä Vertailu 4, Rankahakkeesta aktiivihiiltä Aktiivihiili Puuhiili Aktiivihiili Massa ka* 1 000 kg 1 000 kg 15 kg 12 kg 250 kg 130 kg Kosteus % 55 % 35 % 0 % 5 % 6 % 5 % Massa 2 200 kg 1 540 kg 15 kg 12 kg 265 kg 137 kg Yksikköhinta 15,2 /t 79 /t ** - 1,5 /kg 0,6 /kg 1,5 /kg Hinta 33 122-18 159 206 Taulukko 2. Vertaillaan koivun eri jalostusketjujen arvonlisää ja massatasetta. Vertailu 1. Ensiharvennus koivukuidun ja koivuranka-hakkeen vertailu. Vertailu 2. Rankahake hyödynnetään puuta kaasuttavalla pien-chp-laitoksella sähköksi ja lämmöksi (laskennassa ei huomioida sähkön ja lämmön tuotannosta saatavia tuloja), kaasutuksen sivutuote, jäännöshiili, aktivoidaan aktiivihiileksi. Jäännöshiiltä muodostuu 1 m-% käytetystä rankahakkeesta (kosteus 35 %), aktivointivaiheen häviöt n. 20 m-%. Vertailu 3. Rankahake hiilletään puuhiileksi. Puun kuiva-ainehäviöt tuotantoketjussa 75 m-%. Vertailu 4. Rankahakkeesta tuotetaan aktiivihiiltä. Puun kuiva-ainehäviöt tuotantoketjussa 87 m-%. * ka = kuiva-aine, joka ei sisällä vettä. ** sekapuurankahakkeen hinta. Aktiivihiilen valmistus suoraan koivurankahakkeesta on jalostus- ja lisäarvoltaan merkittävin, vaikka kuiva-ainehäviö aktiivihiileksi jalostusprosessissa on 87 m-%. Yhteyshenkilöt hankkeessa: Professori Lauri Sikanen Kehityspäällikkö Sari Pitkänen Projektipäällikkö Simo Paukkunen p. 050 381 2443 p. 050 363 4540 p. 050 913 1786 lauri.sikanen@uef.fi sari.k.pitkanen@uef.fi simo.paukkunen@karelia.fi hajautetutbiojalostamot.forestenergy.org 54