Ravinteet pellossa vaan ei vesistöön hanke Kerääjäkasvien biokaasun tuotanto -osio Loppuseminaari 11.4.2017 Maritta Kymäläinen, Laura Kannisto HAMK, Biotalouden tutkimusyksikkö, Biojalostamoprosessit -tutkimusryhmä
Tavoitteet Hankkeessa selvitetään kerääjäkasvien potentiaalia biokaasutuotannossa sekä prosessoinnin että ravinnekierrätyksen näkökulmasta. Tähän liittyvää pilotointia tehdään Mustialassa olevalla pilotbiokaasureaktorilla, jossa testataan kerääjäkasvien käyttöä lannan kanssa biokaasun tuotannossa ja määritetään mädätysjäännöksen ravinnepitoisuuksia. Tulosten avulla selvitetään mädätysjäännöksen lannoitekäytön vaikutuksia ravinnetaseeseen sekä ravinteiden ja biokaasutuoton taloudellisia vaikutuksia tilan näkökulmasta. Kerääjäkasveja viljellään hankkeen aikana kahtena kasvukautena. Molempien kasvukausien aikana tehdään ravinnekiertoihin liittyviä mittauksia ja selvitetään kerääjäkasvien sadontuottopotentiaalia, rehuominaisuuksia ja biokaasupotentiaalia.
Toimenpiteet liittyen biokaasun tuotanto -tutkimusosioon kerääjäkasvien säilöntä, syksy 2015 ja 2016, ja säilönnän seuranta (n. 3 kk) - Syksy 2015: metaanituottotestausta varten - Syksy 2016: metaanituottotestausta ja biokaasureaktoriajoa varten kerääjäkasvien analysointi säilöttyjen näytteiden metaanituottotestit (panostesti, n. 1 kk) analysointeineen biokaasukoereaktorin rakentaminen/modifiointi ja käyttöönotto lannalla Mustialan vanhan navetan maitohuoneessa lanta + kerääjäkasvi seoksen yhteiskäsittely biokaasukoereaktorissa Reaktoriajo, prosessiseuranta, näytteenotot ja analysointi
Säilöntään ja biokaasututkimukseen valitut koeruudut Koodi Kerääjäkasvi Lannoitus Viljelypaikka A2 A3 A4 A6 A7 A8 B8 Italianraiheinä (7 kg/ha) Italianraiheinä (20 kg/ha) Monivuotinen heinäseos Puna-apila + italianraiheinä Puna-apila Puna-apila + italianraiheinä (ohra kokoviljana) Valkoapila Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Karjanlantaa max määrä, loput väkilannoitteena Lannoitus kokonaan väkilannoitteella karjatila karjatila karjatila karjatila karjatila karjatila viljatila
Tuloksia Tuloksia esitetty enemmän ja tarkemmin hankkeen nettisivuilla http://www.hamk.fi/tyoelamalle/hankkeet/ravinneresurssi/keraajakasvit/sivut/biokaasun-tuotanto.aspx Kerääjäkasvien vaihteleva laatu: kasvien seassa oleva olki vaikuttaa moneen, mm: Mitä enemmän olkea, sitä Korkeampi kuiva-ainepitoisuus Alempi typpipitoisuus Korkeampi C/N suhde Alempi fosforipitoisuus Vähemmän säilörehumassaa per säilötty tilavuus Alempi metaanituotto ja hitaampi hajoaminen A4-kerääjäkasvi, heinäseos 2015 2016 Oljen osuus 72 % 21 %
Kerääjäkasvien kuiva-aine- ja typpipitoisuuksien vaihtelu A2 Italianraiheinä (7 kg/ha) A3 Italianraiheinä (20 kg/ha) A4 Monivuotinen heinäseos A6 Puna-apila + italianraiheinä A7 Puna-apila + öljyretikka A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois B8 Valkoapila
Kerääjäkasvien metaanituotto: Oljen vaikutus tuottonopeuteen
Kerääjäkasvien metaanituotto
10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Kerääjäkasvien metaanienergiatuotto hehtaarilta MWh/ha 2015 2016 A2 A3 A4 A6 A7 A8 B8 A2 Italianraiheinä (7 kg/ha) A3 Italianraiheinä (20 kg/ha) A4 Monivuotinen heinäseos A6 Puna-apila + italianraiheinä A7 Puna-apila + öljyretikka A8 Puna-apila + italianraiheinä, olki korjattu pois B8 Valkoapila Kerääjäkasvisato kg ka/ha CH 4 -tuotto litraa/kg ka Energiatuotto MWh/ha 2015 2016 2015 2016 2015 2016 A2 1760 2050 270 290 4,7 6,1 A3 2060 2350 270 310 5,6 7,4 A4 1250 2020 270 320 3,4 6,4 A6 1680 3110 290 300 4,9 9,4 A7 690 2600 360 300 2,5 7,8 A8 620 2570 390 330 2,4 8,4 B8 730 2560 230 330 1,7 8,5 Taulukon sato- ja metaanituottoarvot pyöristetty; Energiatuotot laskettu tarkemmilla arvoilla. Kerääjäkasvien vaihteleva sato! Huom. Huomioitava myös vaikutus pääkasvin satoon!
Koereaktorin käyttöönotto ja lanta-ajo Mustialassa Reaktorin rakentaminen/modifiointi ja ylösajo lannalla onnistuivat hyvin, ks. Toni Haavisto, opinnäytetyö: Pilot-biokaasureaktori maitotilalle http://www.theseus.fi/handle/10024/121225 Lanta-ajossa (syksy 2016): Reaktorin metaanituotto 160-240 litraa/kgvs (12-16 litraa/kg) kuormitus 2,5 3,5 kgvs/m 3 vrk, viipymä 30 42 vrk vrt. metaanipotentiaalitestituotto 230 litraa/kgvs (30 vrk) Prosessi hyvin tasoittunut ja valmis vihermassasyötölle
Reaktoriajo lantavihermassaseoksella 1. vihermassasyöttö 9.1.2017; monivuotinen heinäseos (A4) -syöttö aloitettu 16.1.2017 Puolijatkuvatoiminen, poisteen otto ja syöttö arkipäivisin Jatkuvatoiminen kaasun määrä- ja pitoisuusmittaus (CH 4, CO 2, H 2 S, H 2 ) ja mittaustulosten etäseuranta Prosessitilan seuranta näytteenottojen kautta viikoittaisilla analyyseillä TS, VS ammonium-n ph, alkaliteetti, VFA liukoinen COD
Biokaasureaktorin syöttö Märkäprosessin maksimi-tspitoisuus (12-15 %) -> RAJOITE viherbiomassan osuudelle lietelantaseoksessa Prosessin viipymäaikavaatimus (20-40 vrk) -> RAJOITE kuormitukselle; mitä kuivempi syöte sitä korkeampi kuormitus mahdollista ( pienempi reaktori) Laskennan lähtötiedot TS, % VS, % Lanta 8 6,6 Viherbiomassa 24 21,8 Olki 60
Syöte ja kuormitus Syksyllä 2016 säilöttyä kerääjäkasvia (A4, monivuotinen heinäseos) Säilötty tiiviisti ämpäreihin (tiivistetty hiekkasäkkipainolla), n. 3 kk Murskattu ja seostettu lietelantaan tuorepainosuhteessa n. 10 : 90 (VS suhde 15 : 85), jotta seoksen kuiva-ainepitoisuus n. 11-12 % Valmistettu noin 2 vko:n syöttömäärä kerralla Syöttökuormitus 2,5 2,8 kgvs/m 3 vrk, viipymä 36 vrk
Koereaktorin biokaasutuotto litraa/kgvs vrk Biokaasutuotto (viikkokeskiarvo): Lanta: 320-400 litraa/kgvs Lanta + kerääjäkasvi: 380 440 litraa/kgvs lanta+a4 lanta+b4 Metaanipitoisuus vaihteli välillä 52 59 % Reaktorin CH 4 -tuotto: Lanta: 160-240 litraa/kgvs (vrt. potentiaali 230 l/kgvs) Lanta + kerääjäkasvi: 200 260 litraa/kgvs (vrt. potentiaali 240-250 l/kgvs) Biokaasun H 2 S pitoisuus: Lanta: n. 1000 ppm Lanta + kerääjäkasvi: n. 600 ppm
Poisteanalyysituloksia - Reaktorin/poisteen ph 8 8,2; hyvä alkaliteetti (n. 13 000 mgcaco 3 /litra) ja VFA-pitoisuustilanne - Poisteen kuiva-aine (TS) 7,3 7,8 % (syöte 10,7 11,1 %) - Kuiva-aineen (TS) ja org. kuiva-aineen (VS) vähenemät hyvällä tasolla Reaktorin VFA-pitoisuus TS- ja VS- vähenemät Prosessi hyvin hallinnassa, hajoaminen tasaista ja hyvällä tasolla hyvälaatuinen mädätysjäännös
Typpi konsentroituu mädätysjäännökseen Kokonais-N-pitoisuus nousee n. 45 % Ammonium-N:n osuus kokonais-n:stä nousee: syötteessä n. 50 % poisteessa n. 68 %
Mustiala -tarkastelu - Käytetään kaikki lietelanta (2 800 m 3 /v, TS 8 %) biokaasutuotantoon MÄRKÄPROSESSISSA - Seostetaan 10 30 tp-% vihermassaa (TS 24 %) - Huom. märkäprosessin rajoitus: syöteseoksen ka-pitoisuus (TS) max 12 15 % Vihermassan osuus syöteseoksessa, p-% 10 20 30 Vihermassan tarve t/a 320 710 1 220 Tarvittava peltoala ha 61 140 230 Syöteseoksen määrä t/a 3 200 3 600 4 100 Syöteseoksen määrä t/d 8,7 9,7 11,1 Syöteseoksen kuiva-aine % 9,6 11,2 12,8 Reaktorin koko m 3 260 290 330 Reaktorin kuormitus kgvs/m 3 d 2,7 3,2 3,7 Metaanituotto 10 3 m 3 /a 80 120 165 Energiatuotto (biokaasuna) MWh/a 800 1 200 1 650 Mädätysjäännöksen typpi t/a 8,2 9,8 11,8 Mädätysjäännöksen fosfori t/a 1,3 1,5 1,8 Laskennan lähtötietoja: Lannan määrä 2 800 m 3 /a Lanta TS 8,0 % Lanta VS 6,6 % Lanta N 30,7 g/kg ka Lanta P 5,3 g/kg ka Vihermassa TS 24,0 % Vihermassa VS 21,8 % Vihermassa N 16,9 g/kg ka Vihermassa P 2,1 g/kg ka Viipymäaika 30 vrk Vihermassan sato 1 254 kgts/ha Lannan CH 4 tuotto 19 litraa/kg Rehun CH 4 tuotto 92 litraa/kg
Johtopäätökset Kerääjäkasvien metaanituottopotentiaali on hyvä Ominaistuotto korkeimmillaan n. 400 litraa/kgka, vrt. olki n. 200 litraa/kgka ja lietelanta n. 220 litraa/kgka Hehtaarituotot vaihtelevia, mutta potentiaalisia, välillä 2,5 9 MWh/ha Kerääjäkasvien seassa olevan oljen vaikutus on hyvä tunnistaa ja huomioida (ks. dia 5) Kerääjäkasvien vaihteleva laatu ja sato huomioitava biokaasuhyödyntämisessä Kerääjäkasvin määräosuuden vaihtelut märkäprosessin syöteseoksessa ( TS-vaihtelu, satovaihtelu) Onko tavoitteena tasainen energiatuotto tai/ja tasalaatuinen mädätysjäännös miten vaihtelut kompensoidaan biokaasureaktorisyötteessä ( CH 4 -tuotto- ja ravinnepitoisuusvaihtelut) Prosessointi: Märkäprosessissa hyvä lisäsyöte (max. n. 30 p-%-osuudella) lietelannan joukkoon; hienonnus ja hyvä seostus eduksi Kuivaprosessiin liian kosteaa yksinään, oljen osuus hyväksi Ravinteet talteen ja kiertoon
KIITOS KAIKILLE biokaasuttajille! HAMK: Laura Kannisto, projekti-insinööri laboratoriokoetoiminta ja analysointi; biokaasukoereaktoriajot, tulostarkastelu, raportointi Jarkko Nummela, projektitutkija olkibiosuotimen kehitys; biokaasukoereaktorin tekninen kehitys Toni Haavisto, projektityöntekijä biokaasukoereaktorin käyttöönotto Satu Suoranta, projektityöntekijä biokaasukoereaktorin hoito Piritta Lohela, projektityöntekijä olkibiosuodinajot; biokaasukoereaktorin hoito Maritta Kymäläinen, projektiasiantuntija toteutusosion suunnittelu, ohjaus, tulostarkastelu, raportointi ja julkaiseminen Luke: Erika Winquist, projektiasiantuntija taloudelliset ja hyötytarkastelut, raportointi ja julkaiseminen KIITOS kaikille projektilaisille ja rahoittajalle!