Peltobiomassojen hyödynt dyntäminen biokaasun tuotannossa Annimari Lehtomäki Jyväskyl skylän yliopisto Bio- ja ympärist ristötieteiden tieteiden laitos
Kasvien hyödynt dyntäminen biokaasun tuotannossa Energiakasvit Erityisesti energiantuotantoa varten viljellyt kasvit Kasvintuotannon jätteetj tteet Kotimainen, uusiutuva, kasvihuonekaasuneutraali energiamuoto
Miksi kasveista juuri biokaasua? Energian tuotannon hyötysuhde hyvä Metaani arvokasta liikennepolttoainetta Vähäiset pääp äästöt Suljettu ravinnekierto Monipuolisen viljelyrakenteen säilyttäminen Sadonkorjuu varhaisessa kasvun vaiheessa -> > suuri kuiva-ainesato ainesato Ei materiaalin kuivaustarvetta
Metaanintuottopotentiaaleja Materiaali Metaanintuottopotentiaali Teurastamojäte te 570 l CH 4 / kg VS m 3 CH 4 / t ww 150 Biojäte 500-600 100-150 150 Energiakasvit 300-500 30-100 Lehmänlanta 100-250 7-14
Kasvien hyödynt dyntäminen biokaasun tuotannossa Biokaasun tuotanto kasveista taloudellisinta lähelll hellä kasvien tuotantoalueita Kuljetuskustannusten minimointi Jäännöksen käyttk yttö lannoitteena ja maanparannusaineena kasvien viljelyalueilla Kesantomaiden hyödynt dyntäminen Saksa: Vuoden 2005 loppuun mennessä arviolta 3 000 maatilamittakaavan biokaasulaitosta Näistä 80 % käsittelee k kasveja (maissi, säils ilörehu) Suurin osa kasvien ja lannan yhteiskäsittely sittelyä Biokaasulla tuotetun sähks hkön n myyntihinta enimmillää ään n 21 eurosenttiä / kwh - Tästä 4-66 senttiä saa jos käyttk yttää energikasveja, 2 senttiä jos käytössä uutta teknologiaa (kuivaprosessit)
Kasveista biokaasua - ketju Kasvin valinta Korjuun ajoitus Kasvien viljely Biokaasu Lämpö Sähkö Liikennepolttoaine Korjuu Partikkelikoon pienennys Esikäsittelyt Varastointi Esikäsittelyt Biokaasun tuotanto Jäännöksen varastointi, jälkikaasutus Jälkikäsittely Jäännös
Biokaasun tuotantoon soveltuva kasvimateriaali: Kasvien valintakriteerit Suuri sato, korjuukerrat / kesä Helppo viljellä ja korjata Vaatimaton ja kestävä Helppo säils ilöä Suuri metaanintuotto: Helposti hajoavia hiilihydraatteja Ligniinipitoisuus Kasvitaudit Suomen olosuhteissa menestyviä ja nopeakasvuisia Runsaasti biomassaa mahdollisimman vähäisellv isellä viljelypanostuksella
Kasvi Metaanintuottopotentiaali l CH 4 / kg ka m 3 CH 4 / t Timotei-apilanurmi 340 85 Ruokohelpi 420 167 Puna-apila apila 260 68 Virna-kaura 370 95 Lupiini 290 41 Maa-artisokka artisokka 340 110 Jättitatar 250 76 Nokkonen 360 60 Raparperi 420 40 Rehukaali 290 38 Sokerijuurikas 400 71 Sokerijuurikkaan naatit 290 34 Kauran olki 290 260 Rypsin olki 220 200 Energiapaju 160 76
Kasvi Sato ka /ha) (t ka Metaanisaanto (m 3 CH 4 /ha) Henkilöautokilometrit (km/ha) Maa-artisokka artisokka 9-16 3 100 5 400 30-53 38 000 68 000 Ruokohelpi 9-10 3 800-4 200 37-41 47 000-53 000 Bruttoener- giasaanto (MWh/ha) Timotei- apilanurmi Sokerijuurikkaan naatit 8-11 2 900-4 000 28-38 36 000-50 000 Sokerijuurikas 16 5 400 53 68 000 3-5 900 1 500 8-14 11 000 18 000 Olki 2 600 6 7 000 Energiapaju 10 1 600 15 19 000
Paaleista metaania 1 pyöröpaali paali 700-800 kg, 175-200 kg ka 60-70 m 3 CH 4, l öljyä 600-700 kwh 750-875 ajo-km 1 ha 35-40 paalia vuodessa 2100-2800 2800 m 3 CH 4, l öljyä 20-27 27 MWh 26 000-35 000 ajo-km
Potentiaali Suomessa > 2 milj. ha peltoa > 200 000 ha kesannolla Säilörehu: 2 000 m 3 CH 4 / ha Kesantomaalta: 4,5 TWh per vuosi Polttoaine 12 % henkilöautoista
Ruokohelpi Phalaris arundinacea
Kasvukaudella 2005 viljelyssä Heinät: timotei-apila ruokohelpi raiheinä ruokonata koiranheinä Muut: maa-artisokka artisokka turnipsi kaura alsikeapila valkomesikkä virna-kauraseos turnipsi
Ympärist ristötuen tuen ehtojen mukaisia peruslannoitusmää ääriä Kasvi Typpeä kg/ha/v Fosforia kg/ha/v Säilörehu 180 30 Sokerijuurikas 120 30 Herne (suositus) 40 15 Ruokohelpi (suositus) -Perustamisvuosi -Satovuosi -Satovuosi eloperäisill isillä mailla 40 70 50 20 - -
Prosessin suunnittelussa huomioitavaa Sadonkorjuun ajoitus Kasvien ikä ja kypsyysaste Kasvien esikäsittely sittely Fysikaaliset, kemialliset ja biologiset esikäsittelymenetelm sittelymenetelmät Kasvien varastointi Reaktorityyppi
Sadonkorjuun ajoitus Kasvi Korjuu Metaanintuotantopotentiaali Ruokohelpi 1 2 Timotei-apilanurmi 1 2 Maa-artisokka artisokka 1 2 kg ka l CH 4 / kg 330 420 340 360 340 340 m 3 CH 4 / t 97 167 85 72 93 110
Kasvien esikäsittely sittely Metaanintuoton lisää ääminen ja nopeuttaminen Riittävä partikkelikoon pienennys Muut käsittelytk Esim. emäsk skäsittelyillä (lipeä,, NaOH) parannettiin heinän n ja sokerijuurikkaan naattien metaanintuottoa 10-15 15 % NaOH 0,6 / kilo, 5 kg per t kasvia => 3 / t Entsyymikäsittely, sittely, muut kemialliset käsittelytk Esikäsittelyn sittelyn ja varastoinnin yhdistäminen
Kasvien varastointi Kasvien saatavuuden kausittaisuus Energiasisäll llön n ja ravinteiden mahdollisimman tehokas säilyminen s varastoinnin aikana Ei kuivausta Säilörehuun perustuvat menetelmät Mahdollisuus varastoinnin ja esikäsittelyn sittelyn yhdistämiseen Muurahaishapolla varastoidun heinän metaanintuotto 13-20 % tuoreen heinän metaanintuottoa korkeampi
Prosessiteknologia Perinteinen biokaasuteknologia suunniteltu jätteille, joilla alhainen kuiva-ainepitoisuus ainepitoisuus (esim. lietelanta) Kasvien kuiva-ainepitoisuus ainepitoisuus korkea, 10-50 % Märkä- vs. kuivaprosessit Yksi- vs. kaksivaiheiset prosessit Panosperiaatteella toimivat vs. jatkuvatoimiset prosessit
Prosessityypit Märkäprosessit Kuivaprosessit Panos Panos Jatkuvatoiminen Jatkuvatoiminen
Märkä- vs. kuivaprosessit Märkäprosessit Kasvien käsittely k yhdessä lietelannan tai kierrätetyn prosessiveden kanssa Max. TS 10-13 13 % Kasvien partikkelikoon pienennys Kasvien syött ttö: : ruuvikuljetin, syött ttömäntä,, huuhtelu (lietteen kierrätys) Kuivaprosessit TS 20-40 % Yksivaiheiset kuivaprosessit Kaksivaiheiset kuivaprosessit: hajotuksen eri vaiheiden fysikaalinen erottaminen eri säiliöihinihin Kasvien syött ttö usein panosperiaatteella
Täyssekoitteiset lietereaktorit laboratorio- ja pilot-mittakaavassa
Lannan ja säils ilöheinän yhteiskäsittely sittely Kuormitus kg VS / m 3 d Päivittäinen inen metaanintuotto ml CH 4 / d Ominaismetaanin- tuotto l CH 4 / kg VS Pelkkä lanta 2 790 100 Lanta + 10 % heinää 2 870 110 Lanta + 20 % heinää 2 990 120 Lanta + 30 % heinää 2 1490 190 Lanta + 40 % heinää 2 3 4 1500 1950 2250 190 160 140
Ruuvikuljetin Syöttömäntä Huuhtelu Screw Piston Flush Feed Solid substrate Solid substrate Solid substrate Digester Digester Digester
Kaksivaiheinen prosessi Biokaasu Nesteen kierrätys 1. vaihe 2. vaihe
Mahdollisia ongelmia Märkäprosessit Hajoamattoman aineksen kertyminen Pintakerroksen muodostuminen Korkeampi energiankulutus sekoituksessa ja pumppauksessa Tukkeutumisriskin kasvaminen Kuivaprosessit Pitkähk hkö viipymä Biologinen lämml mmönmuodostuminen
Kiitos mielenkiinnosta! annimari.lehtomaki@cc.jyu.fi www.cc.jyu.fi/~siranni