SELVITYS LAPINLAHDEN JÄTEVESILIETTEEN JA MAHDOLLISTEN MUIDEN ORGAANISTEN JAKEIDEN YHTEISBIOKAASULAITOKSESTA JA KÄSITTELYJÄÄNNÖKSEN HYÖTYKÄYTTÖMAHDOLLISUUKSISTA YLÄ- SAVON ALUEELLA LOPPURAPORTTI 13.4.2012 Teija Rantala Ari Jääskeläinen Maarit Janhunen
SISÄLLYS 1 SELVITYKSEN LÄHTÖKOHDAT... 2 2 BIOKAASULAITOKSEN SYÖTTEIDEN KARTOITUS... 3 2.1 Skenaario 1 jätevesilietteet... 4 2.2 Lapinlahden jätevesilietteen ominaisuudet... 4 2.3 Skenaario 2 jätevesi- ja teollisuuslietteet... 6 2.4 Skenaariot 3 ja 4 yhteiskäsittelylaitos... 7 3 SYÖTTEIDEN ENERGIANTUOTTOPOTENTIAALIN MÄÄRITYS... 9 3.1 Kokeet mobiililla biokaasulaitoksella... 9 3.2 Panoskokeet laboratoriossa...12 3.3 Kokeet jatkuvatoimisilla laboratorioreaktoreilla...13 3.4 Yhteenveto koetuloksista...15 3.4 Energiantuottopotentiaalit...15 4 KÄSITTELYJÄÄNNÖKSEN HYÖTYKÄYTTÖMAHDOLLISUUDET...17 4.1 Käsittelyjäännöksen määrät eri skenaarioissa...17 4.2 Käsittelyjäännöksen laatu...17 4.3 Käsittelyjäännöksen levittäminen...19 5 KUSTANNUS-HYÖTY ANALYYSIN LÄHTÖARVOT...20 5.1 Laitosinvestointi...20 5.2 Kiinteät kustannukset...20 5.3 Muuttuvat kustannukset...23 5.4 Biokaasulaitoksen tulot...25 6 KUSTANNUS-HYÖTYANALYYSIN TULOKSET...27 6.1 Sähkön ja lämmön myynti...27 6.2 Kaasun myynti...28 7 SELVITYKSEN JOHTOPÄÄTÖKSET...29 Liitteet s. 31-48 Liite 1a: Kannattavuustarkastelu, skenaario 1 Liite 1b: Kannattavuustarkastelu, skenaario 1 muunnelma Liite 2a: Kannattavuustarkastelu, skenaario 2 Liite 2b: Kannattavuustarkastelu, skenaario 2 muunnelma Liite 3: Kannattavuustarkastelu, skenaario 3 Liite 4: Kannattavuustarkastelu, skenaario 4 1
1 SELVITYKSEN LÄHTÖKOHDAT Tämän selvitys on saanut alkunsa tarpeesta vertailla Lapinlahden jätevesilaitoksella syntyvän jätevesilietteen mahdollisia käsittelymenetelmiä. Lietteen määrä laitoksella on merkittävän suuri paikkakunnan elintarviketeollisuuden takia ja ympäristölainsäädäntö velvoittaa käsittelemään lietteen kehittyneellä menetelmällä. Tätä taustaa vasten lietteen käsittely biokaasulaitoksessa puhdistamon yhteydessä on otettu yhdeksi tutkittavaksi vaihtoehdoksi, koska kyseisellä käsittelyllä on etuja mm. lopputuotteen hygieenisyyden näkökulmasta sekä energiantuotannon näkökulmasta. Savonia-ammattikorkeakoulun ympäristötekniikan opetus- ja tutkimusyksikön yhtenä painopistealueena on biokaasuun liittyvä tutkimus- ja kehitystoiminta, johon nojautuen biokaasuun liittyvää selvitystä lähdettiin suunnittelemaan Lapinlahdelle. Selvityksen suunnitteluvaiheessa oli jo selvää, että mahdollisen biokaasulaitoksen syötteeksi tarvitaan myös muita materiaaleja Lapinlahden jätevesilietteen lisäksi. Keskusteluja käytiin sekä Iisalmen että Kiuruveden kuntien kanssa ja myös heiltä löytyi mielenkiintoa jätevesilietteiden yhteisbiokaasukäsittelyn selvittämiseen. Mukaan selvitykseen lähtivät myös Ylä-Savon jätehuolto biojätteen osalta, Valio elintarviketeollisuuden sivutuotteiden osalta sekä Savon Voima biokaasulaitoksen energian hyödyntämisen näkökulmasta. Nämä tahot osallistuivat myös selvityksen rahoitukseen päärahoittajan ohella. Pääosa rahoituksesta saatiin Pohjois-Savon liitolta, Euroopan aluekehitysrahastosta. Tässä selvityksessä käsitellään Lapinlahden jätevedenpuhdistamon yhteyteen soveltuvan biokaasulaitoksen merkittävimpiä syötevirtoja, niiden energiantuotantopotentiaaleja, käsittelyjäännöksen hyödyntämismahdollisuuksia sekä laitoksen kustannuksia ja taloudellisia hyötyjä. Selvitys toimii pohjamateriaalina mahdollisen investointipäätöksen teolle ja luo näin ollen edellytyksiä lietteiden ja muiden orgaanisten jätemateriaalien energiahyötykäytölle alueella. Selvityksen tavoitteet toteuttavat tältä osin myös maakunnallista Energia ja ympäristö Teemaohjelmaa, jossa kehittämisen painopisteinä on mm. jätteiden energiahyötykäytön lisääminen sekä biokaasulaitosten synnyn edesauttaminen. 2
2 BIOKAASULAITOKSEN SYÖTTEIDEN KARTOITUS Selvityksen alussa kartoitettiin potentiaaliset biokaasulaitokseen soveltuvat syötteet lähialueilta, pääasiassa Ylä-Savon seutukunnan alueelta. Kartoituksessa keskityttiin merkittävämpiin massavirtoihin jätevesilietteiden, elintarviketeollisuuden sivutuotteiden, biojätteiden sekä maatalouden lannan osalta. Kartoitettuja syötetietoja käsiteltiin selvitysprojektin ohjausryhmässä, jossa päätettiin kolmesta eri vaihtoehdosta eli skenaariosta biokaasulaitoksen toteutukseen. Selvityksen edetessä todettiin tarpeelliseksi lisätä vielä yksi, koko Pohjois-Savon biojätteet kattava, skenaario mukaan tarkasteluihin. Selvityksessä tarkastellut biokaasulaitosskenaarioiden syötteet ovat seuraavat: - Skenaario 1: Lapinlahden, Iisalmen ja Kiuruveden jätevesilietteet - Skenaario 2: Lapinlahden, Iisalmen, Kiuruveden ja elintarviketeollisuuden jätevesilietteet - Skenaario 3: Lapinlahden, Iisalmen, Kiuruveden ja elintarviketeollisuuden jätevesilietteet, Pohjois- Savon alueen biojätteet sekä maatalouden lanta. - Skenaario 4: Lapinlahden, Iisalmen, Kiuruveden ja elintarviketeollisuuden jätevesilietteet, Ylä-Savon alueen biojätteet sekä maatalouden lanta. Kunkin skenaarion osalta selvityksessä määritettiin lähtötietoina potentiaalisten syötteiden vuosittaiset syntymäärät, kuiva-ainepitoisuudet (TS, Total Solids), orgaanisen aineen pitoisuudet (VS, Volatile Solids) sekä kuiva-aineen ja orgaanisen aineen syntymäärät vuodessa (t/a). Materiaalien vuosittaiset syntymäärät ja osittain myös tiedot TS-pitoisuuksista ovat peräisin kyseisten materiaalien tuottajilta tai käsittelijöiltä. Lisäksi TS- ja VS-pitoisuuksien määrittämiseen on käytetty sekä kirjallisuus- ja asiantuntijatietoa että laboratoriomäärityksiä (SFS 3008) Savonian Technopoliksen ympäristöteknologian laboratoriossa. Seuraavissa kohdissa esitellään tarkemmin eri skenaarioiden syötteet edellä mainittujen ominaisuuksien osalta. Lisäksi taulukoissa on nähtävissä kunkin skenaarion syötemateriaalien yhteenlaskettu vuosittainen syntymäärä sellaisenaan, kuiva-aineen syntymäärä, orgaanisen aineen syntymäärä sekä massalla painotettu keskiarvo kuiva-aineen ja orgaanisen aineen pitoisuudesta (alimpien rivien kursivoidut numerot). Taulukoidun tiedon lisäksi seuraavissa kohdissa kerrotaan tarkemmin kunkin syötemateriaalien ominaisuuksista. 3
2.1 Skenaario 1 jätevesilietteet Ensimmäisen skenaarion syötteet ja niiden ominaisuudet on kuvattu seuraavassa taulukossa. Taulukko 1: Skenaarion 1 syötteet ja niiden ominaisuudet Jätevesilietteet Määrä (t/a) TS (%) VS (%) VS (t/a) TS (t/a) Iisalmen jätevesiliete 5 000 21,0 15,3 767 1 050 Lapinlahden jätevesiliete 22 950 5,0 2,2 511 1 148 Kiuruveden jätevesiliete 1 500 15,6 9,5 143 234 Summa/keskiarvo 29 450 8,3 4,8 1 420 2 432 Tässä skenaariossa biokaasulaitokselle tulisi yhteensä noin 29 000 tonnia syötteitä vuodessa. Määrällisesti merkittävin syöte olisi Lapinlahden jätevedenpuhdistamon liete, joka vastaisi noin 78 % laitokseen syötettävästä massasta. Tämän lisäksi laitokselle tulisi kuivatut jätevesilietteet Iisalmen ja Kiuruveden jätevedenpuhdistamoilta. Niiden määrät massasta tässä skenaariossa olisi Iisalmen osalta noin 17 % ja Kiuruveden osalta noin 5 %. Orgaanisen aineen osalta osuudet jakautuisivat niin, että Lapinlahdelta tulisi noin 36 %, Iisalmesta noin 54 % ja Kiuruvedeltä noin 10 %. 2.1.1 Lapinlahden jätevesilietteen ominaisuudet Lapinlahden jätevedenpuhdistamolla syntyy vuodessa noin 8 000 t lietettä, joka on kuivattu noin 13,5 % kuiva-ainepitoisuuteen. Tässä selvityksessä on käytetty arvoa 8500 t lietettä vuodessa, koska tämä arvo oli tiedossa selvityksen alkuvaiheessa sekä tuloslaskennan vaiheessa. Biokaasulaitokseen lietettä ei kannata kuivata lingolla näin kuivaksi, mutta noin 5 % kuiva-ainepitoisuuteen kannattaa pyrkiä muilla kuivatusmenetelmillä. Tässäkin tapauksessa ensimmäisen skenaarion syöteseos jää melko matalaksi kuivaainepitoisuudeltaan (8,3 %). Orgaanista ainetta Lapinlahden kuivaamattomasta lietteessä on noin 44,5 % kuiva-aineesta, joka vastaa noin 2,2 % TS-osuutta märästä lietteestä. Nämä tulokset on saatu 46 Savonian tekemän laboratoriomäärityksen keskiarvona. Orgaanisen aineen osuus kuiva-aineesta on näiden kokeiden perusteella Lapinlahden lietteessä kohtuullisen matala verrattuna esimerkiksi Iisalmen ja Kiuruveden jätevesilietteisiin. Huomioitavaa on, että lähes kaikki koetoiminnan näytteet on otettu aamuisin syksyn 2011 aikana, samaan aikaan mobiilin biokaasulaitoksen syötön aikaan. Näytteenoton vuorokaudenajalla ja vuodenajalla voi olla vaikutusta näytteiden laatuun. Biokaasuntuotannon näkökulmasta huomioitavaa on, että Lapinlahden jätevesilietteestä valtaosa, noin 85 % virtaamasta ja 95 % kuormituksesta, on peräisin maidonjalostusteollisuudesta, Valion Lapinlahden teh- 4
taalta. Tämän takia lietteen koostumus on tyypillisestä jätevesilietteestä poikkeava. Siinä on mm. kloridia ja natriumia normaalia korkeampia pitoisuuksia. Nämä aineet voivat liian korkeissa pitoisuuksissa inhiboida biokaasua tuottavia mikrobeja. 2.1.2 Kiuruveden jätevesilietteen ominaisuudet Kiuruveden jätevedenpuhdistamon lietteen syntymäärä on 1 500 t/a. Liete kuivataan suotonauhapuristimella ja sen kuiva-ainepitoisuus on keskimäärin 15,6 %. Selvityksen aikana lietteen kuiva-ainepitoisuus määritettiin kymmenen kertaa Savonian laboratoriossa ja se vastasi hyvin Kiuruvedeltä ennakkoon saatua arvoa, ollen keskimäärin 15,5 %, vaihteluvälillä 13,64 % ja 19,32 %. Lietteen VS/TS-suhde oli 0,61, jolloin suotonauhapuristetusta syötteestä orgaanista ainetta on noin 9,5 %. Kiuruveden jätevesiliete edustaa tyypillistä yhdyskuntajätevesilietettä. 2.1.3 Iisalmen jätevesilietteen ominaisuudet Iisalmen jätevedenpuhdistamon lietteen syntymäärä on 5 000 t/a. Liete kuivataan lingolla ja Iisalmen Vedeltä saatujen tietojen mukaan lietteen kuiva-ainepitoisuus on keskimäärin 21,0 %. Selvityksen aikana tehdyn yhdentoista määrityksen keskiarvona lietteen TS-pitoisuus oli hieman tätä alhaisempi eli noin 18,4 %, vaihdellen välillä 8,3 % ja 21,9 %. Kustannus-hyötyanalyyn tulosten laskennassa (kuiva-aineen syntymäärä vuodessa) on käytetty kuitenkin Iisalmen Vedeltä saatua kuiva-aineen arvoa, koska se perustuu pidemmän aikavälin tuloksiin. Orgaanisen aineen määrityksessä on käytetty Savonian koetoiminnan tietoja, joiden mukaan Iisalmen jätevesilietteen VS/TS-suhde on 0,73. Tällöin ruuvikuivatusta syötteestä orgaanista ainetta on noin 15,3 %. Koetoiminan tuloslaskelmissa on käytetty laboratoriosta saatuja arvoja. Iisalmen lietteen osalta hankkeessa selvitettiin myös mahdollisuutta kuljettaa lietettä vain osittain kuivattuna biokaasulaitokseen. Tällöin lietteen kuiva-ainepitoisuus olisi noin 9,5 % ja vuosittainen syntymäärä noin 9 130 t eli noin 4 130 t/a suurempi kuin skenaariossa 1 käytetty arvo. Tätä vaihtoehtoa käsitellään tarkemmin myöhemmin tässä raportissa. 5
2.2 Skenaario 2 jätevesi- ja teollisuuslietteet Toisen skenaarion syötteet ja niiden ominaisuudet on kuvattu seuraavassa taulukossa. Taulukko 2: Skenaarion 2 syötteet ja niiden ominaisuudet Jätevesilietteet Määrä (t/a) TS (%) VS (%) VS (t/a) TS (t/a) Iisalmen jätevesiliete 5 000 21,0 15,3 767 1 050 Lapinlahden jätevesiliete 22 950 5,0 2,2 511 1 148 Kiuruveden jätevesiliete 1 500 15,6 9,5 142 234 Valion rehunanoretentaatti 11 000 8,0 5,0 546 880 Summa/keskiarvo 40 450 8,2 4,8 1 965 3 813 Toisessa skenaariossa jätevesilietteiden lisäksi hyödynnettäisiin elintarviketeollisuuden lietteitä. Kartoituksessa mukaan selvitykseen oli kiinnostunut lähtemään Lapinlahden Valion tehdas. Heidän tuotteistaan löytyi keskustelussa yksi mahdollinen biokaasulaitoksen syöte, rehunanoretentaatti. Valiolta saatujen tietojen mukaan tätä syötettä syntyy vuodessa noin 11 000 tonnia. Käytännössä tämä syöte lisäisi laitoksen syötemäärää reilun neljänneksen verrattuna skenaarioon yksi. Myös orgaanisen aineen lisäys on samaa luokkaa, koska syötteen kuiva-ainepitoisuus on samaa tasoa kuin jätevesilietteiden seoksen kuiva-ainepitoisuus. Kokonaisuudessaan tämäkin syöteseos jää kuiva-ainepitoisuudeltaan siis melko matalaksi. Toista skenaariota selvitettiin lämmön ja sähköntuotannon lisäksi myös siltä kannalta, että tuotettu kaasu myytäisiin sellaisenaan joko Savon Voimalle tai Valion lämpölaitokseen. Tällöin biokaasulaitoksen ei tarvitsisi investoida CHP-laitteeseen ja myös huolto- ja ylläpitokulut vähenisivät. Tällöin ei kuitenkaan saataisi sähköntuotannon tariffitukea. Tätä skenaariota kutsutaan tässä selvityksellä seuraavasti: Skenaario 2 (kaasu) 2.2.1 Rehunanoretentaatin ominaisuudet Rehunanoretentaatin kuiva-ainepitoisuus on myös saatu tiedoksi Valiolta. Savonian laboratoriossa tehdyn kahden tutkimuksen perusteella rehunanoretentaatin VS/TS-suhde on noin 0,62. Tällöin tämän syötteen orgaanisen aineen pitoisuus on noin 5,0 % syötteestä. Rehunanoretentaatti on melko tuntematon syöte biokaasulaitoksissa ja lisäksi sen suolapitoisuudet ovat korkeat ja ph kohtalaisen matala. Toisaalta sen määrä on merkittävän suuri. Rehunanoretentaatti sisältämät suolat, natrium ja kloridi, ovat molemmat liian korkeina pitoisuuksina biokaasumikrobeja inhiboivia aineita. Rehunanoretentaatin osalta oleellista on myös se, voiko kyseinen materiaali aiheuttaa korroosiota biokaasulaitoksessa. 6
2.3 Skenaariot 3 ja 4 yhteiskäsittelylaitos Kolmannen ja neljännen skenaarion syötteet ja niiden ominaisuudet on kuvattu seuraavissa taulukoissa. Ero skenaarioiden välillä on biojätteen määrässä. Skenaariossa 3 on mukana kaikki Pohjois-Savon alueen biojäte ja skenaariossa 4 vain Ylä-Savon jätehuollon biojäte. Edellisiin skenaarioihin verrattuna näissä skenaarioissa on mukana myös maatalouslietteet. Kokoluokaltaan nämä skenaariot ovat noin 10 000 20 000 t/a suurempia kuin skenaario kaksi. Kuiva-aineen määrä nousee lähelle optimaalista tasoa (n. 12 %) vain skenaariossa neljä. Taulukko 3: Skenaarion 3 syötteet ja niiden ominaisuudet Jätevesilietteet Määrä (t/a) TS (%) VS (%) VS (t/a) TS (t/a) Iisalmen jätevesiliete 5000 21,0 15,3 767 1050 Lapinlahden jätevesiliete 22950 5,0 2,2 511 1148 Kiuruveden jätevesiliete 1500 15,6 9,5 142 234 Ylä-Savon jätehuollon biojäte 1000 32,5 29,3 293 325 Pohjois-Savon alueen muu biojäte 9000 32,5 29,3 2633 2925 Valion rehunanoretentaatti 11000 8,0 5,0 546 880 Emolandian lietteet 5000 3,6 2,5 127 178 Yhteensä/keskiarvo 59450 11,3 8,4 5016 3481 Taulukko 4: Skenaarion 4 syötteet ja niiden ominaisuudet Jätevesilietteet Määrä (t/a) TS (%) VS (%) VS (t/a) TS (t/a) Iisalmen jätevesiliete 5000 21,0 15,3 767 1050 Lapinlahden jätevesiliete 22950 5,0 2,2 511 1148 Kiuruveden jätevesiliete 1500 15,6 9,5 142 234 Ylä-Savon jätehuollon biojäte 1000 32,5 29,3 293 325 Valion rehunanoretentaatti 11000 8,0 5,0 546 880 Maatalouslietteet 5000 3,6 2,5 127 178 Yhteensä/keskiarvo 46450 8,2 5,1 2257 2666 2.3.1 Biojätteiden ominaisuudet Biojätettä syntyy Pohjois-Savona alueella yhteensä hieman alle 10 000 t/a. Ylä-Savon alueella biojätettä syntyy puolestaan noin 1 000 t/a. Ylä-Savon alueella biojätteen määrän uskotaan pysyvän melko tasaisena myös tulevaisuudessa, mahdollisesti pientä lisäystä voi olla odotettavissa. Selvityksessä toimeksiantajat 7
toivoivat vertailua näiden kahden biojätemäärävaihtoehdon välille mm. siksi, että biojätteen käsittelyyn tarvittavat investoinnit biokaasulaitoksissa ovat huomattavan suuria. Hankkeessa toteutettiin määritys Ylä-Savon jätehuollon biojätenäytteestä. Tämän määrityksen tulos oli hieman matalampi kuin tässä selvityksessä käytetty arvo eli 28 % -TS ja 21 % -VS. Yksittäisen selvityksen tulosta ei käytetä kattamaan suuria biojätemassoja, joten biojätteiden kuiva-ainepitoisuus ja orgaanisen aineen ja kuiva-aineen suhde perustuu tässä tutkimuksessa MTT:n arvioihin tyypillisestä Suomalaisesta biojätteestä, jossa TS- % on 32,5 VS/TS-suhteeksi on määritelty 0,90. 2.3.2 Maatalouslietteen ominaisuudet Hankkeessa kartoitettiin kohtuullisella etäisyydellä Lapinlahden jätevedenpuhdistamosta olevia maatalouslantaa tuottavia yrityksiä. Yhteyshenkilönä oli Lapinlahden maataloussihteeri Mari Tabell-Kinnunen, joka arvioi että ainoa sopiva tila lähietäisyydellä biokaasulaitosyhteistyöhön olisi Emolandia Oy:n sikatila, joka sijaitsee alle 10 km etäisyydellä biokaasulaitoksesta. Tässä selvityksessä maatalouslietteen kohdalla on käytetty Emolandian tietoja, jotka on saatu toimitusjohtaja Jouko Lyyralta sekä Savonian koetoiminnassa. Emolandiasta syntyy sianlantaa vuodessa noin 5 000 m 3. Savonian toteuttaman kokeen perusteella lannassa on kuiva-ainetta 3,6 % ja orgaanista ainetta 2,5 %. Orgaanista ainetta lietteessä on tämän lähestulkoon saman verran kuin Kiuruveden jätevesilietteissä. Huomioitavaa on, että tulokset perustuvat yhdestä näytteestä tehtyihin kokeisiin ja käytännössä kuiva-ainepitoisuus voi vaihdella ajan kuluessa ja myös lietesäiliön eri osissa. Kyseinen näyte on otettu lietesäiliön pintaosasta. Näytteenoton aikaan lietesäiliötä sekoitettiin. 8
3 SYÖTTEIDEN ENERGIANTUOTTOPOTENTIAALIN MÄÄRITYS 3.1 Kokeet mobiililla biokaasulaitoksella Savonian liikuteltavalla eli mobiililla biokaasulaitoksella toteutettiin biokaasukoe, jossa syötteenä toimivat selvitysprojektin tilaajien toiveiden mukaan Lapinlahden, Iisalmen ja Kiuruveden jätevesilietteet. Koeasetelman syötteet olivat siis samat kuin ensimmäisessä skenaariossa. Toisessa reaktorissa toteutettiin mesofiilinen koe ja toisessa termofiilinen koe. Molempien reaktorien kaasuntuoton sekä metaanipitoisuuden määrää seurattiin jatkuvatoimisesti. Kuva 1: Mobiilin biokaasulaitoksen siirto Lapinlahden jätevedenpuhdistamolle Koska tiedossa oli, että syöteseoksen kuiva-ainepitoisuus on verrattain matala, kokeen hydraulinen viipymä (Hydraulic Retention Time, HRT) määritettiin sen pituiseksi, että kokeen orgaaninen kuorma (Organic Load Rate, OLR) pysyisi noin 2 kgvs/rm 3 d tasolla (R=reaktori). Viipymää edelleen laskemalla orgaaninen kuorma olisi saatu nostettua korkeammaksi, mutta toisaalta viipymää ei voi laskea liian matalaksi, koska silloin metaanintuotantoon osallistuvat bakteerit eivät ehdi lisääntyä riittävästi. Kokeen viipymä määritettiin näiden tietojen pohjalta 20 vuorokauden mittaiseksi ja orgaaninen kuormitus (OLR) 1,8 kg VS / Rm 3. Tämä suunnitelma pohjautui lähtötietoihin eri lietteiden kuiva-ainepitoisuuksista sekä Savonian laboratoriossa tehtyihin ensimmäisiin analyyseihin syötteiden VS/TS-suhteesta. Niiden perusteella lähtötiedoiksi orgaanisen aineen suhteen saatiin Lapinlahden lietteelle 1,24 %, Iisalmen kuivatulle lietteelle 15,69 % ja Kiuruveden kuivatulle lietteelle 9,52 % syötteen massasta. Käytännössä kuitenkin varsinkin Lapinlahden lietteen orgaanisen aineen määrä oli koejaksolla (vk 38 43) huomattavasti matalampi 9
kuin koesuunnittelun vaiheessa (vk 32 36). Orgaanisen aineen määrät eri viikoilla tehdyissä määrityksissä näkyy seuraavasta kuvasta. Koesuunnitteluvaiheessa tällainen muutos ei ollut ennakoitavissa. 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 32 36 37 38 39 40 41 42 43 VS-% viikon keskiarvo vk Kuva 2: Lapinlahden lietteen orgaanisen aineen määrät eri viikoilla Käytännössä reaktoriin syötettiin viikossa 649 kg Lapinlahden lietettä, 63,5 kg Iisalmen kuivattua jätevesilietettä ja Kiuruveden kuivattua jätevesilietettä 21,0 kg. Lapinlahden liete syötettiin aamulla pumpun avulla noin muutaman prosentin kuiva-ainepitoisuudessa (n. 1,8 % -TS), polymeerittömänä. Iisalmen ja Kiuruveden jätevesilietteet haettiin kerran viikossa puhdistamoilta kuivattuina ja syötettiin mobiiliin biokaasulaitokseen iltapäivisin ruuvikuljettimella. Edellä kuvatut syöttömäärät perustuivat lietteiden orgaanisen aineen jakautumiseen koesuunnitteluvaiheessa sekä lietteiden oletettuihin kuiva-ainepitoisuuksiin. Käytännössä kuitenkin syötettävien lietteiden kuiva-ainepitoisuudet sekä orgaanisen aineen pitoisuudet vaihtelivat viikkojen välillä. Seuraavissa taulukoissa kuvataan syötetyn orgaanisen aineksen määrät eri viikkoina mobiilikokeessa. Taulukko 5: Orgaanisen aineen syötöt kokeen aikana Syötteiden VS% Syöttessä orgaanista ainetta (kgvs/vk) Viikko Lapinlahti Iisalmi Kiuruvesi Lapinlahti Iisalmi Kiuruvesi Yhteensä 38 0,72 15,75 9,50 5,0 10,0 2,0 17,0 39 0,36 16,25 9,18 2,5 10,3 1,9 14,7 40 1,11 12,50 8,59 7,7 7,9 1,8 17,4 41 0,66 14,26 9,32 4,6 9,1 2,0 15,6 42 0,67 13,28 8,54 4,6 8,4 1,8 14,9 43 0,76 8,32 13,64 5,2 5,3 2,9 13,4 Keskiarvo 0,71 13,39 9,80 4,9 8,5 2,1 15,5 10
Kokeen intensiivisen jakson aikana lietteiden orgaanisen aineen pitoisuus oli siis selvästi koesuunnitteluvaiheessa määritettyjä pitoisuuksia matalampi. Lapinlahden lietteen VS-pitoisuus oli kokeessa noin 60 % koesuunnitteluvaiheen arvosta ja Iisalmen lietteen VS-pitoisuus noin 85 % koesuunnitteluvaiheen arvosta. Kiuruveden lietteen osalta koesuunnitelmavaiheen pitoisuus vastasi myös koko koetoiminnan ajan pitoisuuksia. Kokonaisuudessaan koetoiminnassa joka tapauksessa orgaanisen aineen kuormitus laski selvästi alemmas kuin oli suunniteltu. Orgaanisen aineen kuormitus oli käytännössä kokeen aikana 1,37 kgvs/rm 3. Mobiililla biokaasulaitoksella toteutettiin koe sekä mesofiilisessä lämpötilassa (35-38 o C) että termofiilisessä (55 o C) lämpötilassa. Varsinaiset kokeen tulokset ovat viikoilta 38 43, jolloin reaktorien massasta oli poistunut ymppi ja se ei voinut vaikuttaa enää koetuloksiin. Seuraavassa taulukossa on kuvattu metaanintuotantomäärät mobiilissa biokaasulaitoksessa kokeen aikana. 120,0 100,0 m3 CH4/tVS 80,0 60,0 40,0 Termo Meso 20,0 0,0 37 38 39 40 41 42 43 44 Viikko Kuva 3. Metaanintuotto kokeen aikana mobiililaitoksessa Mobiililla biokaasulaitoksella toteutetuissa kokeissa keskimääräinen metaanintuotto oli mesofiiliprosessissa 43 m 3 CH 4 /tvs ja termofiiliprosessissa 85 m 3 CH 4 /tvs. Termofiiliprosessi tuotti siis metaania noin kaksi kertaa enemmän kuin mesofiiliprosessi. Molemmat kaasuntuotot ovat hyvin pienet verrattuna tyypilliseen jätevesilietteiden biokaasuntuotantopotentiaaliin. Matalaan kaasuntuottoon syynä on todennäköisesti kohtuullisen lyhyt viipymäaika sekä ennen kaikkea syötteiden matala orgaanien kuormitus. Matala orgaaninen kuormitus yhdistettynä lyhyehköön viipymäaikaan aiheuttaa sen, että metaanintuottajabakteerit eivät ehdi välttämättä kasvaa riittävästi ennen kuin ne huuhtoutuvat pois prosessista. Mikäli viipymää kasvattaisi, samalla myös orgaaninen kuormitus laskisi edelleen. Käytännössä siis skenaarion 1 mukaisilla syötteillä biokaasuprosessi ei toimi optimaalisesti, mikäli orgaanista kuormitusta ei saada nostet- 11
tua edelleen. Tämä vaatisi lietteiden tehokkaampaa kuivaamista. Huomioitavaa on, että kokeessa Lapinlahden lietteen kuiva-ainepitoisuus oli keskimäärin 1,8 % kun se voisi käytännössä olla noin 5 % tasoa. Tämä saattaisi korjata tilannetta. Tällöin kuitenkin lietteen kuivaukseen käytetyt polymeerit mahdollisesti inhiboisivat jonkin verran kaasuntuottoa. Vertailtaessa meso- ja termofiilista prosessia, mobiilikokeen perusteella näyttää vahvasti, että termofiiliprosessin hajottaa orgaanista ainetta paremmin kuin mesofiilinen prosessi, kun orgaaninen kuormitus on matala. Korkeamman orgaanisen kuormituksen hajotuksesta ei ole tämän selvityksen osalta tietoa. Tyypillisesti termofiilinen prosessi tuottaa kuitenkin hieman enemmän kaasua kuin mesofiilinen prosessi. Se voi siis olla varteenotettava vaihtoehto myös tässä tapauksessa. Tästä huolimatta lähtökohtana kaikkien skenaarioiden energiapotentiaalin määrityksessä on mesofiilinen prosessi, koska siitä on parhaiten tietoa tarjolla. Mikäli kaasuntuotto on laitoksella kannattavaa mesofiilisena, on samalla laitteistolla mahdollista testata myöhemmin myös termofiilistä metaanintuotantoa nostamalla lämpötilaa korkeammaksi. 3.2 Panoskokeet laboratoriossa Laboratoriossa toteutettiin panoskokeita lämpökaapissa 5 litran panospulloissa mesofiilisessä lämpötilassa kaikista potentiaalisista syötejakeista sekä lisäksi eri syötteiden seoksista. Kaasu kerättiin pusseihin ja sen määrä ja koostumus määritettiin laboratorion laitteistoilla. Seuraavassa kuvassa näkyy panoskokeiden koejärjestely ja sen alla olevasta taulukosta löytyy panoskokeiden tulokset. Kuva 4: Biokaasupanoskokeet Savonian laboratoriossa 12
Taulukko 6: Panoskokeiden tulokset m3ch4/ Näyte TS VS VS/TS tfm tts tvs Lapinlahden jätevesiliete 1,53 0,75 0,49 1,8 127 264 Lapinlahden jätevesiliete (polymeeri) 6,50 3,67 0,56 8,1 119 209 Iisalmen jätevesiliete, kuivattu 14,52 10,69 0,74 24,6 156 207 Kiuruveden jätevesiliete, kuivattu 14,78 9,18 0,62 16,6 112 180 Ylä-Savon jätehuollon biojäte 27,25 20,89 0,77 81,1 283 363 Rehunanoretentaatti 6,02 3,7 0,61 - - - Rehuhera 5,06 3,82 0,75 - - - Emolandian sianlanta 3,56 2,53 0,71 11,5 379 434 Seos (jätevesilietteet, RNR, biojäte) 5,5-260 Selitteet: TS = kuiva-aine VS = orgaaninen aine VS/TS = orgaanista ainetta kuiva-aineesta m3 CH4 = kuutiota metaania /tfm = tonnia märkää massaa kohti /tts = tonnia kuiva-ainetta kohti /tvs = tonnia orgaanista ainetta kohti Huomioita panoskokeiden tuloksista: - Jätevesilietteistä metaania tuotti parhaiten Lapinlahden jätevesiliete, jota ei ollut kuivattu. Polymeerikuivaus vähensi sen kaasuntuottoa noin 20 %. Iisalmen ja Kiuruveden jätevesilietteiden metaanintuotto oli pienempää johtuen siitä, että kuivauksessa rejektiveteen on jäänyt orgaanista materiaalia. - Ylä-Savon jätehuollon biojätteen kaasuntuotto oli normaalia tasoa. Sen sisältämän epäorgaanisen kuiva-aineen määrä oli keskimääräistä suurempi. Huomioitavaa on, että tulos perustuu yhteen yksittäiseen näytteeseen. - Valion rehunanoretentaatti ja rehuhera eivät tuottaneen panoskokeissa kaasua. Yhtenä syynä tähän on materiaalien matala ph, mutta myös niiden suolapitoisuudella voi olla vaikutusta asiaan. Tämän koetuloksen perusteella päätettiin toteuttaa seoskokeita, joissa olisi mukana rehunanoretentaattia. - Emolandian sianlanta tuotti orgaanista ainetta kohti hyvin metaania. Toisaalta sen kuivaainepitoisuus oli suhteellisen matala. - Seoskokeessa koepulloihin laitettiin jätevesilietteitä, rehunanoretentaattia sekä biojätettä. Odotettavissa olisi voinut olla korkeampi kaasuntuotto lisätyn biojätteen takia. 3.3 Kokeet jatkuvatoimisilla laboratorioreaktoreilla Jatkuvatoimisilla biokaasureaktoreilla pyrittiin selvittämään Valion rehunanoretentaatin kaasuuntuvuutta yhdessä jätevesilietteiden kanssa. Seuraavassa kuvassa on jatkuvatoimisten laboratoriokokeiden koelaitteisto. Laitteistoon kuuluu kotelon alla neljä sekoitettavaa ja lämmitettävää noin 10 l lasista reaktoria. 13
Kuva 5: Jatkuvatoimiset biokaasureaktorit Kahteen jatkuvatoimiseen reaktoriin syötettiin jätevesilietteitä sekä rehunanoretentaattia ja kahteen jätevesilietteitä ja rehunanoretentaatin sijasta vettä. Syöttö ja vanhan materiaalin poisto tapahtui kolmena päivänä viikossa. Viipymä ja orgaaninen kuormitus olivat, 20 päivää ja 1,0 kg VS/Rm 3. Koe oli mesofiilinen. Seuraavassa taulukossa on esitetty metaanintuotanto kaikissa neljässä reaktorissa kokeen aikana. 400,00 350,00 300,00 Nm3 CH4 / tvs 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 R1, liete+rnr R2, liete+rnr R3, liete R4, liete 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 Kuva 6: Metaanintuotto jatkuvatoimisessa laboratoriobiokaasureaktorissa 14
Vain jätevesilietteellä syötettyjen reaktorien (3 ja 4) kaasuntuotto oli kokeen kahden ensimmäisen viikon eli ympin vaikutuksen poistumisen jälkeen keskimäärän vain noin 70 Nm 3 CH 4 /tvs. Rehunanorententaattia sisältävät reaktorit tuottivat samalla aikavälillä keskimäärin 209 Nm 3 CH 4 /tvs. Kokeen aikana rehunanoretentaattia sisältävien reaktoreiden rikkivetypitoisuus kohosi jatkuvasti ja se saavutti yli 200 ppm tason noin seitsemän viikkoa kokeen aloittamisen jälkeen. Tämä on mittarin maksimitaso, joten tarkkaa rikkivedyn määrää tämän jälkeen ei tiedetä. Noin 200 ppm taso ei ole vielä hälyttävä biokaasutuksen näkökulmasta. Pelkkää lietettä sisältävissä reaktoreissa rikkivedyn pitoisuus oli korkeimmillaan 8 ppm. Kokeen tulosten perusteella on varovasti arvioitu rehunanoretentaatin metaanintuottopotentiaaliksi 80 CH 4 /tvs. Tämän syötteen käyttäminen vaatisi kuitenkin lisätutkimuksia laboratoriossa, mikäli se nähtäisiin oleellisena syötteenä biokaasulaitokseen. 3.4 Yhteenveto koetuloksista Mobiilikokeessa saavutettujen kaasuntuottojen suhteen on syytä olla varovainen, vaikka sen perusteella termofiiliprosessi tuotti noin kaksinkertaisen määrän kaasua mesofiiliprosessiin verrattuna. Molemmat reaktorit tuottivat selvästä odotettua vähemmän kaasua kokeessa ja laboratorion panoskokeet poikkesivat näistä tuloksista huomattavasti. Jatkuvatoimisessa laboratoriokokeessa tosin myös mesofiilisessä prosessissa kaasuntuotto jätevesilietteiden seoksella jäi hyvin matalaksi. Näiden tulosten perusteella voidaan todeta, että syöteseoksen orgaaninen kuormitus on oltava korkeampi kuin 1,4 kgvs/rm 3 d. Panoskokeiden kaasuntuottotulokset vastaavat kirjallisuudessa annettuja arvoja jätevesilietteiden osalta. Myös biojätteen ja sianlannan kaasuntuotto orgaanista ainetta kohti on kirjallisuusarvojen rajoissa. Ainoastaan rehunanoretentaatti ei tuottanut kaasua panoskokeissa. Kyseessä on todennäköisesti ph-inhibitio. Muiden syötteiden kanssa yhteiskäsittelyssä materiaali tuottaa biokaasua. Sen soveltuvuuden kannalta lisätutkimus voisi olla tarpeellista. 3.5 Energiantuottopotentiaalit Energiantuottopotentiaalien laskennassa on hyödynnetty panoskokeiden arvoja jätevesilietteiden ja sianlannan osalta ja jatkuvatoimisen kokeen tulosta rehunanorentaatin osalta. Biojätteen osalta on hyödynnetty kirjallisuusarvoja. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto eri skenaarioiden energiantuottopotentiaaleista edellä mainittujen lähtöarvojen perusteella. Yhden metaanikuution on laskettu sisältävän energiaa noin 10 kwh. 15
Taulukko 7: Energiantuottomäärät Savonian kokeiden perusteella Lämpö (43%) Sähkö (40%) Sken Määrä (t/a) TS (%) VS (%) m3ch4/tvs m3ch4/a MWh/a 1 29 450 8,3 4,8 215 304 815 3 048 1 311 1 219 2 40 450 8,2 4,9 177 348 463 3 485 1 498 1 394 3 59 450 11,3 8,4 290 1 456 314 14 563 6 262 5 825 4 46 450 8,2 5,1 206 465 463 4 655 2 001 1 862 1* 33 580 7,2 4,2 134 379 461 3 795 1 632 1 518 1*: Iisalmen jätevesiliete kuljetettu osittain kuivattuna. Laitosinvestoinnin kustannuksia selvitettiin hankkeen aikana pyytämällä biokaasulaitosten toimittajilta budjettitarjouksia Lapinlahden biokaasulaitoksen neljästä eri skenaariosta. Budjettitarjous on kohteeseen räätälöity tarjous, joka ei kuitenkaan ole sitova, mutta sen perusteella voidaan kuitenkin määritellä laitoksen kustannuksia pääpiirteittäin. Tähän selvitykseen saatiin vain yksi budjettitarjous (17.2.2012), johon kohdassa 5 esitetyt laitosinvestoinnin kulut nojautuvat. Samassa budjettitarjouksessa esitettiin myös kaasuntuottomääriä eri skenaarioille. Ne olivat huomattavasti suurempia arvioita kuin koetoiminnan ja kirjallisuuden perusteella voidaan todeta. Budjettitarjoajan kaasuntuottoarviot olivat seuraavat: Taulukko 8: Energiantuotto budjettitarjouksen mukaan Skenaario Energiaa, MWh/a Lämpö (44 %), MWh/a Sähkö (40 %), MWh/a Budjettitarjoajan tulokset/savonian tulokset 1 5 900 2 600 2 300 1,5 2 9 300 4 000 3 700 2,4 3 19 000 8200 7 600 1,4 4 11 000 4800 4 400 2,3 Budjettitarjouksessa on käytetty metaanintuottopotentiaalina jätevesilietteelle 385 m3 CH4 / tvs ja rehunanorentaatille 453 m3 CH4 / tvs. Nämä on koetoiminnassa saatuja tuloksia selvästi suurempia kaasuntuottomääriä. Rehunanoretentaatin osalta syntymäärää on tarkennettu budjettitarjouksen jälkeen ja sen orgaanisen aineen määrä on vähentynyt budjettitarjoukseen verraten 220 t/a. Budjettitarjouksessa tämä vastaisi noin 1000 MWh:n energiatuotannon vähenemää. Käytännössä koetoiminnan arvot ovat todennäköisesti lähempänä todellisuutta, mutta ne voivat olla myös kaasuntuoton alarajalla, koska yleensä eri materiaalien yhteiskäsittely nostaa kaasuntuottoa. Lisäksi biokaasulaitoksessa ennen reaktoria tehtävä lietteen hygienisointi lisää kaasuntuottoa, mikä voi osaltaan vaikuttaa myös tarjouksen korkeaan metaanipotentiaaliin. Budjettitarjouksen mukaan laitos käyttää itse sähköstä 20 % ja lämmöstä 40 % kaikissa skenaarioissa. Lämmönvaihtimien oikeanlainen mitoittaminen on oleellisen tärkeää laitoksen tehokkaan toiminnan takaamiseksi. Käytännön tasolla parhaiden operointitapojen etsiminen voi vähentää laitoksen omaa lämmöntarvetta. 16
4 KÄSITTELYJÄÄNNÖKSEN HYÖTYKÄYTTÖMAHDOLLISUUDET 4.1 Käsittelyjäännöksen määrät eri skenaarioissa Biokaasuprosessista poistuvan käsittelyjäännöksen määrä on oleellinen osa laitoksen toimintaa, koska kyseiselle materiaalille tulee löytää jokin sijoituskohde. Parhaillaan jäännöstä voidaan hyödyntää lannoitteena tai maanparannusaineena viljelyssä. Seuraavassa taulukossa kuvataan eri skenaarioista muodostuvan käsittelyjäännöksen ja rejektiveden määrät. Taulukko 9: Käsittelyjäännösten määrät eri skenaarioissa Skenaario Syötettä (t) TS % TS syötteessä (t) TS jäännöksessä* (t) Jäännöstä (t) Kuiva-jaetta** (t) Märkää jaetta (t) 1 29 450 8,3 2 432 1 459 28 477 8 582 19 896 2 40 450 8,2 3 312 1 987 39 125 11 688 27 438 4 46 450 8,2 3 815 1 526 44 161 8 975 35 186 3 59 450 11,3 6 740 2 696 55 406 15 858 39 549 1*** 33 580 7,2 2 431 1 459 32 607 8 582 24 026 * 60 % kuiva-aineesta, skenaarioissa 3 ja 4, 40 % kuiva-aineesta ** kuiva-ainepitoisuus 17 % *** Iisalmen liete osittain kuivattu Lähtökohtana on, että biokaasulaitoksesta poistuva jäännös ohjataan kuivauslingoille. Kuivauksen tehokkuudeksi on Kemiran kanssa yhdessä määritetty noin 17 % kuiva-ainepitoisuus. Tämä on keskimääräistä matalampi arvio kuivaustuloksesta ja se perustuu syötteiden ominaisuuksiin. Kuivan käsittelyjäännöksen ja märän jakeen eli rejektiveden määrät on laskettu olettaen, että syötteiden sisältämästä kuiva-aineesta poistuu prosessissa noin 40 % skenaarioissa 1 ja 2 ja noin 60 % skenaarioissa 3 ja 4. 4.2 Käsittelyjäännöksen laatu Selvityksessä tutkitiin mobiilikokeesta saadun käsittelyjäännöksen laatua. Lietettä yritettiin kuivata pienikokoisella lingolla sekä suodattamalla, mutta kuivatus näillä menetelmillä ei toiminut, joten lietteet toimitettiin tutkittaviksi märkinä. Liete tutkittiin Viljavuuspalvelu Oy:ssä ja tuloksia kommentoi MTT. Seuraavassa taulukossa on kokeen keskeiset tulokset. 17
Taulukko 10: Mobiilikokeen mesofiilisen ja termofiilisen prosessin keskimääräiset käsittelyjäännösten ominaisuudet Ominaisuus Yksikkö Mesofiiliprosessi Termofiiliprosessi TS % 1,60 1,83 VS % 0,76 0,81 VS/TS - 0,47 0,44 Johtokyky ms/m 163 156 ph - 7,88 7,68 Kokonaistyppi g/kg TS 77,3 67,3 Vesiliukoinen typpi g/kg TS 42,9 31,5 Ammoniumtyppi g/kg TS 43,5 30,9 Kokonaisfosfori g/kg TS 45,7 48,2 Vesiliukoinen fosfori g/kg TS 0,84 0,31 Kokonaiskalium g/kg TS 26,0 24,3 Kokonaistyppi kg/m 3 1,28 1,23 Vesiliukoinen typpi kg/m 3 0,69 0,57 Ammoniumtyppi kg/m 3 0,70 0,57 Kokonaisfosfori kg/m 3 0,75 0,90 Vesiliukoinen fosfori kg/m 3 0,014 0,0056 Kokonaiskalium kg/m 3 0,43 0,45 Tulosten perusteella molemmat prosessit tuottavat varsin samanlaatuista käsittelyjäännöstä. Termofiiliprosessin kuiva-ainepitoisuuden lievästi korkeampi ja VS/TS-suhteen lievästi alhaisempi arvo tukevat käsitystä, että lietteiden hajoaminen termofiiliprosessissa on joissain määrin mesofiiliprosessia tehokkaampaa. Kokonaisfosforin ja vesiliukoisen fosforin suhde on hyvin alhainen. Jätevesien käsittelyssä yleisesti käytetyt saostuskemikaalit sitovat fosforin tiukasti liukenemattomiin muotoihin, mikä tekee fosforista kasveille vain osittain käyttökelpoisen. Peltolevityksen kannalta ravinnepitoisuudet ovat melko alhaisia ja johtavat varsin korkeisiin levitysmääriin peltohehtaaria kohti. Erityisen haasteelliseksi osoittautuisi typen osuus, koska typpi on viljelijän kannalta tärkein ravinne. Sen määrä maksimoimalla saadaan tehokkain kasvuvaste viljellylle kasville. Luultavammin edellä kuvatulla jäännöksellä lannoittamisen lisäksi tarvittaisiin typpitäydennystä väkilannoitteilla. Käytännössä kyseisen materiaalin levittäminen märkänä olisi epätodennäköistä. Kuivattuna typpipitoisuus materiaalissa laskee yleensä edelleen, koska osa typestä päätyy kuivauksessa rejektiveteen. Tällöin lannoiteominaisuudet heikkenevät entisestään. Hyvin todennäköisesti ravinnepitoisuudet olisivat korkeammat skenaariossa 3 ja 4, kun mukana olisi myös biojätettä. Näitä pitoisuuksia ei määritetty tässä selvityksessä. 18
4.3 Käsittelyjäännöksen levittäminen Mikäli käsittelyjäännöstä hyödynnettäisiin lannoitteena tai maanparanteena maataloudessa, kustannusten kannalta järkevintä olisi levittää kuivattu jäännös mahdollisimman lähelle biokaasulaitosta. Kemira on toteuttanut vuonna 2010 selvityksen liittyen Lapinlahden lietteen hyödyntämisestä maataloudessa. Siinä tarkastellaan Lapinlahden, Iisalmen, Nilsiän, Siilinjärven, Maaningan, Tervon ja Pielaveden alueen maataloutta ja peltohehtaareja. Huomattavaa on, että tällä alueella on runsaasti lietelantaa tuottavaa karjataloutta, joka kilpailisi osittain samoista peltohehtaareista biokaasulaitoksen jäännöksen kanssa. Kemiran raportin mukaan edellä mainittujen kuntien alueelta löytyy noin 60 600 hehtaaria viljeltyä peltoalaa. Osaa tästä peltoalasta lannoitetaan karjanlannalla, mutta Kemiran raportin mukaan karjanlantaa ei muodostu niin paljon, että niitä riittäisi lannoitteiksi kaikille viljelytiloille. Yli 10 % eli yli 6 000 ha pelloista arvioidaan olevan tällaisia. Raportin arviot perustuvat em. kuntien maataloussihteerien haastatteluihin. Näille peltohehtaareille biokaasulaitoksen käsittelyjäännöksen käyttö olisi mahdollista siltä osin kuin pelloilla viljellään viljaa tai energiakasveja tai muita sellaisia kasveja, joita ei käytetä ihmisen ravinnoksi tai eläimen rehuksi. 19
5 KUSTANNUS-HYÖTY ANALYYSIN LÄHTÖARVOT 5.1 Laitosinvestointi Laitosinvestoinnin kustannuksia selvitettiin hankkeen aikana pyytämällä biokaasulaitosten toimittajilta budjettitarjouksia Lapinlahden biokaasulaitoksen neljästä eri skenaariosta, kuten luvussa 3.4 on kerrottu. Budjettitarjouksen mukaiset skenaarioiden 1-4 laitosinvestointien kustannukset on esitetty seuraavassa taulukossa. Ainoastaan skenaario 2 (kaasu) on laskettu itse, vähentämällä skenaariosta 2 CHP-laitteiston (0,53 mijl. ) hinta pois. Nämä investointikustannukset käytiin läpi hankkeen ohjausryhmässä 24.2.2012 ja todettiin, että niitä voidaan käyttää kannattavuuslaskelmien lähtöarvoina. Taulukko 11: Laitosinvestoinnin kustannukset eri skenaarioissa Skenaario Laitosinvestointi budjettitarjouksen mukaan 1 4,1 milj. 2 4,6 milj. 2 (kaasu) 4,07 milj. 3 6,1 milj. 4 5,3 milj. Kannattavuuslaskelmissa oheiset investointikustannukset on jaettu ohjausryhmässä sovitun mukaisesti annuiteettimenetelmää käyttämällä 10 vuoden ajalle, 5 % korolla. Korkotason selvittämiseksi on haastateltu Elinkeinoelämän Keskusliiton rahoitusasiantuntijaa, jonka mukaan korkojen nousuun on hyvä varautua, vaikka 5 % korkotaso on nykytilanteeseen nähden korkea. Budjettitarjoajan mukaan biokaasulaitoksen käyttöikä on noin 20 30 vuotta, joka pohjautuu pitkälti biokaasureaktorin käyttöikään. 5.2 Kiinteät kustannukset Kiinteät kustannukset eli vuosittaiset ylläpitokustannukset koostuvat laitteistokustannuksista (huolto ja uusiminen), henkilöstökustannuksista sekä muista kiinteistä ylläpitokustannuksista. Budjettitarjoajan kokemuksen mukaan kiinteisiin kustannuksiin kuluu vuosittain noin 9 % investoinnin suuruudesta. 20
5.2.1 Henkilöstökustannukset Biokaasulaitoksen henkilöstökustannukset riippuvat tarvittavan henkilöstön määrästä. Tähän vaikuttaa laitoksella käsiteltävät syötteet, joista varsinkin biojätteen esikäsittelyllä on työllistävä vaikutus. Henkilöstömäärän kartoituksessa Lapinlahden biokaasulaitoksen eri skenaarioihin on käytetty hyödyksi eri asiantuntijoita. Vahva painotus on budjettitarjoajan arviossa, joka on noin 3-4 henkilöä laitostyypistä riippuen. Tässä selvityksessä laitoksen ylläpitämiseen on oletettu tarvittavan seuraavat henkilöstömäärät seuraavilla vuosikustannuksilla: Skenaariot 1 ja 2: Taulukko 12: Henkilöstön määrä skenaarioissa 1 ja 2 Henkilöstöryhmä Tehtävät Lkm Vuotuinen kokonaiskustannus / hlö Toimihenkilöt Toimitusjohtaja, tuotantopäällikkö, 1,5 50.000 myynti, tuotekehitys, ostot ja logistiikka Laitosmiehet tuotanto, päivystysvalmius 2 60.000 24x7 Yhteensä 3,5 195 000 Skenaariossa 2 (kaasu) oletetaan selvittävän 1,4 toimihenkilöllä ja 1,4 laitosmiehellä, koska tällöin paljon työtä vaativan CHP-laitteiston huoltoa ei ole. Skenaariot 3 ja 4: Taulukko 13: Henkilöstön määrä skenaarioissa 3 ja 4 Henkilöstöryhmä Tehtävät Lkm Vuotuinen kokonaiskustannus / hlö Toimihenkilöt Toimitusjohtaja, tuotantopäällikkö, 2 50.000 myynti, tuotekehitys, ostot ja logistiikka Laitosmiehet tuotanto (biojätteen käsittely 3 60.000 nostaa työntekijätarvetta), päivystysvalmius 24x7 Yhteensä 5 280 000 Biokaasulaitoksen toimihenkilöiden työnjaossa lähtökohtana on, että toinen heistä on yhtiön toimitusjohtaja / tuotantopäällikkö ja toinen tekninen toimihenkilö, jonka vastuulla on teknisen toiminnan kehittämisen ja parantamisen lisäksi toimitusjohtajan / tuotantopäällikön lomien sijaisena toimiminen sekä osallistumi- 21
nen tuotannollisiin tehtäviin laitosmiesten lomien aikana. Yhden toimihenkilön palkkakustannuksen sivukuluineen oletetaan olevan 50.000 /v ja 24x7-päivystyskierrossa olevan laitosmiehen 60.000 /v. Nämä palkkakustannukset ovat suuremmat kuin budjettitarjoajan kokemuksen mukaiset kustannukset, mikä nostaa vuosittaisia ylläpitokustannuksista selvityksen laskelmissa. Mahdollisen yhteispäivystyksen tuoma kustannussäästö on huomioitava laitoshankkeen edetessä. Lapinlahden kunnan päivystysjärjestelyt ovat muuttuneet vesihuollon yhtiöittämisen myötä niin, ettei yhteispäivystys onnistu kunnan osalta järkevällä tavalla. Savon Voimalla on sen sijaan alustavasti myönteinen kanta yhteispäivystykseen, mutta tämä vaatii yksityiskohtien tarkentamista. Kemira Operonilla on yhteispäivystyskokemusta useammasta kohteesta ja tämä on osoittautunut toimivaksi ja kustannustehokkaaksi ratkaisuksi. 5.2.2 Muut kiinteät kustannukset Muut kiinteät kustannukset on arvioitu eri skenaarioissa vuositasolla seuraavasti: Taulukko 14: Muut kiinteät kustannukset Kustannuslaji 1 2 3 4 Tonttivuokra 600 600 600 600 Laitevuokrat 2 500 2 500 4 000 4 000 Kiinteistön sähkö 10 000 10 000 10 000 10 000 Kiinteistön lämpö 2 500 2 500 2 500 2 500 Kiinteistön vesi 5 500 5 500 7 000 7 000 Urakointipalvelut, esim. lumityöt 12 500 12 500 12 500 12 500 Posti, puhelin, tietoliikenne 6 000 6 000 8 000 8 000 Käyttötarvikkeet 10 000 10 000 12 000 12 000 Kirjanpito, pankki, lakipalvelut 14 000 14 000 17 000 17 000 Luvat ja muut viranomaismaksut 5 000 5 000 5 000 5 000 Vakuutukset 18 000 18 000 18 000 18 000 Matkakulut 9 000 9 000 12 000 12 000 Markkinointi, edustus 9 000 9 000 9 000 9 000 Koulutus 5 000 5 000 5 000 5 000 Muut ostetut palvelut 25 000 25 000 25 000 25 000 Kiinteät kunnossapitokulut 15 000 15 000 15 000 15 000 Muut kiinteät kulut 9 000 9 000 9 000 9 000 Yhteensä 158 600 158 600 171 600 171 600 22
5.2.3 Laitteistokustannukset ja yhteenveto kiinteistä kustannuksista Edellä esitettyjen lukujen ja budjettitarjoajan ilmoittamien tietojen avulla on laskettu vuotuiset laitteistokustannukset, jotka on esitetty seuraavassa taulukossa. Taulukkoon on koottu myös yhteenveto kaikista kiinteistä kustannuksista, joita verrataan budjettitarjoajan arvioon kiinteistä kustannuksista. Selvityksessä arvioidut kiinteät kustannukset ovat yllä olevan perusteella 1,18 1,31-kertaiset verrattuna budjettitarjoajan ilmoittamaan arvioon. Taulukko 15: Yhteenveto kustannuksista eri skenaarioissa Skenaario Henkilöstö Laitteet Muut kiinteät Selvityksen arvio, yhteensä 1 195 000 80 400 158 600 434 000 Budjettitarjoajan arvio, yhteensä 2 195 000 125 400 158 600 479 000 414 000 2 (kaasu) 154 000 77 700 158 600 390 300 366 300 3 280 000 247 400 171 600 699 000 549 000 4 280 000 175 400 171 600 627 000 477 000 5.3 Muuttuvat kustannukset 5.3.1 Syötteiden kuljetus Syötteiden kuljetuksen osalta biokaasulaitokselle oletetaan koituvan kustannuksia vain Iisalmen ja Kiuruveden jätevesilietteiden osalta. Muut syötteet eli biojätteet ja lannan, kuljettavat niiden tuottajat eli jäteyhtiöt ja maatila(t). Ne siis järjestävät kuljetukset ja kattavat myös niiden kustannukset. Valion liete kuljetettaisiin todennäköisesti putkea pitkin, joten sen kuljetuskustannuksia ei ole tässä huomioitu. Iisalmen ja Kiuruveden jätevesilietteiden kuljetuskustannukset on arvioitu seuraavassa taulukossa. Taulukko 16: Jätevesilietteiden kuljetuskustannukset Syötteet Massa Matka Kuorma Nopeus Lastaus ja Taksa Kustannus Kustannus Kustannus t km t km/h purku h /h /a /t /t/km Iisalmen liete 5 000 56 30 60 1,25 60 21 000 4,20 0,08 Kiuruveden liete 1 500 131,4 30 60 1,25 60 10 320 6,88 0,05 23
Iisalmen jätevesilietteen osalta vertailtiin, kannattaisiko sitä kuljettaa biokaasulaitokseen vain osittain kuivattuna (vertaa liitteet 1a ja 1b). Tämä vertailu suoritetaan Skenaario 1:n osalta ja se antaa viitteitä tämän vaihtoehdon vaikutuksesta biokaasulaitoksen vuotuiseen tulokseen. Seuraavan kaavion mukaan lietteen toimittaminen osittain kuivattuna olisi kannattavampaa kuin kuivaaminen loppuun saakka. Oletuksena on, että Skenaariossa 1 saatava biokaasun määrä olisi noin 30 % enemmän. Tällöin lisäenergiasta saatava tulojen lisäys peittäisi lisääntyneet kuljetuskustannukset. Tämä vaihtoehto tulisi kuitenkin testata erillisissä laboratoriokokeissa kaasumäärän varmistamiseksi. 30 000 20 000 10 000 0 Kuivattu (TS 21 %) Puolikuivattu (TS 11,5%) Kuva 7: Kuivatun ja osittain kuivatun lietteen kuljetuksen kannattavuus 5.3.2 Prosessin ostoenergia Prosessiin kannattaa ostaa sähköenergiaa, koska laitos saa kaikesta myymästään sähköstä ostohintaa korkeampaa, syöttötariffilla tuettua, myyntituloa. Biokaasulaitoksen sähkönostosta koituvat kulut olisivat seuraavat: - Sähkön ostohinta 50 /MWh (Savon Voima, Heikki Kammonen) - Sähkön siirtohinta ostettaessa (Savon Voima, Eero Paananen): - Skenaario 1: 48 /MWh - Skenaario 2: 44 /MWh - Skenaario 3: 42 /MWh Mikäli biokaasulaitos myy kaiken tuottamansa biokaasun Savon Voimalle ja ostaa lämmön Savon Voimalta, olisi lämmön ostohinta: 45,00 /MWh (Savon Voima, Martti Heikkinen) 24
5.3.3 Käsittelyjäännöksen kuljetus Oletuksena on, että kiinteä käsittelyjäännös luovutetaan ilmaiseksi vastaanottajalle ja toimitetaan laitoksen kustannuksella sopivalla säteellä sijaitsevaan hyödyntämiskohteeseen. Myyntituloa ei näin ollen oleteta käsittelyjäännökselle, vaan siitä aiheutuu kustannuksia. Käsittelyjäännöksen hyötykäyttöön kuljettamisen kustannuksia on arvioitu hankkeen ohjausryhmässä Kemira Operonin toimittamien kokemusperäisten tietojen pohjalta seuraavasti: - Skenaarioissa 1 ja 2 kuivan käsittelyjäännöksen poistoimittaminen maksaisi biokaasulaitokselle 10 /t. - Skenaarioissa 3 ja 4 kustannus olisi 15 /t, koska kuivan jäännösmateriaalin määrä kasvaa (kaksinkertaistuu) ja samalla tarvitaan suurempi alue jäännöksen lannoitekäyttöä varten. MTT:n asiantuntija-arvion sekä budjettitarjoajan arvion mukaan käsittelykustannukset olisivat hieman näitä arvioita matalampia. Varmuuden vuoksi tässä selvityksessä on kuitenkin tukeuduttu korkeampiin arvioihin. 5.3.4 Rejektiveden käsittely Puhdistamolietepohjaista rejektivettä ei voi toimittaa peltoon, joten on selkeintä toimittaa jätevedenpuhdistamolle käsiteltäväksi. Biokaasulaitoksen rejektiveden vastaanottohinnat on Kemira Operon arvioinut (Paulo Päivinen) seuraavasti: - Skenaario 1: 4 /t Ei aiheuta investointeja puhdistamolla. - Skenaario 2: 6 /t Ravinnetasapaino rajalla: Voi vaatia puhdistamoinvestointeja. - Skenaario 3: 15 /t Vaatii merkittäviä lisäinvestointeja puhdistamolla. Äärimmäisessä tilanteessa kustannus voi olla jopa 20 /t, jos ravinnepitoisuudet ovat erittäin korkeat. - Skenaario 4: 9 /t Vaatii lisäinvestointeja puhdistamolla. 5.4 Biokaasulaitoksen tulot 5.4.1 Porttimaksut Perushinnat: - puhdistamolietteelle 43,50 50 /t riippuen kuljetusmatkasta (Kiuruvedellä korkein, Lapinlahdella matalin). - Valion rehunanoretentaatille 20 /t (sama kuin kipuraja, ks. jäljempänä). - sianlannalle 0 /t (yleisesti ajatellaan, ettei maatalouden lietteistä ole saatavissa porttimaksua). - biojätteelle 50 /t (Ylä-Savon Jätehuolto, Risto Kauhanen). 25
Kipurajat eli selvitystilanteessa korkeimmat mahdolliset hinnat: - Puhdistamoliete: - Lapinlahti 75 /t (Lapinlahden kunta, Eero Mykkänen) - Iisalmi 60 /t (Iisalmen Vesi, Vilho Partanen) - Kiuruvesi 45 /t (Kiuruveden kaupunki, Arto Karoluoto) - Valion rehunanoretentaatti: 20 /t (Valion Lapinlahden tehdas, Reino Sonninen). - Sianlanta: 0 /t (ks. perustelu ylempänä). - Biojäte: 60 /t (Ylä-Savon Jätehuolto, Risto Kauhanen). Lopuksi selvityksessä määriteltiin puhdistamolietteiden osalta sellaiset porttimaksut, joilla biokaasulaitoksen vuosittainen tulos on hieman positiivinen. Nämä esitetään kustannus-hyötyanalyysin tuloksissa luvussa 6. 5.4.2 Myytävä energia Sähkölle on saatavana syöttötariffi, jonka taso on 133,50 /MWh kun kyse on yhdistetystä sähkön- ja lämmöntuotannosta ja laitoksen kokonaishyötysuhde on vähintään 50 %. Tariffia maksetaan 12 vuoden ajan siitä alkaen, kun laitos aloittaa toimintansa. (Suullinen tiedonanto ylitarkastaja Pekka Grönlundilta, Työ- ja elinkeinoministeriön Energiaosaston Uusiutuvan energian ryhmästä helmikuussa 2012). Koska syöttötariffin ansiosta sähköstä saadaan korkea hinta, on laskelmissa oletettu, että kaikki laitoksen tuottama sähkö myydään ja vastaavasti laitos ostaa kaiken tarvitsemansa sähkön ulkopuolelta. Lämmön myyntihintana Lapinlahden tapauksessa on käytetty Savon Voiman ilmoittamaa arviota 40 /MWh. Laitos myisi sen lämpöenergiamäärän, joka jää omakäyttölämmön jälkeen jäljelle. Biokaasun myyntihintana on puolestaan käytetty Savon Voiman ilmoittamaa arviota 20 /MWh. Biokaasulla korvattaisiin metsähaketta ja turvetta. 26
6 KUSTANNUS-HYÖTYANALYYSIN TULOKSET 6.1 Sähkön ja lämmön myynti Luvussa 5 kuvattujen lähtöarvojen perusteella on skenaarioille 1-4 laskettu vuotuinen tulos, kun laitoksen takaisinmaksuaikana on 10 vuotta. Koska energiantuotantomäärät ovat erilaiset koetoiminnassa ja budjettitarjoajalla, on laskelmat tehty erikseen molemmille vaihtoehdoille. Lisäksi eriteltynä on porttimaksun ns. perustasolla sekä ns. kipurajalla. 600 000 400 000 200 000 0-200 000-400 000-600 000-800 000 1 perus 1 kipu 2 perus 2 kipu 3 perus 3 kipu 4 perus 4 kipu Budjettitarjoaja Koetoiminta Kuva 8: Biokaasulaitoksen vuotuinen tulos ( ) eri skenaarioissa Koetoiminnan tulosten mukaisilla energiamäärillä ja kipurajoilla olevilla porttimaksuilla ainoastaan skenaario 3 on selvästi kannattava. Skenaariot 1 ja 2 ovat aivan kannattavuusrajan tuntumassa. Selvitysprojektin ohjausryhmän kokouksessa 24.2.2012 käytiin läpi kannattavuuslaskelmien tulokset. Työryhmälle annettiin viimeiseksi tehtäväksi määrittää sellaiset porttihinnat puhdistamolietteille, että biokaasulaitoksen vuosittainen tulos olisi hieman positiivinen (10.000 50.000 ). Energiamäärinä käytetään koetoiminnassa saatuja tuloksia. Seuraavassa taulukossa kuvataan sellaiset puhdistamolietteiden porttihinnat, joilla saadaan positiiviset tulokset skenaarioissa. Porttimaksuissa on huomioitu kuljetuskustannukset, muuten kaikilla kolmella kunnalla on sama hinta. Muiden syötteiden porttimaksut on pidetty aiemmin esitetyillä kipurajoilla. Tarkempi laskenta on esitetty liitteissä 2-4. Lisäksi liitteissä 2a ja 2b on vertailtu skenaarion 2 kaasun myyntiä. 27