Maatilamittakaavan biokaasulaitoksen energiatase lypsylehmän lietelannan sekä lietelannan ja säilörehun yhteiskäsittelyssä Maataloustieteen päivät 2014 ja Halola-seminaari 12.2.2014 Tutkija, FM Ville Pyykkönen Erikoistutkija, FT Sari Luostarinen Professori Jukka Rintala (MTT/TTY) 1
MTT:n maatilakohtainen biokaasulaitos Mansikki Suunnittelu ja rakentaminen: Metener Oy Käyttöönotto kesä 2009 Mitoitettu tilan vuosittaisten perussyöttömateriaalien mukaan: Lehmän lietelanta 3500 m 3 /vuosi (100-120 lypsävää) Kasvibiomassa 300 t/vuosi (n. 14 ha nurmea) Tutkimustarkoituksissa voidaan käyttää myös muita syöttömateriaaleja eri syöttösuhteissa
MTT Maaningan biokaasulaitos 300 m 3 reaktori + 300 m 3 jälkikaasuallas (JKA) Tekninen tila 20 kw el + 43 kw th CHP-yksikkö 80 kw th kaasukattila Lietelanta (3500 m 3 /a) pumpataan esisäiliöstä Rehunsyöttölaite (0 350 t/a) Photos: Sari Luostarinen, Ville Pyykkönen, Jenni Airaksinen
Maaningan biokaasulaitos, periaatekuva Jatkuva läpivirtaus, syötteen viipymä laitoksessa n. 25+25 vrk Viipymän aikana syötteen massasta muuttuu biokaasuksi esim. 4 %, loput tulee ulos lietemäisenä Nettosähkö navetan käyttöön, nettolämpö lähilämpöverkkoon Kuva: Ville Pyykkönen 12.2.2014 4
Menetelmät: koejaksojen syötteet Lietelantakoe Marraskuu 2011 helmikuu 2012 Tarkastelujakso 4 vk kokeen lopussa talvella (-16,5 o C) Lietelantasyöte n. 10 m 3 /d (7,1 % ka-pit.) OLR 2,3 kgvs/m 3 d, HRT 26 + 26 d Biokaasun poltto lämpökattilassa Ostosähkön käyttö biokaasulaitoksella Lietelannan ja säilörehun yhteiskäsittelykoe Helmikuu-heinäkuu 2012 Tarkastelujakso 6 vk kokeen lopussa kesällä (+15,5 o C) Liete 9,9 m 3 /d (6,1 % ka) + säilörehu 0,8 t/d (23,1 % ka) OLR 2,6 kgvs/m 3 d (rehun osuus 26 %), HRT 24 + 24 d Biokaasun poltto CHP-yksiköllä ja kattilalla 12.2.2014 5
Menetelmät: mittaukset ja laskelmat Biokaasun- ja metaanintuotto Reaktorin biokaasuntuotto Kattilan ja CHP:n kaasunkulutus Näiden erotuksesta laskennallinen JKA:n tuotto Biokaasun metaanipitoisuusmittari Lämpöenergia Kaasukattilan ja CHP-yksikön yhteensä tuottama lämpö Reaktorin lämpöenergiankulutus Nettolämpö biokaasulaitokselta verkkoon Sähköenergia CHP-yksikön tuottama sähkö Ostosähkö biokaasulaitokselle Nettosähkö navetalle Reaktorin ja JKA:n sekoittimien kwh-mittarit Hetkellisen tehon mittauksia yksittäisille sähkölaitteille 12.2.2014 6
Biokaasulaitoksen energiatase Lietelanta Lanta + säilörehu KAASUN ENERGIASISÄLTÖ (kwh/d) 1230 1862 Sähköntuotto kaasusta (kwh/d) - 381 b Lämmöntuotto kaasusta (%) 933 a 1145 b Biokaasulaitoksen sähkönkulutus (kwh/d) 172 c 145 Biokaasulaitoksen lämmönkulutus (kwh/d) 406 250 NETTOSÄHKÖ (kwh/d) -172 c 236 NETTOLÄMPÖ (kwh/d) 526 894 NETTOENERGIA YHTEENSÄ (kwh/d) 354 d 1130 Energian omakulutus / Kaasun energiasis. (%) 47 21 Nettoenergia / Kaasun energiasisältö (%) 29 61 a) Lämpökattilan hyötysuhde 76 % b) CHP ja kattilan yhteinen kokonaishyötysuhde 82 % (CHP: n. 26 % sähköhyötysuhde + 61,5 % lämpöhyötysuhde) c) Ostosähkö d) Ostosähkö vähennetty kokonaisnettoenergiasta 12.2.2014 7
Biokaasulaitoksen sähkönkulutus Talvella teknisen tilan lämmitys suuri sähkönkuluttaja Mahdollista välttää kokonaan(?) tai toteuttaa vesikiertopattereilla suurempi nettosähköntuotto Reaktorin sekoitus suurin yksittäinen sähkönkuluttaja Rehunsyöttö lisää reaktorin sekoitustarvetta Lietelanta (talvi): 172 kwh/d Yhteiskäsittely (kesä): 145 kwh/d Muut; 51; 30 % R sekoitus; 63; 36 % Muut; 51; 35 % Tek. tilan lämmitys ; 45; 26 % JKA sekoitus; 14; 8 % JKA sekoitus; 14; 10 % R sekoitus; 79; 55 % 12.2.2014 8
Reaktorin sekoitus Yhteiskäsittelyssä suurempi sekoituksen sähkönkulutus, mutta suuren kaasuntuoton ansiosta suurempi nettoenergiantuotto sekä parempi energiapanos/kaasuntuotto -suhde Lietelanta Lanta+rehu Reaktorikaasun energiasisältö (kwh/d) 1063 1597 Reaktorin sekoitusenergia (kwh/d) 63 79 Sekoitusenergia / Kaasun energia (%) 6 5 Kaasun energia sekoitusenergia (kwh/d) 1000 1518 Sekoitustehon alentaminen enemmän nettosähköä Esim. tauottamalla sekoitusta Säästöpotentiaali jopa 70 %? Voi jopa lisätä kaasuntuottoa (ainakin lietteenkäsittelyssä) Käytettäessä rehusyötettä tehon alennus vaikeaa upposekoittimilla 12.2.2014 9
Jälkikaasualtaan hyödyt JKA tuotti 14 % metaanista molemmissa kokeissa (30-33 o C) Hyöty korostuu käytettäessä lisäsyötteitä (kuormituksen kasvaessa) Parantaa laitoksen nettoenergiantuottoa Esim. yhteiskäsittelyssä JKA:lla Sekoitusenergia/Kaasuenergia -suhde sama kuin reaktorissa (5 %), mutta JKA ei kuluta lämpöenergiaa Vähentää käsittelyjäännöksen metaanipäästöjä Lisää orgaanisen typen mineralisoitumista 12.2.2014 10
Tulosten tarkastelu 1 Arvio talven ja kesän nettoenergiamääristä optimaalisessa tilanteessa Ei teknisen tilan lämmitystä Kaikki kaasu poltetaan CHP-yksiköllä Lanta, talvi Lanta + rehu, talvi Lanta, kesä Lanta + rehu, kesä NETTOSÄHKÖ (kwh/d) 193 339 193 339 NETTOLÄMPÖ (kwh/d)* 350 739 506 895 NETTOENERGIA yht. (kwh/d) 543 1078 699 1234 Nettoenergia / Kaasun energiasis. (%) 44 58 57 66 *Reaktorin lämmitystarve arvioitu samaksi molemmilla syötteillä 12.2.2014 11
Tulosten tarkastelu 2 Vuotuinen energiatase optimaalisessa tilanteessa Ei teknisen tilan lämmitystä Kaikki kaasu poltetaan CHP-yksiköllä Lanta 3650 m 3 Lanta 3614 m 3 + rehu 292 t KAASUN ENERGIASISÄLTÖ (MWh) 449 680 Sähköntuotto kaasusta (MWh) 117 177 Lämmöntuotto kaasusta (MWh) 276 418 Laitoksen sähkönkulutus (MWh) 46 53 Laitoksen lämmönkulutus (MWh)* 119 116 NETTOSÄHKÖ (MWh) 70 124 NETTOLÄMPÖ (MWh) 157 302 NETTOENERGIA YHTEENSÄ MWh 228 426 Nettoenergia / Kaasun energia (%) 51 63 *reaktorin lämpöenergiamalli: Biotila-hankkeen loppuraportti 12.2.2014 12
Tulosten tarkastelu 3 Nettoenergia voi vastata navetan vuotuista lämmönkulutusta ja kattaa n. 70 % navetan sähköntarpeesta Maaningan navetan lämmönkulutus 287 MWh/v (vuoden mittausjakso) Pihattonavetan sähkönkulutus esim. 174 MWh/v (arvio) Lanta Lanta + rehu Osuus navetan lämmityksestä (%) 55 105 Osuus navetan sähkönkulutuksesta (%) 40 71 12.2.2014 13
Tuloksia tarkemmin: Kiitos! 12.2.2014 14