Kuivamädätys nousee vaihtoehdoksi Kanta-Hämeessä

Biokaasun tuotannossa voidaan hyödyntää erilaisia markkinoilla olevia teknisiä ratkaisuja ja prosessointiolosuhteita. Kun maatalousyrittäjä lähtee toteuttamaan biokaasulaitoshanketta, hankkeen edetessä vastaan tulee väistämättä kysymyksiä liittyen biokaasuprosessin tekniikkaan ja operointiin.

Biokaasun tuotanto perustuu mikrobien aineenvaihduntaan, jonka seurauksena eloperäisen aineksen mädätyksessä muodostuu lopulta pääosin metaanista ja hiilidioksidista koostuvaa biokaasua. Prosessin toinen tuote on ravinnepitoinen mädäte, joka soveltuu lannoitevalmisteeksi. Biokaasua voidaan hyödyntää sähkön- ja lämmöntuotantoon, tai sitä voidaan jatkojalostaa liikenteen polttoaineeksi. Teollinen tuotanto tapahtuu biokaasureaktoreissa, joissa biokaasuprosessin olosuhteet on määritetty ja prosessin tilaa seurataan. Biokaasun tuotanto perustuu hapettomiin olosuhteisiin, mutta erilaiset tuotantotavat ja prosessiolosuhteet mahdollistavat monenlaisten raaka-aineiden käsittelyn. (Kymäläinen & Pakarinen, 2015; ks. Suomen Biokierto ja Biokaasu ry, n.d.)

Biokaasun tuotannossa raaka-aineena eli syötteenä voidaan käyttää monenlaisia biomassoja, eli eloperäisiä materiaaleja, kuten olkea, biojätettä ja kotieläinten lantaa. Syötteiden koostumus vaihtelee: olki sisältää esimerkiksi ligniiniä ja hemiselluloosaa, jotka ovat koostumukseltaan monimutkaisia ja hajoavat hitaasti, kun taas lanta on jo osittain hajonnut eläinten ruoansulatuksessa ja siksi helpommin hajoavaa. (Kymäläinen & Pakarinen, 2015)

Syötteen ominaisuudet vaikuttavat siihen, millaista tekniikkaa ja prosessiolosuhteita biokaasun tuotannossa käytetään. On kuitenkin myös prosessiparametreja, jotka voidaan määrittää riippumatta syötteen laadusta.

Erilaiset prosessiolosuhteet

Biokaasuprosesseja voidaan toteuttaa eri tavoin lämpötilan, kuiva-ainepitoisuuden ja prosessin toimintatavan mukaan. Lämpötila voidaan asettaa psykrofiilisen (< 25 °C), mesofiilisen (32–42 °C) tai termofiilisen (50–60 °C) lämpötila-alueen mukaan. Näistä psykrofiilista lämpötila-aluetta ei juuri käytetä hitaan ja vähäisen metaanituoton vuoksi. Mesofiilinen prosessi on käytetyin, sillä se on prosesseista stabiilein ja vaatii vähemmän energiaa ylläpitämiseen kuin termofiilinen prosessi, mikä toisaalta tuottaisi samassa ajassa enemmän kaasua. (Motiva Oy, 2013)

Lämpötilaksi voidaan asettaa mikä vaan syötteestä riippumatta. Sen sijaan syötteiden ominaisuudet määräävät prosessin pH:n ja ravinnetasapainon, sillä niin ikään eri syötteillä on erilainen pH ja ravinnepitoisuus. Biokaasun muodostuminen etenee neljässä päävaiheessa, joista jokaisessa olosuhteet ovat optimaaliset eri mikrobiryhmille. Teoriassa vaiheet toimisivat tehokkaimmin erillään, mutta käytännössä prosessissa haetaan kompromissi, jossa kaikille mikrobeille tarjotaan riittävän hyvät olosuhteet. Prosessin ensimmäisen vaiheen mikrobeille optimaalinen pH on noin 5–6, mutta viimeisen vaiheen metaania tuottavat arkit ovat herkkiä, eivätkä siedä näin hapanta ympäristöä. Tämän vuoksi prosessin pH pidetään yleensä välillä 7–8, johon muiden mikrobien on helpompi mukautua. (Kymäläinen & Pakarinen, 2015; ks. Motiva, 2013)

Ravinteiden saanti, hiilen ja typen suhde sekä fosforin määrä ovat tärkeitä elementtejä mikrobien toiminnan takaamiseksi. Lietelanta sisältää paljon fosforia, oljet sekä muut kasviperäiset aineet sisältävät paljon hiiltä ja proteiinipitoiset syötteet, kuten siipikarjan lanta, sisältävät paljon typpeä. Siksi on usein kannattavaa mädättää monenlaista syötettä yhdessä reaktorissa, jolloin ravinnetasapaino on otollinen. Optimaalinen hiili-typpi-suhde on 20–30:1. (Kymäläinen & Pakarinen, 2015)

Edellytyksenä vesi

Prosessi voidaan toteuttaa joko kuiva- tai märkämädätyksenä. Tekniikka valitaan raaka-aineen kuiva-ainepitoisuuden (TS, engl. Total Solids) mukaisesti. Kuivamädätyksessä hyödynnettävän syötteen TS on noin 20–40 %, kun taas märkämädätyksen TS on alle 15 %. Vaikka kuivamädätyksen nimi viittaa kuivaan syötteeseen, todellisuudessa prosessissa on kuitenkin 70–80 % vettä. Vesi on tärkeä osa mädätysprosessia, sillä se toimii välittäjänä mikrobien aineenvaihdunnan tuotteille. Päävaiheiden mikrobit käyttävät ravintonaan aina edellisissä vaiheissa syntyviä yhdisteitä. (ks. Kymäläinen & Pakarinen, 2015)

Biokaasua muodostuu ainoastaan orgaanisesta aineesta, joka on osa kuiva-ainetta. Kuivempi syöte sisältää yleensä enemmän orgaanista ainesta kuin märkä syöte. Reaktoritilavuuteen suhteutettuna kuivassa materiaalissa on enemmän orgaanista ainesta kuin märässä, minkä vuoksi kuivamädätyksessä biokaasua tuotetaan usein enemmän tilavuusyksikköä kohden kuin märkämädätyksessä (Biovoima, n.d.). Reaktorimassan sekoitus tehostaa mikrobien ja syötteen kontaktia, jolloin syötteen hajoaminen on tasaisempaa. Sekoitusta voidaan tehdä esimerkiksi lapasekoittimien avulla tai kierrättämällä syötteestä mädätyksen aikana irronnutta perkolaationestettä tai separoinnista tullutta rejektivettä takaisin reaktorin sisään.

Märkämädätys on käytetympi prosessi, sillä se on stabiilimpi, eikä kuivamädätystä ole toistaiseksi tutkittu yhtä paljon. Kuivamädätys on kuitenkin kiinnostava vaihtoehto, sillä laitteistoja kuivamädätykseen löytyy monilta alan yrityksiltä myös Suomen markkinoilla.

Mädätysprosessit voidaan jakaa vielä toimintatavan mukaan panos- ja jatkuvatoimisiksi. Panosprosessit ovat aina tietyn ajan mittaisia prosesseja, joissa käynnistyksen jälkeen ei lisätä syötettä eikä myöskään poisteta mädätettä ennen prosessin purkamista. Jatkuvatoimisessa prosessissa syöttö ja mädätteen poisto tapahtuu automaattisesti tietyin väliajoin. Puolijatkuvatoimisessa prosessissa syötteen ja mädätteen operointi toteutetaan ilman automaatiota.

Milloin kuivamädätys voisi olla parempi vaihtoehto?

Kun biokaasulaitosta perustetaan, on tärkeää tietää, mitä mahdollisia syötteitä lähialueelta voidaan hyödyntää. Luonnonvarakeskuksen (Luke) ylläpitämä Biomassa-atlas on verkossa toimiva työkalu, joka kertoo kaikkien biomassojen jakautumisen koko Suomen alueella (ks. Luonnonvarakeskus, n.d.). Työkalu on suuntaa antava, mutta sitä voidaan käyttää biokaasulaitoksen perustamisen yhteydessä arvioimaan tiettyjen alueiden biomassojen määriä.

Jos alueella on runsaasti peltobiomassaa, eli nurmea ja kasvinviljelystä ylijääviä kasvinosia, voidaan alueelle rakennettavan biokaasulaitoksen toimintaperiaatteeksi harkita kuivamädätystä. Myös kuivalanta sopii erinomaisesti kuivamädätysreaktorin syötteeksi. Lietelantaa voidaan käyttää prosessin perustana lisäämällä sekaan kasvinosia ja kuivalantaa, jolloin TS-pitoisuus saadaan nostettua vaadittuun 20–40 prosenttiin. Lisäksi lietelannalla saadaan lisättyä vapaan veden määrää ja puskurointikykyä, eli prosessin kykyä vastustaa pH-muutoksia.

Mädätysmahdollisuudet Kanta-Hämeessä

Hämeen ammattikorkeakoulun (HAMK) ja Luken yhteistyössä toteutetussa BioKanta-hankkeessa on arvioitu Kanta-Hämeen sivuvirtabiomassoja Biomassa-atlaksen avulla. Hankkeessa tavoitellaan biokaasulaitosinvestointia Lammi-Tuulos-Hauho alueelle, missä on maatalouden ansiosta paljon potentiaalia biokaasutuotantoon.

Biomassa-atlaksen mukaan kyseisellä alueella peltobiomassojen sivuvirtojen määrä oli vuonna 2021 arviolta noin 22 000 tTS/v (tonnia kuiva-ainetta vuodessa). Kuivalantaa oli alueelta noin 37 000 t/v (2020). Näiden perusteella kuivamädätys voisi olla varteenotettava vaihtoehto alueella. Kanta-Hämeessä on kirjoitushetkellä viisi biokaasulaitosta, mutta ne eivät käytä syötteinään juurikaan maatalouden sivuvirtoja. Laitokset ovat sijoittuneet Hämeenlinnan, Forssan ja Riihimäen alueille.

Peltokasvien sivuvirtojen ja kuivalannan suurten määrien vuoksi kuivamädätysmenetelmä voisi olla varteenotettava vaihtoehto Lammi-Tuulos-Hauho alueella. Biomassa-atlaksen mukaan alueella syntyy arviolta noin 61 000 t/v lietelantaa (2020), eli huomattavasti enemmän kuin kuivalantaa.

Otollista olisi perustaa maatalouden sivuvirtoja hyödyntävä biokaasulaitos Tuuloksen alueelle, jonne kuljetettaisiin lähialueita maatalouden sivuvirtoja. Uuden laitoksen perustaminen olisi pitkällä aikavälillä merkittävämpää kuin laajentaa jo olemassa olevien laitosten toimintaa, kun tarkastellaan Lammi-Tuulos-Hauho-alueen tarpeita. Tulevaisuudessa laitoksella voisi olla jopa kaksi eri prosessia hyödyntävää reaktoria, joka mahdollistaisi kaikkien sivuvirtojen optimaalisen hyödyntämisen, kun biokaasun tuotannossa käytettäisiin sekä märkä- että kuivamädätystekniikkaa.

Kirjoittaja