Maatilojen biokaasulla energiaa, päästövähennyksiä ja ravinnekiertoja

 

Sari Luostarinen & Ville Pyykkönen, kirjoittajat tutkivat biokaasutuotantoa Luonnonvarakeskuksessa.

Lanta on arvokas materiaali, jonka energia- ja ravinnesisältö tulisi hyödyntää tehokkaasti. Samalla vähennetään maatalouden ympäristövaikutuksia. Biokaasuprosessi nähdään enenevästi tärkeänä osana lannankäsittelyketjua. Yhdessä muiden oikeiden toimien kanssa se mahdollistaa uusiutuvan energian tuotannon, tehostaa ravinteiden kiertoa ja lannan typen hyödyntämistä sekä vähentää päästöjä ilmaan ja vesiin.

 

Hyöty irti lannasta

Lanta sisältää eläimen ruokinnasta hyödyntämättä jääneen orgaanisen aineen ja ravinteet, jotka voidaan hyödyntää edelleen lannan jatkokäytössä. Raakalannan perinteisessä lannoitekäytössä lannan energiasisältö jää kuitenkin hyödyntämättä eikä ravinteidenkaan käyttö ole tehokkaimmillaan. Se johtaa myös kasvihuonekaasu- ja ammoniakkipäästöihin sekä ravinnevalumiin.

Lannan tehokkaammaksi ja kestävämmäksi hyödyntämiseksi lanta voidaan prosessoida biokaasulaitoksessa. Biokaasuprosessissa mikrobit pilkkovat lannan orgaanista ainetta hapettomissa olosuhteissa. Prosessissa muodostuu kahta lopputuotetta: biokaasua ja käsittelyjäännöstä.

 

Biokaasusta uusiutuvaa energiaa

Biokaasu on pääosin metaanin ja hiilidioksidin seos, jossa metaani vastaa maakaasua ja on samalla tavoin käytettävissä energiantuotannossa. Biokaasuenergia, lämpö, sähkö ja/tai liikennepolttoaine, on uusiutuvaa energiaa ja korvaa fossiilisia energianlähteitä. Tämä vähentää kasvihuonekaasupäästöjä energiasektorilla.

Lannan energiasisältö ei ole kovin korkea, sillä eläin on jo hyödyntänyt helpoiten hajoavan orgaanisen aineen rehustaan. Lanta on kuitenkin erinomainen perusmateriaali biokaasuprosessissa. Energiantuottoa ja samalla laitoksen kannattavuutta voi nostaa syöttämällä laitokseen lisäksi esimerkiksi tilojen kasvibiomassoja, kuten ylijäämänurmia. Jo pieni määrä kasvibiomassaa lisää energiantuottoa merkittävästi.

 

Käsittelyjäännöksestä oivallista lannoitetta

Käsittelyjäännös sisältää kaikki biokaasuprosessiin syötetyn lannan ravinteet sekä hajoamatta jääneen eloperäisen (eli orgaanisen) aineen. Ravinteista muut pysyvät pääosin ennallaan, mutta orgaanisen typen hajoamisen seurauksena jäännös sisältää aiempaa enemmän liukoista ammoniumtyppeä. Tämä nostaa jäännöksen lannoitearvoa verrattuna raakalantaan, sillä suurempi osuus typestä on suoraan kasville käyttökelpoista. Orgaaninen aine on puolestaan pysyvämmässä muodossa, minkä katsotaan olevan peltomaan orgaanisen aineen ylläpitämiselle arvokasta.

 

Biokaasuprosessi avuksi päästöjen hallintaan

Koska biokaasuprosessi on hapettomuuden varmistamiseksi tiivis ja suljettu, vähentää se lannan käsittelystä muutoin muodostuvia päästöjä, kuten kasvihuonekaasu- ja ammoniakkipäästöjä. Edut saavutetaan kuitenkin vain, jos koko lantaketju eläinsuojasta jäännöksen peltolevitykseen hoidetaan asianmukaisesti. Samat ratkaisut varmistavat myös maksimaalisen energiantuoton sekä tehokkaan ravinteiden hyödyntämisen.

 

Lannan matka eläinsuojasta biokaasulaitokseen

Lanta on kerättävä eläinsuojasta ja syötettävä biokaasureaktoriin mahdollisimman tuoreeltaan. Näin vähennetään ammoniakkipäästöjä ja arvokkaan typen haihtumista. Samalla lannan orgaanisen aineen hajoaminen ja siitä seuraavat kasvihuonekaasupäästöt alenevat ja biokaasupotentiaalin hukka pienenee.

Orgaanisen aineen tehokkaan hajoamisen ja täten maksimaalisen biokaasutuoton varmistamiseksi on prosessoitavan lannan viivyttävä reaktorissa riittävän pitkä aika. Reaktorista poistuvassa jäännöksessä on kuitenkin aina hajoamatonta orgaanista ainetta, joka jatkaa hajoamistaan seuraavassa säiliössä. Avoimesta varastosäiliöstä voisi täten päästä ilmaan merkittävästi metaania, joka voimakkaana kasvihuonekaasuna kumoaisi prosessin hyvät ympäristövaikutukset. Reaktorin jälkeen tarvitaankin tiiviisti katettu jälkikaasuallas, jossa muodostuva biokaasu kerätään talteen ja hyödynnetään energiantuotannossa yhdessä reaktorikaasun kanssa. Energian kannalta jälkikaasun tuotto on merkittävä: se on maatilakokoluokan laitoksissa ollut luokkaa 15-20 % koko laitoksen energiantuotannosta. Samalla estetään myös ammoniakkipäästöjä.

 

Käsittelyjäännöksen ravinteet tarkasti talteen

Lopullisen käsittelyjäännöksen varastot on syytä kattaa, sillä raakalantaa suurempi ammoniumtypen pitoisuus ja usein korkeampi pH lisäävät ammoniakin haihtumista. Tällöin myös jäännöksen lannoitearvo pienenee. Ammoniakki on ympäristön kannalta haitallinen kaasu, sillä se aiheuttaa happamoitumista, pienhiukkasten muodostusta ja rehevöitymistä.

Peltolevityksessä on käytettävä multaavia menetelmiä, jotta ammoniumtyppi saadaan kasvin käyttöön eikä se haihdu ilmaan ammoniakkina. Levitys on tehtävä kasvukaudella ja oikealla annostuksella viljeltävän kasvin mukaan. Tällöin minimoidaan myös ravinteiden huuhtoumat vesiin.

 

Kannattavuus rakentuu palasista

Biokaasulaitoksen kannattavuus riippuu monesta seikasta. Tuotetulla energialla voi korvata ostoenergiaa; tämän taloudellinen kannattavuus riippuu korvattavasta energiasta. Energian voi myös myydä. Hyödyntämällä jäännöksen ravinteet voi korvata mineraalilannoitteita. Pelkän lannan käsittelyssä hyöty tulee typen käyttökelpoisuuden parantumisen myötä, kun taas lannan ja muiden materiaalien yhteiskäsittelyssä ravinteita tulee lisämateriaalien mukana. Tilan ulkopuolelta tulevista syöttömateriaaleista saattaa saada porttimaksua ja ainakin ne lisäävät laitoksen energiantuottoa ja ravinteita jäännökseen. Mahdollisesti tila saa hyötyä myös jäännöksen vähäisemmästä hajusta, kun jäännöstä voi levittää myös asutuksen lähellä oleville pelloille, joille lietelannan käyttö voi olla hajuhaittojen vuoksi vaikeaa. Erilaisten tukien merkitys voi olla olennainen (ml. investointituki, ympäristökorvaus). Lisäksi investoinnin hinta vaihtelee riippuen laitokseen haluttavista osista ja mahdollisuuksista hyödyntää tilan olemassa olevia rakenteita sekä omaa työtä. Lanta on käsiteltävä joka tapauksessa ja vaihtoehtoisten menetelmien kustannukset vaikuttavat biokaasuprosessin kannattavuuteen.

 

Esimerkkilaitoksia

Maatilojen biokaasulaitokset voivat olla maatilakohtaisia tai maatilojen yhteisiä. Tässä esitellään maatilakohtainen biokaasulaitos, Luken Maaningan laitos, sekä maatilojen yhteinen biokaasulaitos, Bioson Oy:n laitos Juvalla.

Luonnonvarakeskuksen Maaningan biokaasulaitos ”Mansikki”

Maaningan biokaasulaitos otettiin käyttöön kesällä 2009. Se käsittelee 100-120 lypsylehmän lietelannan sekä tilan muuta kasvibiomassaa, pääasiassa nurmea tuoreena ja säilöttynä. Laitoksen vuotuinen kapasiteetti on noin 4000 tonnia.

Lietelanta kerätään eläinsuojasta lietekuilun kautta maanalaiseen esisäiliöön (100 m³), josta se pumpataan biokaasureaktoriin. Silputtu nurmisäilörehu tai vastaava kuiva lisämateriaali syötetään suoraan reaktoriin erillisen syöttöruuvin kautta. Reaktori on 300 m³:n (nestetilavuus 260 m³) maanalainen betonisäiliö, jossa on lämmitysputket seinämillä (37 °C) ja kaksi upposekoitinta. Reaktorista jäännös virtaa samankokoiseen jälkikaasualtaaseen, jota ei lämmitetä ja jossa on yksi upposekoitin. Molemmat säiliöt on katettu tiiviillä kaasuhupuilla ja sääsuojakuvuilla.

Tuotettu biokaasu hyödynnetään sähkön- ja lämmöntuotannossa kaasukattilan (80 kW) ja kaasumoottorin (20 kW sähköteho + 43 kW lämpöteho) avulla. Tuotettu energia käytetään Luke Maaningan toimipisteessä.

Käsittelyjäännös varastoidaan kolmessa lantasäiliössä, jotka toistaiseksi ovat kattamattomat. Jäännös hyödynnetään toimipisteen pelloilla rehuntuotannossa. Sen käyttö vähentää väkilannoitetypen tarvetta, sillä biokaasuprosessi lisää kasveille suoraan käyttökelpoisen liukoisen typen pitoisuutta verrattuna raakalantaan. Jäännöksessä ammoniumtyppeä on vuosittain n. 1500 kg enemmän kuin syötteessä (lietelanta 3500 t/a ja rehu 300 t/a).

Tämä biokaasulaitos maksoi vuonna 2009 noin 350 000 euroa (+alv) avaimet käteen -periaatteella ja ilman mitään tukia. Laitoksen käyttöönoton jälkeen siihen on lisätty automatisoitu syöttöpöytä ruuvisyöttimen yhteyteen. Laitoksen rutiinikäytössä sen toiminta tarkistetaan päivittäin ja huolto- ja korjaustoimenpiteitä tehdään joko tarpeen tai huolto-ohjelman mukaisesti. Erityisiä teknisiä ongelmia ei ole havaittu lukuun ottamatta ajoittaisia tukoksia reaktorin ja jälkikaasualtaan ylivaluntaputkessa. Kuten kaikessa tekniikassa, laitteita toisinaan menee rikki ja niitä korjataan. Hyvän seurannan ja huoltojen avulla yllätykset jäävät kuitenkin vähäisiksi.

 

Juvan Bioson Oy:n biokaasulaitos

Heikki Teittinen, Juvan Biosonin hallituksen puheenjohtaja

Juvan Bioson Oy:n biokaasulaitos käynnistettiin syksyllä 2011 Juvalla. Yhtiössä on mukana 18 osakasta. Biokaasulaitos tuottaa naudan- ja siipikarjanlannasta sekä kasvijätteistä vuodessa 4000 MWh energiaa. Laitos pystyy käsittelemään vuosittain 19 500 tonnia lantaa ja muita orgaanisia materiaaleja. Laitoksessa voidaan ottaa vastaan myös elintarviketeollisuuden jätteitä.

Lannasta suurin osa on lietelantaa maitotiloilta, mutta mukana on myös munituskanaloiden lantaa. Koska kananlanta on erittäin typpirikasta, se lisää käsittelyjäännöksen typpipitoisuutta ja nostaa typen ja fosforin suhdetta kasville käyttökelpoisemmaksi. Osakastilat hyötyvät, sillä jäännöksen lannoitearvo on täten selvästi käsittelemätöntä maitokarjan lietelantaa korkeampi (typpeä >3,5 kg/t, vrt. naudan lietelanta 1,8 kg/t). Myös lisämateriaalina olevat kasvibiomassat (esim. salaattijäte) lisäävät jäännöksen typpipitoisuutta. Lisämateriaalit myös nostavat laitoksen energiantuottoa.

 

Biokaasulaitoksella lietelanta siirretään tiloilta 500 m³ esisäiliöön, josta se pumpataan vähintään viikon sisällä biokaasureaktoriin. Lisäksi laitoksessa on erilliset vastaanotot ja syöttölaitteet salaattijätteelle ja kananlannalle. Biokaasureaktorin nestetilavuus on 1200 m³ ja syötettä käsitellään 35–40 °C lämpötilassa vähintään 21 vuorokautta. Säiliöosaltaan eristetty jälkikaasuallas on nestetilavuudeltaan 2000 m³. Sekä esisäiliön että jälkikaasualtaan päällä on paineilmalla kuperina pidettävät suojahuput, joiden alla kaasuvarastoina toimivat kaasuhuput.

 

Biokaasu johdetaan kaasuvarastosta kaasuputkea pitkin läheisen puutarhan kasvihuoneeseen, jossa kaasu muutetaan sähkö- ja lämpöenergiaksi kaasutoimisen generaattorin avulla. Reaktori lämmitetään omalla 400 kW lämpökattilalla, joka toimii myös varajärjestelmänä. Kaasumoottorin sähköteho on 250 kW ja lämpöteho 300 kW. Kaikki kaasumoottorin tuottama energia käytetään kasvihuoneessa ja se kattaa noin kolmasosan kasvihuoneen energiantarpeesta. Yhtiön tulevaisuuden visioissa on liikennepolttoaineen tuottaminen.

Keväällä 2015 laitokselle valmistui lannan hygienisointilaitteisto. Kaikki käsittelyjäännös hygienisoidaan +71 °C lämpötilaan. Laitoksella on lämmönvaihtimet, jotka ottavat lämpöä talteen hygienisoidusta mädätteestä reaktoriin menevään lietteeseen. Hygienisointi mahdollistaa myös porttimaksullisten elintarviketeollisuuden ja leipomoiden sivutuotteiden vastaanoton ja käsittelyn.

Urakoitsija kuljettaa sekä raakalannan laitokseen että mädätteen takaisin tiloille. Osakastilat hyödyntävät mädätteen omilla pelloillaan. Juvan Bioson Oy:n palveluksessa oleva laitosmies toimii pääasiallisesti laitoksen prosessinhoitajana, mutta myös osakastilalliset ja kuljetusurakoitsija osallistuvat laitoksen operointiin. Lannoite on luomukelpoista.

Tietolaatikko: Biokaasun tuotanto

Biokaasulaitoksen toiminta perustuu mikrobien hapettomissa oloissa tekemiin hajotusprosesseihin. Mikrobit voivat hajottaa erilaisia eloperäisiä materiaaleja: kasvibiomassaa, lantaa, biojätettä, puhdistamo- ja saostuskaivolietettä ja teollisuuden jätteitä ja sivutuotteita. Lopputuotteena syntyy metaania sisältävää biokaasua (metaanipitoisuus 50-70 %) ja ravinnerikasta käsittelyjäännöstä. Biokaasusta
voidaan tuottaa sähköä, lämpöä ja liikennepolttoainetta.

Tietolaatikko: Kannattaisiko sinun rakentaa biokaasulaitos?

Voit selvittää oman tilasi biokaasun tuottamisen mahdollisuudet nettilaskurilla, joka löytyy sivulta www.biokaasulaskuri.fi. Biokaasulaitoksen rakentaminen on sitä kannattavampaa, mitä paremmin:

• on saatavilla soveltuvia raaka-aineita (kuten lantaa, ylimääräistä kasvimassaa ja ruuan jalostuksen sivutuotteita)
• on halua kierrättää ravinteita
• on korvattavissa ostoenergiaa
• on saatavilla soveltuvia tukia
• on tarvetta / halua vähentää päästöjä
• on halua kehittää lannan hyödyntämistä aiempaa tehokkaampaan suuntaan.

 

Tietolaatikko: Biokaasun potentiaali

Baltic Manure –hankkeessa laskettiin Suomen lantojen energiapotentiaali biokaasuna. Laskentaan otettiin mukaan naudan, sian ja siipikarjan liete- ja kiinteät lannat, joita muodostuu vuosittain noin 13,5 miljoonaa tonnia. Tästä lannasta voitaisiin teoreettisesti tuottaa 2,4 – 5,2 TWh energiaa. Suurin osa energiasta tulisi nautojen lannasta (80 %). Kun laskennasta jätettiin pois alle 100 eläimen tilat, saatiin teknistaloudelliseksi potentiaaliksi 0,85 – 1,8 TWh/vuosi, josta 58 % tulee nautojen, 31 % sikojen ja 10 % siipikarjan lannasta. Energiamäärä ei ole Suomen uusiutuvan energian kulutukseen nähden suuri (110 TWh/vuosi, 2010), mutta alueellisesti ja tapauskohtaisesti se voi olla merkittävä. Lannan biokaasukäyttöä ei kuitenkaan tulisi ajatella vain energian näkökulmasta. Tärkeämmiksi tekijöiksi voivat hyvinkin muodostua sen positiiviset ympäristövaikutukset ja ravinnekiertojen sulkeminen. (www.balticmanure.eu)

 

Maatilojen biokaasulla energiaa, päästövähennyksiä ja ravinnekiertoja -tietokortti (2016) (pdf)