Biometaanin ja biovedyn tuotanto tarjoaa merkittäviä mahdollisuuksia kiertotalouden ja vihreän siirtymän edistämiseksi hyödyntämällä biohajoavia materiaaleja energiantuotannossa. Erityisesti peltobiomassoilla on kasvava potentiaali prosessin raaka-aineena ja niiden tehokas käyttö voi edistää elintarviketeollisuuden ja maatalouden sivuvirtojen hallintaa. Biomassojen sivuvirtojen käyttö biometaanin ja biovedyn tuotantoprosessissa mahdollistaisi myös samalla resurssitehokkaita ratkaisuja jätemateriaalien hyödyntämiseen.
BioBoost-hankkeessa tehtiin selvitystyö Pohjois-Savon alueella syntyvien peltobiomassojen sivuvirtojen määristä ja siitä, olisiko näitä raaka-aineita riittävästi käytettävissä potentiaalisen kuvitellun biovetylaitoksen ja biokaasulaitoksen käyttöön sekä selvitettiin kirjallisuuden ja laboratoriokokeiden avulla, mikä näiden sivuvirtojen karkeasti arvioitu energiapotentiaali olisi. Biovedyn tuotannon käsittelyjäännös eli rejekti on biomassaa, joka sisältää vielä osittain hajoamatonta orgaanista ainesta. Tämä käsittelyjäännös olisi mahdollista vielä hyödyntää biometaanin tuotannossa, jolloin jäljelle jääneestä orgaanisesta aineksesta saataisiin tuotettua biovedyn lisäksi myös biometaania energiantuotantoon (kuva 1).
Biomassaselvityksen toteuttaminen
Biomassojen kartoituksen apuna käytettiin Luonnonvarakeskuksen Biomassa-atlas -verkkopalvelua, josta kerättiin dataa kuudelta eri säteeltä (10 km, 15 km, 20 km, 30 km, 40 km ja 50 km). Keskipisteenä toimi Kuopion jätekeskuksen alueella toimiva Gasumin biokaasulaitos.
Biomassa-atlaksesta saatu aineisto koottiin Exceliin, johon taulukoitiin erikseen biomassojen sivuvirtojen määrät sekä niiden biomassojen kokonaistuotantomäärät, joista sivuvirtatietoja ei ollut saatavilla. Biomassojen sivuvirtojen määristä selvitettiin kuiva-ainepitoisuudet kirjallisuuslähteiden perusteella, joiden avulla laskettiin vuotuiset sivuvirtojen määrät (t/a). Biomassoista, joista oli saatavilla vain kokonaistuotantomäärät, etsittiin kirjallisuudesta arvot sivuvirtojen prosentuaalisesta osuudesta, jonka avulla saatiin laskettua arvio sivuvirtojen määristä vuositasolla (t/a). Laskenta tehtiin samalla tavalla jokaiselta säteeltä alla olevan esimerkkitaulukon 1 mukaisesti.
Taulukko 1. Taulukoidut biomassat ja niiden sivuvirtojen määrät 10 km säteellä.
| Biomassa | Kokonaistuotannon määrä (t/a) | Sivuvirtojen osuus kokonaistuotannosta (%) | Sivuvirtojen määrä (t/a) |
| Säilörehunurmet | 4 503 | 8 % | 360 |
| Kaura | 99 | 20 % | 20 |
| Muu ohra | 300 | 5 % | 15 |
| Kuivaheinänurmet | 143 | 8 % | 11 |
| Laidunsato | 109 | 8 % | 9 |
| Rypsi | 59 | 5 % | 3 |
| Mansikka | 20 | 14 % | 3 |
| Kevätvehnä | 13 | 16 % | 2 |
| Tuorerehunurmet | 22 | 8 % | 2 |
| Peruna | 1 | 16 % | 0,2 |
| Herukat ja karviainen | 12 | 14 % | 2 |
| Vihantavilja | 7 | 5 % | 0,4 |
| Hedelmät | 2 | 15 % | 0,3 |
| Sivuvirrat | Määrä (t (k-a) /a) | Kuiva-aine % | Sivuvirtojen määrä (t/a) |
| Olki | 310 | 85 % | 365 |
| Kesantonurmi | 100 | 40 % | 250 |
| Öljykasvien korsi | 99 | 20 % | 495 |
| Suojavyöhykenurmi | 1 | 40 % | 3 |
| Yhteensä | 1 539 |
Biovedyn- ja biometaanin energiapotentiaalien selvitys kirjallisuuden sekä laboratoriokokeiden avulla
Kun sivuvirtojen yhteenlasketut kokonaismäärät (t/a) oli saatu selvitettyä, niiden karkeasti arvioitu vuotuinen biovedyn tuottopotentiaali oli mahdollista laskea. Koska kyseiselle biomassaseokselle ei ollut tarjolla suoraa vastinetta orgaanisen kuiva-aineen (VS) osuuden ja biovedyn tuottopotentiaalin osalta, selvityksessä hyödynnettiin kirjallisuudesta löytyviä tuloksia ja niiden keskiarvoja. Orgaanisen kuiva-aineen pitoisuutena käytettiin Tähti & Rintala (2010) selvityksen mukaista keskiarvollista peltobiomassojen VS-pitoisuutta, 89,7 %. Keskiarvoinen biovedyn tuottopotentiaali, 46,8 H2 m3/tVS laskettiin myös Tähti & Rintala (2010) selvityksen vihannesten ja peltokasvien biovedyn tuottopotentiaaleista.
Biovedyn tuottopotentiaalia peltobiomassoille tutkittiin myös Savonian Bio- ja kiertotalouden tutkimusalan laboratoriossa AMPTS® III-laitteistolla, alkutuotannon sivuvirtana syntyvälle 50 % perunaa, 25 % sipulia ja 25 % kaalia sisältävälle seokselle tehtyjen biovetypanoskokeiden avulla. Biovetypanoskokeen pohjalta peruna-sipuli-kaali seokselle saatiin biovedyn tuottopotentiaaliksi keskiarvoisesti 55,3 H2 m3/tVS. Tätä kolmesta eri biomassasta koostuvan seoksen biovedyn tuottopotentiaalia ei kuitenkaan käytetty Biomassa-atlaksesta kerättyjen peltobiomassojen sivuvirtojen biovedyn tuottopotentiaalin laskennassa. Sillä kirjallisuudesta oli saatavilla aiemmin tekstissä mainittu keskiarvoinen biovedyn tuottopotentiaali vihannesten ja peltokasvien biovedyn tuottopotentiaalille, jonka koettiin vastaavan paremmin monesta eri biomassasta koostuvan seoksen biovedyn tuottopotentiaalia.
Biovedyn tuottopotentiaalin selvittämisen jälkeen määritettiin biometaanin tuottopotentiaali biovedyn tuotannosta jäljelle jääneelle orgaaniselle massalle. Massan VS-reduktiona selvityksessä käytettiin 33 %, joka pohjautui kirjallisuuteen, jossa tutkittavana massana peltobiomassoista poiketen toimi jätevesiliete, viinin tislauksen pohjasakka sekä kanan lanta (Sillero, Solera, Pérez 2022). Massan VS-reduktion avulla laskettiin biovedyn tuotannon käsittelyjäännökseen teoreettisesti jäljelle jäävän orgaanisen kuiva-aineen määrä.
Biometaanin tuottopotentiaali, 407,5 CH4 m3/tVS, biovedyn tuotannon käsittelyjäännökselle määritettiin Savonian Bio- ja kiertotalouden tutkimusalan laboratoriossa AMPTS® III-laitteistolla tehtyjen biometaanipanoskokeiden pohjalta. Biometaanipanoskokeissa tutkittavana materiaalina toimi biovedyn tuotannon käsittelyjäännös, joka koostui 50 % perunaa, 25 % sipulia ja 25 % kaalia sisältävästä seoksesta. Saatu biometaanin tuottopotentiaali on siis hyvin karkea arvio useammasta biomassasta koostuvalle biovedyn tuotannon käsittelyjäännökselle.
Näiden kirjallisuudesta kerättyjen tietojen sekä laboratoriokokeiden perusteella saatujen tulosten pohjalta sivuvirtojen yhteenlasketuille kokonaismäärille (t/a) voitiin laskea karkeasti arvioidut energiapotentiaalit eri säteillä alla olevan taulukon 2 mukaisesti.
Taulukko 2. Sivuvirtojen kokonaismäärille (t/a) 10 km säteellä laskettu biovedyn energiapotentiaali 0,2 GWh/a ja biovedyn tuotannon käsittelyjäännöksen biometaanin energiapotentiaali 3,7 GWh/a.
| 10 km säde | |
| Sivuvirtojen määrä, yhteensä (t/a) | 1 539 |
| Peltobiomassojen VS-pitoisuus (%) | 89,7 |
| Sivuvirtojen määrä, yhteensä (tVS/a) | 1 381 |
| Biovedyn tuottopotentiaali (m3/tVS) | 46,8 |
| Biovedyn tuotto vuodessa (m3/a) | 64 627 |
| H2 m3 = 3 kWh, jolloin kWh/a | 193 881 |
| 1 GWh = 1 000 000 kWh, jolloin GWh/a | 0,2 |
| VS-reduktio biovedyn tuotannossa (%) | 33 |
| Biovedyn tuotannon jälkeen biomassaa biometaanin tuotantoon (tVS/a) | 925 |
| Biovedyn tuotannon käsittelyjäännöksen biometaanin tuottopotentiaali (m3/tVS) | 407,5 |
| Biometaanin tuotto vuodessa (m3/a) | 377 025 |
| CH4 m3 = 9,7 kWh, jolloin kWh/a | 3 657 146 |
| 1 GWh = 1 000 000 kWh, jolloin GWh/a | 3,7 |
Peltobiomassojen sivuvirtojen energiapotentiaalit ja tulosten vertaus
Kuvassa 2 on esitettynä peltobiomassojen sivuvirroista tuotetun biovedyn teoreettiset energiapotentiaalit vuositasolla eri säteillä ja kuvassa 3 taas biovedyn tuotannon käsittelyjäännöksestä tuotetun biometaanin teoreettiset energiapotentiaalit vuositasolla eri säteillä.
Saatuja tuloksia verrattiin ja niiden luotettavuutta arvioitiin kirjallisuudesta löytyviin Pohjois-Savon alueen vedyn ja metaanin energiapotentiaaleihin. Jyväskylän yliopiston laatiman tutkimuksen mukaan Pohjois-Savon alueen peltobiomassojen teoreettinen vedyn energiapotentiaali oli vuonna 2010 noin 66 GWh ja teoreettinen metaanin energiapotentiaali noin 1200 GWh (Tähti & Rintala 2010). Biomassaselvityksen, kirjallisuuden ja laboratoriokokeiden perusteella saatujen tulosten mukaan 50 kilometrin säteellä Kuopion Gasumin biokaasulaitoksesta sivuvirtojen karkeasti arvioitu biovedyn energiapotentiaali oli 15 GWh ja biovedyn tuotannon käsittelyjäännöksen biometaanin energiapotentiaali noin 274 GWh. Tulosten vertailussa tulee kuitenkin huomioida, että Jyväskylän yliopiston tutkimuksen tulokset ovat myös suuntaa antavia ja laskenta perustuu eri lähtökohtiin, kuin tekemämme selvitys. Yleistasolla tarkasteltuna saamamme tulokset olivat kuitenkin linjassa Tähti & Rintala (2010) selvityksessä raportoitujen arvojen kanssa.
Selvityksen tuloksia voidaan suhteuttaa myös Pohjois-Savon primäärienergian kokonaiskulutukseen, joka oli vuonna 2022 noin 14 037 GWh (Itä-Suomen energiatilasto 2022).
Savonia-ammattikorkeakoulun ja Itä-Suomen yliopiston toteuttama BioBoost-hanke on EU:n osarahoittama, jota on rahoitettu Oikeudenmukaisen siirtymän rahastosta (JTF). Rahoituksen on myöntänyt Pohjois-Savon liitto.
Lähteet:
Itä-Suomen maakuntien liitot 2023. Itä-Suomen energiatilasto 2022. https://pohjois-karjala.fi/wp-content/uploads/2024/01/Ita-Suomen-energiatilasto-2022.pdf.
Luonnonvarakeskus. Biomassa‑atlas. Karttapalvelu. https://luonnonvaratieto.luke.fi/numerotieto/raportit?panel=biomassat.
Tähti, H. & Rintala, J. 2010. Biometaanin ja -vedyn tuotantopotentiaali Suomessa. Jyväskylän yliopisto, Bio- ja ympäristötieteiden laitos. https://jyx.jyu.fi/jyx/Record/jyx_123456789_37062.
Sillero, L. Solera, R. & Pérez, M. 2022. Effect of the hydraulic retention time on the acidogenic fermentation of sewage sludge, wine vinasse and poultry manure for biohydrogen production. Biomass and Bioenergy. Volume 167. doi: 10.1016/j.biombioe.2022.106643.
Kirjoittajat:
Elisa Saari, testausinsinööri, Savonia-ammattikorkeakoulu
Eevi Minkkinen, tutkimusinsinööri, Savonia-ammattikorkeakoulu
Miika Virtanen, projektiasiantuntija, Savonia-ammattikorkeakoulu