Biokaasulaitokset - syötteistä lopputuotteisiin

Työn tavoitteena oli tarkastella lantaa käsittelevän biokaasulaitoksen kokonaisketjua raaka-aineiden hankinnasta tai varastoinnista lopputuotteiden käyttöön sekä tunnistaa ketjun energia- ja ravinnetaseiden sekä ympäristövaikutusten näkökulmasta parhaat toimintatavat. Työ jakautui kahteen osaan: osa 1 tarkastelee laitosta (käsittelykapasiteetti 19 500 t/a), jonka pääsyöte on lanta ja vertailee kolmen lisäsyötteen vaikutusta taseisiin ja ympäristövaikutuksiin. Osa 2 tarkastelee erilaisia käsittelyjäännöksen jatkojalostusvaihtoehtoja kokoluokaltaan 100 000 t/a biokaasulaitoksessa. Biokaasulaitoksen taseet ja ympäristövaikutukset riippuvat käytetyistä syötteistä ja prosesseista, joten tämän työn tuloksia ei voi suoraan yleistää koskemaan yksittäisiä laitoksia. Tulokset osoittavat kuitenkin eri osaprosessien suhteellista merkitystä taseiden ja ympäristövaikutusten kannalta. Lietelannan lisäsyötteinä käytetyillä lietelannan kuivajakeella, HVP-nurmella ja elintarviketeollisuuden sivutuotteella oli vain pieni vaikutus käsittelyjäännöksen ominaisuuksiin, kun lisäsyötteen määrä oli alle 20 % kokonaismäärästä. Syötteiden massasta noin 8 % muuttui biokaasuksi ja 92 % muodosti käsittelyjäännöstä. Käsittelyjäännös voidaan separoida neste- ja kuivajakeiksi tuotteen kuljetettavuuden ja käytettävyyden parantamiseksi. Käsittelyjäännöksen separoinnissa noin 80 % massasta päätyy nestejakeeseen ja 20 % kuivajakeeseen. Ravinteista noin 70 % kokonaistypestä päätyy nestejakeeseen ja 70 % fosforista kuivajakeeseen. Lietelannan lisäsyötteet tuottivat 37–53 % biokaasulaitoksella muodostuvasta metaanin kokonaismäärästä, vaikka niiden osuus oli vain alle 20 % syötteiden kokonaismassasta. Tarkastelluissa biokaasuketjuissa koko ketjun energiankulutus oli 23–35 % tuotetun biokaasun energiasisällöstä, jolloin ylijäämäenergiaa jäi 65–77 %. Ympäristövaikutusten kannalta kaikki tarkastellut biokaasuketjut olivat parempia verrattuna referenssitilanteeseen. Biokaasuketjujen ilmastovaikutukset olivat negatiiviset, eli ketjussa syntyvät päästöt olivat pienemmät kuin korvattavien tuotteiden (mineraalilannoitteet ja fossiilinen energia) päästöt. Sekä ilmastonmuutos- että rehevöitymistarkastelussa suurin osa ketjun ympäristövaikutuksista aiheutui ravinteiden peltokäytöstä. Käsittelyjäännöksestä separoitujen jakeiden jatkojalostuksella voidaan vähentää kuljetettavan massan määrää ja siten kuljetuskustannuksia. Ravinteiden fraktiointi ja konsentrointi parantavat ravinteiden käytettävyyttä sekä lannoituskäytössä että teollisuuden sovellutuksissa. Kokoluokaltaan 100 000 t/a laitoksen kokonaisketjussa tuotetun biokaasun energiasisällöstä noin 23 % kului varsinaisen biokaasuprosessin toimintaan ja käsittelyjäännöksen separointiin. Nestejakeen jatkojalostusprosessit kuluttivat energiaa 10–14 % ja tuotteiden kuljetukset ja peltolevitys 5–9 % syötteiden energiasisällöstä. Ylijäämäenergian osuus oli 58–62 %, kun kuivajakeelle ei tehty jatkojalostusta. Jatkojalostuksen osalta merkittävin päästöjen aiheuttaja oli sekä ilmastovaikutuksen että rehevöittävän vaikutuksen osalta jakeiden peltokäyttö. Ilmastovaikutusten osalta myös kemikaalien käytöllä on suuri merkitys.201

Biokaasuketjun ravinne- ja energiataseet sekä ilmastovaikutukset

201

TEHO-hankkeen raportteja, osa 3 : Fosforin kerrostuminen, Lietteenlevitys sokerijuurikkaalle, Lannan levityskokeilut, Separointi, Typen poisto

Tehoa maatalouden vesiensuojeluun (TEHO) -hankkeen tavoitteena on edistää maatalouden vesiensuojelua. Tähän julkaisuun on koottu tuloksia TEHO-hankkeen aikana tehdyistä kokeiluista ja seurannoista. Julkaisun ensimmäinen osa käsittelee fosforin kerrostumista suorakylvölohkoilla ja suojavyöhykkeillä. Fosforin kerrostuminen maan pintakerroksiin pellon muokkauksen loputtua on ongelmallista varsinkin liukoisen fosforin osalta, koska se on tällöin alttiina huuhtoutumiselle pintavalunnan mukana. Toisessa osassa käsitellään TEHO-hankkeen ja Sokerijuurikkaan tutkimuskeskuksen yhteistyössä toteuttamaa kokeilua, jossa lietelantaa levitettiin sokerijuurikkaalle kasvukaudella. Näin voidaan vähentää maan tiivistymistä ja saada ravinteet paremmin juurikkaiden käyttöön. Kolmannessa osassa kuvataan sian lietelannan ja biokaasulaitoksen maanparannusmädätteen vaikutuksia ohrasatoon eri lannanlevitysmenetelmillä. Neljänteen osaan on kerätty kokemuksia lietelannan separointikokeilusta kahdeksalla TEHO-tilalla. Viides osa käsittelee vermikuliittia (GeoTrap), joka on Turun yliopistossa kehitetty materiaali ammoniumtypen poistoon. Sitä voitaisiin hyödyntää lannan typpivalumien ehkäisyyn ja typpiravinteiden talteenottoon esimerkiksi jaloittelutarhojen valumavesistä. Julkaisu on toteutettu osana Tehoa maatalouden vesiensuojeluun (TEHO) -hanketta

Lämpökemiallisen käsittelyn vaikutus jätevesilietefosforin lannoitusarvoon

Jätevesien fosfori kiertoon lannoitteeksi (PRecover) -hankkeen loppuraporttiRavinteiden kierrätyksen edistämiseksi viljelykasvien lannoitustarve tulee tyydyttää yhä enenevässä määrin orgaanisilla ravinnerikkailla sivuvirroilla, joista merkittävimmät ovat tuotantoeläinten lannat ja jätevedenpuhdistuksessa muodostuva jätevesiliete. Tuotantoeläinten lanta päätyy jo nykyisellään suurimmaksi osaksi takaisin maatalouden ravinnekiertoon, kun taas jätevesilietteiden ravinteista suurin osa ohjautuu maatalouden sijasta viherrakentamiseen. Jätevesilietteiden käyttöä lannoitteena rajoittavat epätietoisuus orgaanisten haitta-aineiden ja raskasmetallien mahdollisesta siirtymisestä ruokaketjuun sekä vaikutuksisista maaperäeliöihin. Yksi mahdollisuus vähentää jätevesilietteiden orgaanisia haitta-ainepitoisuuksia on jätevesilietteiden lämpökemiallien käsittely. Jätevesilietteiden sisältämän fosforin käyttökelpoisuus kasveille voi kuitenkin muuttua lämpökemiallisten käsittelyjen myötä, mutta asiasta on vähän tutkimustietoa. Maa- ja metsätalousministeriön rahoittamassa ”Jätevesien fosfori kiertoon lannoitteeksi (PRecover)” -hankkeessa selvitettiin lämpökemiallisten käsittelyjen, torrefioinnin ja märkähiillon (HTC), vaikutusta lietefosforin välittömään käyttökelpoisuuteen kasvatuskokeilla. Tutkimuksessa selvitettiin myös kotieläinlantafosforin (sian-, naudan- ja ketunlannan) käyttökelpoisuus ja orgaanisten fosforilähteiden aikaansaamaa satoa verrattiin väkilannoitefosforin vastaavaan. Hankkeessa tutkittiin myös muiden menetelmien soveltuvuutta ennustamaan orgaanisten fosforilähteiden lannoitusvaikutusta. Lisäksi määritettiin kasvinravinteiden ja haitallisten raskasmetallien pitoisuudet ohran jyvissä ja oljissa. Lämpökemiallisilla käsittelyillä pystyttiin muokkaamaan jätevesilietteen fysikaalisia ominaisuuksia ja muodostamaan erottuva biohiilifraktio. Rautasaostetun lietteen torrefiointi- ja HTC-käsittelyt vähensivät raudan sitomaa fosforipitoisuutta 75 %:sta 20 %:iin, lisäten vastaavasti vahvaan happoon liukenevan fosforin osuutta 22 %:sta 78 %:iin (Hedleyn fraktiointi). Märkähiillytyksessä neste- ja kuivajakeen erottamiseksi tarvittava käsittelyaika oli 30 minuuttia 230 °C:ssa ja fosfori sitoutui suurimmaksi osaksi kiintoainekseen, muodostaen rauta- ja kalsiumyhdisteitä. Hiilijakeeseen sitoutunut fosfori voidaan erottaa nestejakeeseen vahvalla hapolla, mutta tässä tutkimuksessa valituilla lämpökemiallisilla menetelmillä ei pystytty luomaan tarpeeksi kestävää biohiilijaetta, joka olisi mahdollistanut em. uuton ilman hiilen liukenemista. Mädätetyn ja kompostoidun jätevesilietefosforin välitön käyttökelpoisuus ohralle oli noin 10 %. Kalkkistabilointi paransi fosforin käyttökelpoisuuden 37 %:iin, kun taas torrefiointi ja märkähiilto alensivat fosforin välittömän käyttökelpoisuuden muutamaan prosenttiin. Kotieläinlannoissa paras fosforin välitön käyttökelpoisuus oli sian lietelannassa, jopa 160 % väkilannoitefosforiin verrattuna. Fosforin käyttökelpoisuuden kasveille ennusti mädätetyssä ja kompostoidussa jätevesilietteessä sekä naudan- ja sianlannassa parhaiten rauta ja – alumiinipitoisuuden moolisuhde suhteessa fosforin vastaavaan. Lannoitevalmistelain mukaisista fosforin käyttökelpoisuuden määrittämiseen käytettävistä uuttoliuoksista käyttökelpoisuuden ennusti parhaiten 2 % muurahaishappo, kun taas 2 % sitruunahappo ja 1 M neutraali ammoniumsitraatti-EDTA yliarvioivat sen. DGT- menetelmä ennusti puolestaan parhaiten fosforin liukoisuuden muutoksen maassa ja sen yhteyden kasvatuskokeissa havaittuun fosforin käyttökelpoisuuteen. Muut viljavuusuuttoliuokset (hapan ammoniumasetaatti, Mehlich-3 ja Olsen-P) sen sijaan yliarvioivat fosforin käyttökelpoisuuden. Jätevesilietteet tai kotieläinlannat eivät kohottaneet ohran jyväsatojen kadmium-, lyijy-, nikkeli-, arseeni- tai kromipitoisuuksia. Myöskään jätevesilietteiden torrefiointi tai HTC-käsittely eivät kasvattaneet jyväsadon raskasmetallipitoisuuksia. Jätevesilietefosforin potentiaalia fosforilannoitteena voidaan havainnollistaa laskemalla lannan ja jätevesilietteen fosforin riittävyys viljelykasvien tarpeisiin alueellisesti. Kun ensin huomioidaan lannan fosforisisältö eri ELY-keskusten alueilla, jäljelle jäävä lannoitustarve on tällä hetkellä suurin Uudellamaalla. Uudellamaalla muodostuva jätevesilietefosfori myös kattaisi kasvien jäljelle jäävän fosforilannoitustarpeen, jos olisi käytössä lietteenkäsittelytekniikoita, jotka nostaisivat fosforin käyttökelpoisuuden lähes väkilannoitefosforin veroiseksi. Tässä tutkimuksessa kehitetyt lämpökemialliset käsittelyt eivät kuitenkaan parantaneet fosforin käyttökelpoisuutta kasveille, minkä tulisi olla tärkeä tavoite fosforikierron tehostamiseksi.201

Maatilojen biokaasulaitokset : Mahdollisuudet, kannattavuus ja ympäristövaikutukset

Maatilojen biokaasulaitokset voisivat olla olennainen osa tuotantoketjua. Niiden avulla voidaan hyödyntää tiloilla muodostuvat jätteet ja sivutuotteet, kuten lanta ja erilaiset kasvintuotannon sivutuotteet tehokkaasti energiana ja kierrätysravinteina. Samalla on mahdollista tehostaa maatalouden päästöjen hallintaa. Maatalouden biokaasulaitosten käyttöönoton haasteena on kuitenkin ollut kannattavuus. Suurehko kertainvestointi ei ole lukuisista hyödyistään huolimatta välttämättä noussut riittävän kannattavaksi verrattuna muihin energiantuottovaihtoehtoihin nähden. Tässä raportissa esittelemme kahdelle todelliselle kotieläintilalle suunnitellut biokaasulaitokset, niiden tekniset ratkaisut, kannattavuuden arvioinnit sekä ympäristövaikutukset verrattuna tilan nykyiseen toimintaan ilman biokaasulaitosta. Laitokset ovat tapauskohtaiset esimerkit, joita myös muut asiasta kiinnostuneet maatilat voivat hyödyntää pohtiessaan mahdollisuuksiaan toteuttaa oma tilakohtainen biokaasulaitos. Laitokset suunniteltiin lypsykarjatilalle ja sikatilalle. Niiden lähtökohtana oli pääasiassa tehostaa tilojen lannan hyödyntämistä erityisesti lämmöntuotannossa ja ravinteina. Suunnittelussa pyrittiin hyödyntämään tilan olemassa olevia rakenteita, kuten lietesäiliöitä ja lämpökeskuksia. Lypsykarjatilalle laskettiin kaksi laitosvaihtoehtoa, joista toinen hyödynsi pelkän lietelannan ja tuotti lämpöä ja toinen hyödynsi lannan lisäksi tilan hävikkisäilörehun ja tuotti sekä sähköä että lämpöä. Sikatilalle laskettiin laitos, joka hyödynsi tilan liete- ja kuivikepohjalannat lämmöntuotannossa. Lypsykarjatilalla pelkän lietelannan käsittely lämmöksi ei ollut kannattavaa, mutta lannan ja hävikkisäilörehun käsittely sähköksi ja lämmöksi oli yhtä kannattavaa kuin hakelämpöön ja ostosähköön perustuva energiaratkaisu. Investointituki (35 %) oli kannattavuudelle välttämätön. Uuden lietesäiliön rakentaminen vanhan muuntamisen sijaan oli kannattavampaa, sillä uuden säiliön käyttöikä on merkittävästi vanhaa allasta pitempi. Vanhat säiliöt kannatti ennemmin hyödyntää varastosäiliöinä käsittelyjäännökselle. Laitoksen myötä tila sai myös levitykseen enemmän liukoista typpeä käsittelyjäännöksen lannoitekäytössä. Sikatilalla lantojen käsittely lämmöksi oli kannattavuudeltaan investointituen ja uuden reaktorialtaan myötä lähes sama kuin hakkeella. Kannattavuus olisi mahdollisesti saavutettu myös hyödyntämällä alueen suojavyöhykenurmet ja tuottamalla sekä sähköä että lämpöä. Tätä ei kuitenkaan hankkeessa laskettu. Laitosten ympäristövaikutukset ovat riippuvaisia tuotetun energian hyödyntämisestä ja käsittelyjäännöksen varastoinnin ja levityksen ratkaisuista. Mikäli koko tuotettu biokaasuenergia voidaan hyödyntää ja energialla saadaan korvattua fossiilisiin polttoaineisiin pohjatuvia energiamuotoja, laitosten vaikutus ilmastonmuutokseen on raakalannan hyödyntämistä vähäisempi. Oikeanlaisella lannankäsittelyn kokonaisratkaisulla voidaan myös vähentää tilan happamoitumis- ja rehevöitymisvaikutuksia. Tällöin jäännös on varastoitava katetusti ja levitettävä kasvukaudella (keväällä, kesällä) multaavilla menetelmillä.201

Lietelannan happokäsittely lannan ravinteiden käytön tehostamisen tukena

Ammoniakin haihtuminen voi kuluttaa levityksen jälkeen lietteen ammoniumtypestä kymmeniä prosentteja. Haihtumisen suuruuteen vaikuttavat lietteen, maaperän ja sään ominaisuudet sekä levitysmenetelmä. Jos lietteen pH on valmiiksi tai se lasketaan alle 6,5:n, alhainen pH vähentää tehokkaasti ammoniakin haihtumista. Tanskassa kehitettyä levityksen aikana rikkihappoa lisäävää SyreNlaitteistoa testattiin Varsinais-Suomessa kesällä 2014 kenttäkokeessa, jossa koekasvina oli ohra. Ohralle annettiin typpeä 60 kg/ha kylvölannoituksen yhteydessä mineraalilannoitteena, ja kolmea erilaista lietettä levitettiin kasvustoon 40 kg N/ha tavoitetason mukaiset määrät. Levityksen jälkeen ilman lämpötila oli matala ja tuulen nopeus pieni, minkä takia ammoniakin haihtuminen oli vähäistä. Happolisäys säästi typpeä vain muutamia kiloja kasvuston käyttöön. Koepellon orgaanisen typen vapautuminen oli runsasta, ja 60 kg/ha typpitaso tuotti jo 90 % saavutetusta maksimisadosta. Happolisäyksestä havaittiin vain pientä sadon lisääntymistä. Koepellon viljavuusrikin pitoisuus oli välttävä, ja eri lietteissä annettu rikkilisä oli 18–55 kiloa hehtaarille. Rikkihapon runsas lisäys nosti viljavuusrikin pitoisuutta, muttei alentanut pH:ta syksyn maanäytteissä. Hapotuksen kustannusten kattamiseksi olisi saatava noin 200 kg/ha lisäsatoa. Levitysmenetelmien ympäristövaikutuksia tarkasteltiin elinkaariarviointiin perustuvalla menetelmällä. Lietelannan levitysmenetelmien ilmastovaikutus oli suunnilleen yhtä suuri letkulevityksellä, happolisäyksellä ja sijoittamisella. Levitysajankohta vaikuttaa varsinkin typen huuhtoutumiseen enemmän kuin levitysmenetelmä. Syyslevitystä tulee enenevästi korvata lisäämällä lietelannan levitystä kasvustoon kesällä kylvön jälkeen. Kun kesälevityksessä käytetään joko sijoituslevitystä tai letkulevitystä happolisäyksellä, ammoniakin haihtuminen vähenee ja lietteen liukoinen typpi saadaan paremmin kasvien käyttöön.201

Lantaravinteiden kestävä hyödyntäminen tiloilla ja keskitetyssä biokaasulaitoksessa

Kotieläintiloilla lannan kestävän hyödyntämisen haasteena on useimmiten ylimäärä fosforia suhteessa typpeen, kasvien tarpeisiin ja levityspinta-aloihin. Tällöin lannan ravinteita ei pystytä hyödyntämään kasvintuotannossa optimaalisesti, mikä rasittaa tilan taloutta ja aiheuttaa haitallisia ympäristövaikutuksia. Haaste korostuu etenkin sikataloudessa. Tilojen kannalta olisi tärkeää löytää uusia ja kustannustehokkaita hyödyntämismalleja ylimääräiselle fosforille. Lannan sisältämä typpi tarvitaan yleensä oman tilan kasvintuotantoon. Tässä tutkimuksessa selvitettiin linkouksen soveltuvuutta ja ravinteiden erottelutehoa erilaisten sian lietelantojen käsittelyssä, koska sian lietelannan linkouksesta ei ole juuri kokemusta Suomessa. Samalla selvitettiin tuoreen sian lietelannan ja siitä erotettujen jakeiden metaanintuottopotentiaalit. Linkotestauksen tuloksia sovellettiin tilatason ja aluetason tarkasteluissa. Tilatasolla tarkasteltiin linkouksen rinnalla ruuvipuristinta ja molempien erottelumenetelmien taloudellista kannattavuutta ja ympäristövaikutuksia. Aluetason tarkastelu tehtiin Vakka-Suomeen, jonka sikojen, nautojen ja munituskanojen lantamäärät sekä typpi- ja fosforimäärät laskettiin alueellisen ravinnetaseen lähtökohdaksi. Aluetasolla keskityttiin erityisesti sikatalouteen ja linkousmenetelmien vaikutuksiin aluetason ravinnetaseisiin. Lisäksi tehtiin vertailua laskeutuksesta tilatason fosforin erottelumenetelmänä. Keskitettynä lannankäsittelymenetelmänä tarkasteltiin biokaasulaitosta, joka ottaa väkevöitynä talteen mädätysjäännöksen ravinteet. Keskitetyn biokaasulaitoksen taloudellista kannattavuutta tarkasteltiin kolmella erilaisella maatalouden massoihin perustuvalla käsittelykonseptilla sekä erilaisilla biokaasun hyödyntämisvaihtoehdoilla. Lopuksi arvioitiin myös aluetason ympäristövaikutuksia tilatason tarkastelujen pohjalta. Linkous todettiin tehokkaaksi fosforin erotusmenetelmäksi, mutta sen kustannukset olivat suuremmat kuin ruuvipuristimen ja lietelantana hyödyntämisen. Yksikkökoon kasvaessa erot kuitenkin pienenevät. Tutkimuksessa tarkastelluilla separointimenetelmillä ei ole mahdollista päästä kuivajakeessa 30 % kuiva-ainepitoisuuteen ilman kustannusten kasvua ja/tai fosforin erotustehokkuuden heikkenemistä. Kuivajakeen peltovarastoaumojen peittäminen vähentää varastoinnin aiheuttamia ammoniakkipäästöjä selvästi, samoin kuin se, että ne levitetään sijoittaen tai levityksen jälkeen nopeasti maahan mullaten. Ylipäänsä aumojen peittäminen ja altaiden kattaminen on ammoniakkipäästöjen kannalta olennaista sekä raakalannalla että biokaasulaitoksen tuottamilla ravinnetuotteilla. Biokaasukäsittelyyn lanta tai sen jakeet tulisi saada mahdollisimman tuoreena, että mahdollisimman suuri osa energiantuotantopotentiaalista säilyy käsittelyyn saakka. Lyhyillä varastointiajoilla voidaan myös alentaa lannankäsittelyn ympäristövaikutuksia. Lantojen keskitetyssä käsittelyssä on mahdollista tuotteistaa ja uudelleenjakaa merkittävä määrä alueellisesta lantafosforista edellyttäen, että laitos käyttää mädätysjäännöksen jalostamisessa ravinteiden talteeotto- ja väkevöintimenetelmiä, joiden ravinnehävikit minimoidaan. Lannan keskitetty biokaasulaitoskäsittely on mahdollista toteuttaa kannattavasti sähkön tuotantotuella tai biokaasun myynnillä liikennepolttoaineeksi. Jos biokaasulaitos tuottaa päästöt minimoiden kannattavasti kuljetettavia ravinnetuotteita, jotka voidaan hyödyntää niitä tarvitseville alueille ravinneylijäämän alueen sijaan, saavutetaan ympäristöhyötyjä.201

Luomuviljan sato hyötyy lietelannoituksesta

Nimekkeen selvennys: Yield of organically grown cereals benefits from slurry.Viljoista ruis ja kaura soveltuvat parhaiten luomuviljelyyn. Sen sijaan ohra ja vehnä ovat vaateliaita maan kasvukunnon suhteen ja tarvitsevat runsaasti ravinteita. Tutkimuksessa on selvitetty, parantavatko lietelanta tai viherkate luomuviljan typpilannoitusta.vo

Turpeeseen sekoitetun naudanlietelannan lannoitusvaikutus ja varastoinnin aikaiset ravinnehävikit

vokKirjasto Aj-kThe fertilization effect of peat manure and nutrient losses during storag