Biokaasuteknologiaa maatiloilla 1 : Biokaasulaitoksen hankinta, käyttöönotto ja operointi - käytännön kokemuksia MTT:n maatilakohtaiselta laitokselta

Abstract

Biokaasuteknologiaa voidaan hyödyntää maataloudessa monella tapaa. Sen avulla voidaan hyödyntää lannan ja muiden eloperäisten materiaalien energiasisällöt, kierrättää niiden ravinteet kasvintuotannon tarpeisiin, tehostaa typen hyödyntämistä ja hallita maatalouden ympäristövaikutuksia. Prosessin lopputuotteista biokaasu voidaan hyödyntää sähkön, lämmön ja/tai liikennepolttoaineen tuotannossa ja käsittelyjäännös kasvinravinteina pelloilla. Maatilojen biokaasulaitokset käsittelevät Suomessa yleensä pääasiassa kotieläinten lietelantaa. Lisämateriaaleina käytetään erilaisia kasvibiomassoja sekä soveltuvia jätemateriaaleja lähinnä ruuantuotannosta. Lisämateriaalien käytön tavoitteena on yleensä nostaa biokaasutuottoa, mutta ne muuttavat myös käsittelyjäännöksen ravinnepitoisuuksia ja -suhteita. Maatilojen biokaasulaitosten suunnittelu lähtee liikkeelle käytettävissä olevista syöttömateriaaleista sekä niiden määristä ja ominaisuuksista. Laitos mitoitetaan näille massoille ja tarvittava tekniikka valitaan niille soveltuvaksi. Laitoksen suunnittelussa ja liittämisessä olemassa oleviin tilarakenteisiin on monia vaihtoehtoja, joista on hyvä keskustella asiantuntijan kanssa. Näin voi varmistaa tilakohtaisesti oikeat ratkaisut. Myös laitoksen luvittamisessa (rakennus- ja ympäristölupa, turvallisuus, lannoitevalmistelainsäädäntö) kannattaa olla yhteydessä kuhunkin viranomaiseen, jotta luvitusprosessi etenee sujuvasti. Laitoksen kannattavuutta kannattaa pohtia hyvissä ajoin ja miettiä, kuinka se voisi rakentua. Huomioitavia seikkoja ovat mm. saatavilla olevat tuet, investointikustannus, energiantuotto ja sen hyödyntäminen (oma käyttö vai myynti), ravinnekierrot ja mahdollinen väkilannoitetarpeen väheneminen, porttimaksullisten materiaalien vastaanottaminen, parantunut hygienia ja vähemmän hajuja. MTT Maaningan maatilakohtaisella biokaasulaitoksella tehtyjen koeajojen perusteella lypsylehmien lietelanta tuottaa keskimäärin 12–14 m3 metaania per tuoretonni, mikä ko. laitoksella tarkoittaa noin 400 MWh:n verran metaania energiantuotantoon (3500 m3/a lantaa). Kokeissa havaittiin, että lietelannan energiantuottoa on helppo nostaa merkittävästi jo pienelläkin kasvibiomassan lisäyksellä. Kun 10 % syötön tuorepainosta oli nurmisäilörehua, metaanintuotto nousi ainakin 50 % verrattuna pelkkään lannan käsittelyyn. Myös muunlaiset kasvibiomassat voivat toimia lisämateriaalina lannalle. Sipulituotannon sivutuote ja tuoreena korjattu ruokohelpi lisäsivät metaanintuottoa myös merkittävästi. Myös perunantuotannon sivutuotteet soveltuvat biokaasutuotantoon. Koeajojen aikana syöttömateriaalien orgaanista typpeä hajosi, jolloin käsittelyjäännöksessä oli pääasiassa 40– 65 % enemmän liukoista ammoniumtyppeä kuin alkuperäisissä massoissa. Muiden ravinteiden pitoisuudet (fosfori, kalium) eivät merkittävästi prosessissa muutu. Kasvibiomassan lisääminen nostaa jäännöksen typpipitoisuutta ja jäännöksen fosfori:typpi-suhde on kasville käyttökelpoisempi kuin pelkän lannan käsittelyssä. Biokaasulaitoksen energiataseeseen voi vaikuttaa monin tavoin. Tärkeää on kerätä reaktorin jälkeen käsittelyjäännöksestä muodostuva jälkikaasu talteen. Näissä kokeissa sen osuus koko laitoksen tuottamasta metaanista ja täten myös energiasta oli 13–20 %. Lisäksi laitoksen omaa sähkönkulutusta voi vähentää optimoimalla erityisesti sekoituksen alimmalle tarvittavalle tasolle. MTT Maaningan laitos kulutti koeajoissa tuottamansa kaasun energiasisällöstä 11–14 % sähkönä ja 15–26 % lämpönä.

Biogas technologies can be applied for several different purposes in agriculture. It is a means to utilise the energy content of manure and other organic materials, to recycle their nutrients into plant production, enhance utilisation of nitrogen and to mitigate emissions from agriculture. Of the two end-products, biogas can be utilised in the production of heat, electricity and/or vehicle fuel and digestate as fertiliser on fields. Agricultural biogas plants digest mainly animal manure in Finland. Several co-substrates are also used, including different plant biomasses and suitable by-products from especially food production. The aim of using cosubstrates is usually to increase the amount of energy produced but they also affect the nutrient content and ratios in the digestate. Planning agricultural biogas plants starts from available fee materials, their amounts and characteristics. The biogas plant is designed for these materials and the technologies used are chosen to suit them. There are several options for plant design and how it can be attached into existing farm structures and it is wise to discuss these matters with an expert. In this way, correct farm-specific decisions can be made. When permitting the plant (permission for construction, environmental permit, safety issues, fertiliser legislation), it is important to make contact with the respective authority. Profitability of the biogas plant should be considered carefully. Things to consider include e.g. available financial incentives, investment cost, energy production and utilisation (own use or sale), nutrient recycling and potential avoidance of mineral fertilisers, co-substrates with gate fee, improved hygiene and less odours. Experiments at MTT Maaninka farm-scale biogas plant showed that dairy cow slurry produces 12–14 m3 of methane per ton of fresh weight. In this specific biogas plant this results potentially in methane production with an energy content of 400 MWh (3500 m3 of slurry per year). It was easy to improve methane production with a small addition of plant biomasses. When 10% of the feed fresh weight was grass silage, methane production increased by at least 50% as compared to digesting slurry alone. Also other plant biomasses are suitable. Onion by-product and freshly harvested reed canary grass increased methane production significantly and by-products from potato production were shown suitable. Organic nitrogen was degraded during the digestion resulting mostly in 40–65% of more ammonium nitrogen in the digestate than in the original feed materials. The content of other nutrients (phosphorus, potassium) was not altered. Plant biomass as co-substrate increases the nitrogen content of the digestate and makes its P:Nration more suitable for plants as compared to slurry alone. The energy balance of an agricultural biogas plant can be optimised in different ways. An important thing is to collect the post-biogas still emitted from the digestate after the actual digester. In the current experiments, the post-biogas comprised of 13–20% of all methane and thus also energy produced in the farm-scale plant. Also the electricity consumption of the biogas plant can be decreased by optimising especially the mixing. The MTT Maaninka farm-scale biogas plant consumed 11–14% of the energy it produced as electricity and 15– 26% as heat.