Simo Mäenpää
Uusiutuvaan energiaan perustuva energiajärjestelmä pohjautuu paikallisesti saatavilla olevien resurssien hyödyntämiseen. BioKaMa -hankkeessa olemme havainneet, että Pohjois-Pohjanmaalla biokaasulla tulee olemaan merkittävä rooli uudessa energiajärjestelmässä. Biokaasua voidaan hyödyntää useissa sovelluksissa, ja tällöin kaasu on jalostettava käyttötarkoitusta parhaiten palvelevaan muotoon. Artikkelissa tarkastellaan lyhyesti, kuinka erialaiset käsittelytavat voivat tarjota etuja tai haittoja erilaisissa sovelluksissa. Miksi biokaasun jalostaminen energiatehokkaimpaan muotoon ei ole aina järkevin ratkaisu?
Biokaasu on orgaanisesta aineesta mädättämällä valmistettua kaasua, joka sisältää runsaasti metaania ja hiilidioksidia. Metaani on palava komponentti, ja biokaasun voidaankin ajatella olevan sitä arvokkaampaa, mitä korkeampi metaanin osuus on tuotetusta kaasusta. Yleensä metaanin pitoisuus on 50 – 70 % biokaasun tilavuudesta ilmakehän paineessa. (Tolonen 2020.)
Reaktorista tuleva biokaasu eli raakakaasu sisältää pienen määrän useita erilaisia ainesosia, joista osa omaa haitallisia ominaisuuksia ja siten estävät kaasun hyödyntämisen lähes kaikissa sovelluksissa. Nämä ainesosat on poistettava ennen käyttöä, ja poistotoimenpidettä kutsutaan biokaasun puhdistamiseksi. Puhdistuksen jälkeen raakakaasu on muuttunut biokaasuksi, joka sisältää ainoastaan metaania ja hiilidioksidia sekä vähän sellaisia aineita, jotka eivät aiheuta haitallisia vaikutuksia käyttösovelluksissa. (Tolonen 2020.)
Raakakaasusta puhdistettu biokaasu
Biokaasua voidaan käyttää useisiin lähellä biokaasureaktoria oleviin sovelluksiin. Biokaasun avulla voidaan Tolosen mukaan tuottaa lämpöä, sähköä tai sitä voidaan Junttilalta saadun tiedon mukaan käyttää reaktorin välittömässä läheisyydessä operoivien työkoneiden polttoaineena. (Junttila 2022; Tolonen 2020.) Lämmön- ja sähköntuotanto voi tapahtua yhdistetyllä tuotannolla, joka tarkoittaa esimerkiksi sitä, että polttomoottorin tuottama pakokaasun hukkalämpö otetaan talteen ja käytetään lämmitykseen (Karjalainen 2017, 46).
Yleisesti tiedetään, että biokaasun energiatiheys on riippuvainen kaasun massan ja tilavuuden suhteesta toisiinsa. Hovlandin raportista selviää, että biokaasussa oleva hiilidioksidi nesteytyy korkeassa paineessa, jos lämpötila ei ole riittävän korkea. Sopiva lämpötila estää hiilidioksidia muuttumasta nestemäiseen muotoon pitäen hiilidioksidin ylikriittisessä tilassa. (Hovland 2017.) Kirjoittajan käsitys on, että jos biokaasua paineistetaan säiliöihin, pidetään biokaasun paine niin matalana, ettei hiilidioksidi nesteydy missään lämpötilassa. Matalassa paineessa varastoiminen tarkoittaa sitä, että kaasua mahtuu säiliöihin määrällisesti vähemmän verrattuna korkeassa paineessa tapahtuvaan varastoimiseen. Tämä tarkoittaa biokaasun tapauksessa sitä, että sen energiatiheydelle on olemassa raja. Matala energiatiheys tarkoittaa sitä, ettei biokaasun siirtäminen painesäiliöissä ole yleensä taloudellisesti kannattavaa toimintaa ja ettei biokaasukäyttöisillä ajoneuvoilla voida saavuttaa riittävän laajaa toimintamatkaa.
Vinkiltä saadun tiedon mukaan biokaasun siirtäminen on mahdollista matalapaineisessa putkistossa, joten biokaasun siirtäminen on mahdollista (Vinkki 2022). Välimäen raportista voimme havaita, että siirtoputkiston rakentamisen kannattavuuteen vaikuttaa rakennettavan putkiston pituus suhteessa siirrettävän kaasun määrään. Siirtoputkiston rakentamisen kannattavuus on arvioitava aina tapauskohtaisesti. Putkiston rakentamisen kustannuksia on useassa tapauksessa perusteltua vertailla jalostetun biometaanin siirtokustannuksiin maantiekuljetuksessa. (Välimäki 2021.)
Biokaasusta jalostettu biometaani
Tolosen mukaan biokaasun sisältämän hiilidioksidin poistamista kutsutaan biokaasun jalostamiseksi. Lähes pelkästään metaania sisältävää biokaasusta jalostettua kaasua kutsutaan biometaaniksi. (Tolonen 2020.) Biometaania on mahdollista paineistaa korkeaan paineeseen, jolloin energiatiheys kasvaa huomattavasti (Suomen Biovoima 2019a). Energiatiheyden kasvu mahdollistaa biometaanin hyödyntämisen liikennepolttoaineena. Biokaasu jalostetaan biometaaniksi kirjoittajan käsityksen mukaan yleensä siksi, että biokaasu halutaan hyödyntää liikennepolttoaineena tai biokaasulle ei ole paikallista käyttöä riittävästi, ja biokaasun siirtämisen tehokkuus pitää saada riittävän korkeaksi.
Suomen Biovoima Oy:n mukaan biometaanin paineistamiseksi voidaan käyttää kompressoria. Biometaani paineistetaan kuljetuksia varten usein 250 baarin paineeseen. (Suomen Biovoima Oy 2019a.) Tämä tarkoittaa sitä, että biometaania voidaan siirtää noin 250 kertaa suurempi määrä massallisesti samalla tilavuudella verrattuna ei paineistettuun kaasuun (Suomen Biovoima Oy 2019b). Tilavuustehokkuuden ollessa kriittinen tekijä on biometaanin nesteyttäminen mahdollista (Suomen biokaasu Oy 2019a). Nesteytetyn biometaanin määrä massallisesti on noin 600-kertainen verrattuna kaasumaiseen biometaaniin ilmakehän paineessa (Broumand, P & Haapanen, O. 2020).
Nesteytetyn biometaanin aikaansaamiseksi on kaasu jäähdytettävä noin -163 °C lämpötilaan (Suomen Biovoima Oy 2019a). Nesteytysyksiköt ovat yleensä suuressa mittakaavassa toimivia laitoksia, jolloin maatilalla tuotettava kaasu on yleensä ensin siirrettävä nesteytysyksikköön. Mittakaavaa kasvattamalla saadaan nesteytyksessä aikaiseksi yleensä pienemmät kustannukset per nesteytetty tonni (Tolonen 2020). Voidaan siis päätellä, että nesteytysyksiköiden määrät sekä sijainnit on tällöin järkevää mitoittaa biometaania tuottavien laitoksien perusteella.
Nesteytetty biometaani varastoidaan tyhjiöeristettyihin säiliöihin, tyhjiön avulla tavoitellaan mahdollisimman pientä ulkoilmasta tulevaa lämpökuormaa. Lämpötilaeron ollessa suuri tapahtuu hyvästä eristyksestä huolimatta lämpövirtausta säiliön ulkopuolelta säilöön, mikä aiheuttaa nesteytetyn biometaanin kiehumista. Tämä aiheuttaa sen, että osa nestemäisessä muodossa olevasta metaanista muuttuu takaisin kaasumaiseen muotoon. Olomuodon muutoksen seurauksena biometaanin tilavuus kasvaa, jonka seurauksena säiliön paine taas kasvaa. Säiliön paineen nousun rajoittamiseksi on säiliöstä poistettava kaasumaiseen muotoon muuttunut metaani. (Kajolinna ym. 2019.)
Uusiutuvalla energialla tavoitellaan pienempiä päästöjä
Metaani on kasvihuonekaasu, jolla on huomattavasti hiilidioksidia suurempi vaikutus tonnimäärissä vertaillen säteilypakotteeseen. Tämä tarkoittaa sitä, että ilmakehässä oleva metaani sitoo itseensä hiilidioksidia paremmin maanpinnalta takaisin avaruuteen heijastuvaa lämpösäteilyä. (IPCC 2001.)
Kirjoittajan käsitys on, että uusiutuvan energian käytön perimmäisenä tarkoituksena on vähentää fossiilisen energian käyttöä, koska fossiilinen energia aiheuttaa ilmakehässä kasvihuonekaasujen pitoisuuden nousua ja täten kiihdyttää ilmastonmuutosta. Tästä syystä nestemäistä metaania käyttävien sovellusten on oltava sellaisia, ettei metaanivuotoja pääsisi ympäristöön. Siksi nestemäinen biometaani ei sovellu polttoaineeksi henkilöautoon, jonka käyttö on satunnaista.
Nestemäinen biometaani soveltuu liikenteen polttoaineeksi kuorma-autoissa tai sitä raskaammassa liikenteessä. Nestemäisen biometaanin käyttäminen ajoneuvoissa vaatii paineistettuun kaasuun verrattuna monimutkaisemman laitteiston, jonka toteuttaminen on kalliimpaa. (Hexagon Agility 2014.) Kulutuksen ollessa riittävän suurta voidaan suuremmat kustannukset hyväksyä, koska näitä vastaan saadaan riittävästi muita etuja. Etuna on mm. huomattavasti kasvanut toimintamatka, joka mahdollistaa useissa tapauksissa operoinnin sellaisilla reiteillä, jotka eivät olisi mahdollisia paineistettua kaasua käyttäen (e-kaasuasemat).
Kaasun nesteyttäminen mahdollistaa myös erittäin pitkät kuljetusmatkat, jopa mantereiden väliset siirrot laivakuljetuksilla (Suomen Biovoima Oy 2019a). Kirjoittajan käsityksen mukaan biokaasun kuljetuksien tarve tai järkevyys mannerten välillä voidaan silti kyseenalaistaa lähes kaikissa tapauksissa.
Biokaasun jalostaminen ja muuttaminen suurempaan energiatiheyteen kuluttaa energiaa, josta seuraa, että saadun nettoenergian määrä on pienempi verrattuna vähemmän käsiteltyyn tuotteeseen. Energian säästö liikennesektorilla voi tarjota suurempia vähennyksiä fossiilisen energian käytöstä verrattuna lämmityskäyttöön, jolloin pienempi nettoenergian saanto voidaan hyväksyä. Biokaasun käytön ollessa paikallista, ei ylimääräisistä toimenpiteistä saada etua. Tällöin suurimmat hyödyt saadaan aikaiseksi käyttäen mahdollisimman vähän käsiteltyä kaasua.
Artikkelin kansikuvassa on biokaasua biometaaniksi jalostava yksikkö Mikkelin Haukivuoressa. Kuva: Simo Mäenpää.
Lähteet
Broumand, P & Haapanen, O. 2020. LNG – turvallinen kuljetusketju. Helsinki: Työturvallisuuskeskus, Kuljetus- ja logistiikkaryhmä. Saatavissa: http://ttk.fi/files/7320/LNG_turvallinen_kuljetusketju_2020201.pdf. Viitattu 27.5.2022.
E-kaasuasemat. LNG eli nesteytetty maakaasu. LNG:llä säästä rahaa ja pienennät polttoainepäästöjä. Saatavissa: https://e-kaasuasemat.fi/lng/ Viitattu 27.5.2022.
Hexagon Agility 2014. Agility LNG Fuel System Overview (Full-Length). Saatavissa: https://www.youtube.com/watch?v=2uZzmcfE59M. Viitattu 27.5.2022.
Hovland, J. 2017. Compression of raw biogas. A feasibility study. Raportti BioGas2020 hanke. Porsgrunn. Norja: Tel-Tek. Saatavissa: https://www.biogas2020.se/wp-content/uploads/2017/06/2217020-1compressionrawbiogas.pdf. Viitattu 27.5.2022.
IPCC, Kolmas arviointiraportti työryhmä II. 2001. Ilmastonmuutos 2001; Vaikutukset, sopeutuminen ja haavoittavuus. Yhteenveto päätöksentekijöille. Saatavissa: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2020/03/tar-wg2-spm.pdf. Viitattu 27.5.2022.
Junttila, H. 2022. Heikkilän puheenvuoro. BioKaMa-Ylivieska II -tilaisuus 25.5.2022. Centria AMK. Ylivieska.
Kajolinna, T., Melin, K., Suomalainen, M. & Söderena, P. 2019. Biometaanin välivarastointi ja varastointi ajoneuvoissa – Tulevaisuuden mahdollisuudet. Espoo: VTT. Saatavissa: https://energiayrittajyys.fi/sites/energiatehokkaasti/files/biometaanin_varastointi_ajoneuvossa_002.pdf. Viitattu 27.5.2022.
Karjalainen, M. 2017. Biokaasulaitosten lämmöntalteenoton kehittäminen. Diplomityö, Energiatekniikan koulutusohjelma. Lappeenranta: Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Saatavissa: https://lutpub.lut.fi/bitstream/handle/10024/144184/diplomityo_karjalainen_matti.pdf?sequence=1. Viitattu 27.5.2022.
Suomen Biovoima Oy. 2019a. Kaasun kompressointi ja nesteytys. Saatavissa: https://biovoima.com/ratkaisut/kaasun-kompressointi-ja-nesteytys. Viitattu 27.5.2022.
Suomen Biovoima Oy. 2019b. Kaasunsiirtokontit. Saatavissa: https://biovoima.com/ratkaisut/kaasunsiirtokontit. Viitattu 27.5.2022.
Tolonen, A. 2020. Raakakaasusta käyttöön. Tapaustutkimus maatilan vaihtoehtoisista biokaasun jalostusmahdollisuuksista. Master-tutkinto, maaseudun kehittäminen. Oulu: Oulun ammattikorkeakoulu. Saatavissa: https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/348967/Tolonen_Ari.pdf?sequence=2&isAllowed=y. Viitattu 27.5.2022.
Vinkki, S. 2022. Myyntipäällikön haastattelu 23.5.2022. Demeca Oy. Haapavesi.
Välimäki, S. 2021. Biokaasuputki Pohjanmaalle – toteuttavuus ja kustannusten arviointi. Raportti Biokaasun hyödyntämismahdollisuudet Pohjanmaalla -hanke. Vaasa: Vaasan yliopisto. Saatavissa: https://www.uwasa.fi/sites/default/files/2021-09/Kaasuputki%20Pohjanmaalle%20-%20toteutettavuus%20ja%20kustannusten%20arviointi.pdf. Viitattu 27.5.2022.
Simo Mäenpää
TKI-asiantuntija
Centria-ammattikorkeakoulu
p. 040 648 2160
