Johdanto
Maatilalla biomassajätteet, kuten karsintajätteet, työstöjäämät ja puuaineksinen niittojäte, ovat usein käyttökustannus: ne on kerättävä, käsiteltävä, kuljetettava tai hävitettävä ilman suoraa taloudellista tuottoa. Silti sama biomassa voi oikein hyödynnettynä olla raaka-aine ketjulle, joka tuottaa sähköenergiaa, lämpöenergiaa ja biohiiltä.
Jätteiden energia- ja maatalouskäyttö mahdollistaa nimittäin jäännösmateriaalin muuttamisen tilan resurssiksi, mikä vähentää riippuvuutta ulkopuolisista energiantoimituksista ja lisää biomassan tavanomaisesta hoidosta saatavaa arvoa. Tästä näkökulmasta biomassa ei ole enää hoidettava sivutuote, vaan sekundäärinen raaka-aine, joka liitetään tuotantokiertoon, joka tuottaa energiaa ja maaperälle pysyvää hiiltä.
Energia- ja maatalousetujen lisäksi jätteiden hyödyntäminen voi vähentää biomassan hoitokustannuksia ja korvata osan ulkopuolelta ostetusta energiasta, jolloin kustannuserä muuttuu tuottavaksi resurssiksi.
Jätteistä tilan omaksi pelletiksi
Kaikki maatalouden biomassat eivät sovellu yhtä hyvin kaasutukseen.
Lignoselluloosabiomassat, kuten viinitarhojen ja hedelmätarhojen karsintajätteet, metsäjäämät, oksat, hake ja viheralueiden hoidosta peräisin olevat puuainesjäämät, soveltuvat yleensä prosessiin. Sen sijaan runsaasti piidioksidia sisältävät ruohovartiset biomassat, kuten viljan olki, riisinkuori tai kiinanmiskanthus, voivat aiheuttaa enemmän toiminnallisia ongelmia ja soveltua monissa tapauksissa paremmin muuhun hyödyntämiseen, kuten kompostointiin (katso piidioksidi ja tuhka).
Jotta biomassaa voidaan käyttää BioGS-1.0:ssa, sille on tehtävä valmistelu, joka käsittää:
- materiaalin keräämisen ja lajittelun;
- kuivauksen enintään 10 %:n kosteuteen;
- jauhatuksen;
- pelletoinnin.
Käytännössä esikuivaus noin 14 %:n kosteuteen riittää yleensä, koska pelletöinti viimeistelee kosteuden vähentämisen ilman erillisiä lisävaiheita.
Kaikki maatalousjätteet eivät vaadi pelletointia. Pähkinänkuoret ja kivet, joiden raekoko soveltuu jo sellaisenaan BioGS-1.0:n syöttöön, voidaan lisätä tietyissä määrin suoraan pelletin joukkoon ilman, että niitä tarvitsee pelletoida.
Toisin kuin kotitalouksien lämmitykseen tarkoitettu pelletti, BioGS-1.0 ei vaadi ENplus-sertifioitua pellettiä. Riittää kelpoisesta kasviperäisestä biomassasta valmistettu pelletti, jonka voi tuottaa myös suoraan tilalla sadonkorjuukauden mukaan mitoitetulla pelletöintilaitoksella; sadonkorjuukausi painottuu yleensä touko-syyskuulle.
Monissa maatalouden ympäristöissä polttoaine voidaan tuottaa suoraan tilan jäämistä, mikä vähentää riippuvuutta kaupallisen pelletin ostosta.
Biomassan termokemiallinen konversio: energiaa ja biohiiltä yhdestä prosessista
Näin saatu agripelletti syöttää BioGS-1.0:aa, jonka todellinen kulutus on noin 2,4 kg/h yksikköä kohti.
Järjestelmässä pelletoitu biomassa käy läpi termokemiallisen konversioprosessin, jossa yhdistyvät pyrolyysi ja kaasutus. Biomassan haihtuva osa muuttuu synteesikaasuksi, jota käytetään patentoidun Stirling-moottorin syöttämiseen ja sähköenergian ja lämmön samanaikaiseen tuottamiseen. Vertailua suoraan polttoon varten katso UKK miksi jätteet muutetaan agripelletiksi sen sijaan, että ne poltettaisiin.
Järjestelmän kokonaishyötysuhde ylittää 94 %, kun prosessin aikana syntyvä lämpöenergia otetaan integroidusti talteen. Sähköenergian ja lämpöenergian lisäksi prosessi tuottaa kiinteänä jäännöksenä biohiiltä: noin 11-12 % kulutetun pelletin massasta, ja sen hiilipitoisuus on lähes 96 %.
Tuotettua energiaa voidaan käyttää suoraan osan tilan tarpeista kattamiseen, kuten:
- kastelujärjestelmät;
- kylmähuoneet;
- valaistus;
- työpajat ja laboratoriot;
- ilmanvaihtojärjestelmät;
- biomassojen ja maataloustuotteiden kuivaus;
- tilan apupalvelut.
Tilan biomassa hyödynnetään siis paitsi polttoaineena myös energiankantajana, joka edistää maatilan omavaraisuutta ja kestävyyttä.
Teknologian toiminnasta saa lisätietoa aiheeseen liittyvistä artikkeleista Biomassan kaasutus: BioGS-1.0:n termokemiallinen ydin ja Stirlingmoottori: toimintaperiaate ja edut mikroyhteistuotannolle.
Biohiili ja hiiliviljely: maatalouskäyttö ja hiilen varastointi
Toisin kuin tavanomaisessa biomassan poltossa, jossa lähes kaikki hiili hapettuu ja palaa nopeasti ilmakehään CO₂:na, pyrolyyttinen kaasutus pidättää osan hiilestä kiinteään hiilimatriisiin. BioGS-1.0:n tuottaman biohiilen hiilipitoisuus on lähes 96 % ja H/C-suhde alhainen, ominaisuuksia, joiden yleensä katsotaan liittyvän suureen pysyvyyteen maaperässä.
Kun biohiili on sekoitettu maatalousmaahan, se voi auttaa parantamaan:
- veden pidätyskykyä;
- kationinvaihtokapasiteettia;
- maaperän rakennetta;
- mikrobiologista toimintaa;
- viljelykasvien sietokykyä kuivuusstressin aikana.
Maatalouskäytön lisäksi biohiili on mahdollisesti pysyvä hiilivarasto vuosikymmenten tai jopa vuosisatojen ajan, mikä edistää hiilen poistamista nopeasta biogeenisestä kierrosta.
Tämä logiikka kuuluu käytäntöihin, joita yleensä yhdistetään hiiliviljelyyn (carbon farming), eli maatalouden toimiin, joiden tavoitteena on kasvattaa ja ylläpitää maaperän ja biomassan hiilivarastoja.
Maatilalle tämä tarkoittaa, että jätteitä ei vain muuteta energiaksi, vaan myös maatalous- ja ympäristöresurssiksi, joka tuottaa hyötyjä pitkällä aikavälillä.
Näihin näkökohtiin voi tutustua tarkemmin artikkeleissa:
- Maanparannusaineet: määritelmä, hyödyt ja soveltaminen;
- Hiilen sitominen maaperään: biohiilen pysyvyys ja H/C-suhde.
Biomassa-agripelletti-biohiili-ketju: alueellisen kiertotalouden malli
Kaikilla maatiloilla ei ole saatavilla samaa määrää biomassaa. Jotkin tuottavat jäämiä liian vähän kattaakseen BioGS-1.0:nsa koko energiantarpeen; toisilla taas on merkittäviä lignoselluloosabiomassan ylijäämiä.
BioGS-1.0-ketju mahdollistaa biomassan tuotantopaikan ja energiakonversion paikan erottamisen maantieteellisesti, mutta hiilen ja ravinteiden kierto säilyy samalla alueella.
Maatilat, joilla on biomassaylijäämiä, voivat muuttaa ne agripelletiksi kuivauksen, jauhatuksen ja pelletoinnin avulla. Saatua polttoainetta voidaan käyttää itse tai jakaa alueella oleville BioGS-käyttäjille.
Energiakonversion jälkeen tuotettu biohiili voidaan palauttaa biomassan tuottajille käytettäväksi tilan pelloilla.
Tässä kokoonpanossa biomassa hyödynnetään kahdesti:
- energiankantajana;
- maaperälle pysyvän hiilen kantajana.
Jätteen hoitokustannus muuttuu näin paikalliseksi ketjuksi, joka tuottaa energia-, maatalous- ja ympäristöarvoa. Hyödyt jakautuvat koko ketjuun:
- BioGS-käyttäjät saavat paikallista polttoainetta, joka on mahdollisesti kilpailukykyisempää kuin sertifioitu kaupallinen pelletti;
- maatilat hyödyntävät biomassoja, jotka muuten olisivat kustannus;
- biohiili palaa maahan ja sulkee hiilen kierron;
- alue hyötyy paikallisiin jäännösresursseihin perustuvasta hajautetusta energiaketjusta.
Massa- ja energiatase: laskurilla simuloitu esimerkki
Tila Savignano sul Rubiconessa: 200 m² varasto, 200 m² lämmitetty kasvihuone (kaksinkertainen kate, 15 °C), sähkönkulutus 4 000 kWh/vuosi, 8 kWp:n aurinkosähköjärjestelmä etelään suunnattuna ja 20 t/vuosi oksajätettä 30 %:n kosteudessa. 20 tonnista oksajätettä saadaan:
Tarkastellussa tapauksessa kasvihuoneen lämmöntarve on tärkein mitoitustekijä. Tuotettu sähköenergia on nimittäin jo yhdellä yksiköllä lähes riittävä, ja järjestelmien määrän kasvu johtuu pääasiassa lämmöntarpeesta.
Miten pelletin määrä lasketaan
Pelletti = Kuivabiomassa ÷ 0,90 × 0,95
Pelletin loppukosteus on 10 %, joten jokainen tonni sisältää 0,90 t kuiva-ainetta: siksi kuivabiomassa jaetaan luvulla 0,90. Jauhatuksessa ja pelletoinnissa massaa katoaa noin 5 %: siksi tulos kerrotaan luvulla 0,95.
| Vaihe | Laskenta | Tulos |
|---|---|---|
| Kuivabiomassa | 20 t × (1 − 0,30) | 14,0 t |
| Tuotettu pelletti | 14,0 ÷ 0,90 × 0,95 | 14,8 t |
| Kulutettu pelletti | 3 yksikköä × 1 463 h × 2,4 kg/h | 10,5 t |
| Pelletin ylijäämä | 14,8 − 10,5 | 4,2 t |
| Biohiili | 10,5 t × 12 % | 1,3 t |
| Hiili biohiilessä | 1,3 t × 96 % | 1,2 t |
| Mahdollisesti sidottu CO₂e | 1,2 t × 44/12 | 4,5 t |
Arvot on pyöristetty. Kerroin 44/12 on CO₂:n ja hiilen moolimassojen suhde. Kyseessä on suuntaa-antava arvio sidonnan vaikutuksesta, ei sertifioitu hiilikrediitti.
Montako yksikköä tarvitaan
Kasvihuoneen lämmöntarve (noin 27 600 kWh/vuosi) ohjaa mitoitusta: vähemmällä yksiköllä lämmön kattavuus laskee.
| BioGS-1.0-yksiköt | Lämmön kattavuus | Sähkön kattavuus |
|---|---|---|
| 3 | 100 % | 99 % |
| 2 | 97 % | 99 % |
| 1 | 76 % | 98 % |
Arvio on alustava ja luotettavuudeltaan matala: se riippuu oletuksista varaston eristyksestä (keskitaso, 12 °C) ja kasvihuoneen tyypistä, biomassan kosteudesta sekä todellisista käyttötunneista.
Aiheeseen liittyviä kysymyksiä: kuinka paljon biomassaa tarvitaan kasvihuoneen lämmittämiseen; mitä tehdä pelletin ja biohiilen ylijäämälle.
Missä malli on erityisen kiinnostava
BioGS-1.0-ketju on erityisen kiinnostava ympäristöissä, joissa lignoselluloosajäämiä on jatkuvasti saatavilla, muun muassa:
- viinitilat;
- oliivitarhat;
- hedelmätarhat;
- taimitarhat;
- metsätalousyritykset;
- viheralueiden hoitoyritykset;
- maatilamatkailuyritykset, joilla on puuainesbiomassaa saatavilla.
Kaikissa näissä toimintaympäristöissä jätteet ovat jo nyt hoidettava materiaalivirta. Mahdollisuus muuttaa ne energiaksi ja biohiileksi lisää samasta resurssista saatavaa arvoa ilman, että päätoimista maataloustoimintaa tarvitsee muuttaa.
Mitä ketjun käynnistäminen tilalla vaatii
Biomassa-agripelletti-biohiili-ketjun toteuttamiseen tarvitaan yleensä:
- alue biomassan keräämistä ja varastointia varten ennen käsittelyä;
- vuosittain saatavilla oleville määrille mitoitettu jauhatus- ja pelletöintijärjestelmä;
- luonnollinen tai BioGS-1.0:n tuottaman lämmön talteenotolla avustettu kuivausalue;
- valmiin pelletin varastointitila;
- biohiilen varastointiin tarkoitettu tila;
- biohiilen tyhjennyksen säännöllinen hoito, suuntaa-antavasti 60 käyttötunnin välein.
Johtopäätökset
Energian, maatalouden ja ympäristön kannalta BioGS-1.0 mahdollistaa lignoselluloosajätteiden hoidon, hajautetun energiantuotannon ja biohiilen tuotannon yhdistämisen yhdeksi ketjuksi.
Biomassaa ei enää pidetä hävitettävänä jäämänä, vaan sekundäärisenä raaka-aineena, joka hyödynnetään ketjussa, joka tuottaa samanaikaisesti sähköenergiaa, lämpöenergiaa ja maatalousarvoltaan korkealaatuista hiilipitoista materiaalia.
Maatiloille, joilla on karsintajätteitä, puuainesjäämiä tai metsätalouden sivutuotteita, BioGS-1.0-laskuri mahdollistaa saatavilla olevan biomassan energiapotentiaalin, odotetun biohiilen tuotannon ja siihen liittyvän suuntaa-antavan hiilitaseen arvioinnin. Laskennan tiedot, kaavat ja lähteet: menetelmä. Lisää vastauksia UKK-sivulla.