VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA ENERGIATEKNIIKKA Janne Suomela BIOPOLTTOAINEITA TUOTTAVAN HYBRIDIJÄRJESTELMÄN OPTIMOINTI Pieni kaksoispolttoainekäyttöinen CHP-laitos sähköntuotannossa Diplomityö, joka on jätetty tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Vaasassa 31.03.2014 Työn valvoja Professori Seppo Niemi (TkT) Työn ohjaaja Tutkimusjohtaja Erkki Hiltunen (FT) 2 ALKUSANAT Seisoin hetken päälläni kootakseni ajatuksiani. Sitten hihkaisin: -Hei! (Muumipapan mietekirja) Tämä diplomityö on tehty osana DESY-Lähienergia -projektia (2012–2014) Vaasan yliopiston teknillisessä tiedekunnassa. Aloitin energiatekniikan opintoni vuonna 2011. Kaksi vuotta aikaisemmin olin valmistunut ympäristöteknologian insinööriksi. Innostus energia-alaan houkutti kuitenkin vielä jatkamaan opintoja energiatekniikan parissa, mi- kä osoittautui loistavaksi valinnaksi. Opinnot Vaasan yliopistossa koostuivat lähinnä diesel- ja kaasumoottoritekniikasta uusiutuvaa energiaa kuitenkaan unohtamatta. Uusiu- tuva energia on ollut pitkään lähellä sydäntäni ja Poltto- ja voiteluaineita koskeva eri- koistyö -kurssilla tehdyn biokaasuun liittyvän harjoitustyön aikana huomasinkin innos- tukseni biopolttoaineita kohtaan. Kesällä 2012 sain kesätyöpaikan tutkimusavustajana Erkki Hiltusen johtamasta Uusiu- tuvat energiat -tutkimusryhmästä. Sillä tiellä olen edelleen. Diplomityön tekemisen tul- lessa ajankohtaiseksi sain aiheen biopolttoaineiden hybridituotannon ja CHP-laitoksen optimoimiseen liittyen. Aloitin tämän diplomityön tekemisen keväällä 2013 ja nyt ke- väällä 2014 olen saanut tuon valtavan urakan päätökseen. Noihin kuukausiin on mahtu- nut niin ylä- kuin alamäkiäkin. Nuo kuukaudet ja koko opiskeluaika ovat olleet hieno matka, jonka aikana olen oppinut valtavasti ja välillä iskenyt päätäkin harmaaseen ki- veen. Kaikkien matkalla kohdattujen vaikeuksien jälkeen olen kuitenkin aina huutanut ”Hei!”, merkiksi uuden oivaltamisesta ja oppimisesta. Tämä diplomityö ei olisi ollut mahdollista ilman tärkeitä ihmisiä. Tahdon kiittää tutki- musjohtaja Erkki Hiltusta ja professori Seppoa Niemeä tämän diplomityön aiheesta. Kiitän Erkki Hiltusta diplomityöni ohjauksesta, tarkastamisesta ja mahdollisuudesta työskennellä tutkimusavustajana Uusiutuvat energiat -tutkimusryhmässä tämän pitkän tien aikana. Kiitän Seppo Niemeä työn valvomisesta ja tarkastamisesta sekä mielenkiin- toisista energiatekniikan luennoista. 3 Tahdon kiittää koko Uusiutuvat energiat -tutkimusryhmän työntekijöitä tuesta ja mah- dollisuudesta keskustella diplomityöhöni liittyvistä asioista. Tahdon kiittää myös Petri Välisuota ja Birgitta Martinkauppia opastamisesta MatLabin ihmeelliseen maailmaan sekä Anne Mäkirantaa ja Carolin Nuortilaa diplomityöni oikolukemisesta. Erityisesti tahdon kiittää Katriina Sirviötä biodieselin huuruisista hiihtolenkeistä ja Teemu Ovas- kaa lukuisista lopputyötäni eteenpäin vieneistä keskusteluista kahvikupin äärellä. Tahdon kiittää myös biodieselin tuotantolaitoksen ja biokaasulaitoksen edustajia. Kiitos, että sain teiltä käyttööni tietoja, jotka mahdollistivat tämän diplomityön toteuttamisen. Kiitos ystävilleni, jotka ovat antaneet minulle välillä muuta ajateltavaa. Suuri kiitos kuuluu vanhemmilleni, jotka ovat tukeneet minua hyvinä ja huonoina hetkinä. Tärkeintä ei ole päämäärä, vaan matka. Kiitos teille kaikille, jotka olette olleet osa tätä pitkää prosessia! Vaasassa 31.03.2014 Janne Suomela 4 SISÄLLYSLUETTELO ALKUSANAT 2 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO 6 TIIVISTELMÄ 9 ABSTRACT 10 1. JOHDANTO 11 2. BIOPOLTTOAINEET 13 2.1. Biodiesel 13 2.1.1. Raaka-aineet 14 2.1.2. Biodieselin valmistaminen transesteröinnillä 15 2.1.3. Rypsimetyyliesteri 20 2.1.4. Ominaisuuksista 21 2.1.5. Käyttö 23 2.1.6. Glyseroli 23 2.2. Bioetanoli 25 2.2.1. Raaka-aineet 25 2.2.2. Bioetanolin valmistaminen käymällä 26 2.2.3. Ominaisuuksista 27 2.2.4. Rankki 28 2.3. Biokaasu 29 2.3.1. Raaka-aineet 29 2.3.2. Biokaasun valmistaminen mädätyksellä 31 2.3.3. Ominaisuuksista 35 2.3.4. Käyttö 38 2.3.5. Sivutuotteet 39 3. YHDISTETTY SÄHKÖN JA LÄMMÖN TUOTANTO 40 4. YHTEISTUOTANTOMALLI 43 4.1. Biopolttoaineiden tuotantolaitosten esittely 43 4.1.1. Biodieselin tuotantolaitos 44 4.1.2. Bioetanolin tuotantolaitos 45 4.1.3. Biokaasun tuotantolaitos 47 4.2. Laskenta 48 4.2.1. Materiaalivirrat 48 4.2.2. CHP-laitos 51 5. TULOKSET 54 5.1. Optimaaliset materiaalivirrat 54 5.1.1. Biodiesel- ja bioetanolilaitokset toimivat kapasiteettiensa mukaan 54 5.1.2. Biodiesel- ja biokaasulaitokset toimivat kapasiteettiensa mukaan 58 5.2. CHP-laitoksen mitoitus sähköntuotantoon 61 5 6. POHDINTA 69 7. JOHTOPÄÄTÖKSET 73 8. YHTEENVETO 75 LÄHDELUETTELO 77 LIITTEET 84 6 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO AFME Animal Fat Methyl Ester CBG Paineistettu biokaasu (Compressed Biogas) CH3OH Metanoli C2H5OH Etanoli C3H7OH Propanoli C4H9OH Butanoli C5H12OH Amyylialkoholi, 1-pentanoli C3H8O3 Glyseroli C6H12O6 Glukoosi CH2-OOC-R1 Glyseridi CO2 Hiilidioksidi CHP Yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto (Combined Heat and Po- wer) DF Kaksoispolttoainemoottori (Dual Fuel) FAEE Rasvahapon etyyliesteri (Fatty Acid Ethyl Ester) FAME Rasvahapon metyyliesteri (Fatty Acid Methyl Ester) FFA Vapaat rasvahapot (Free Fatty Acids), R1-COOH GD Kaasudieselmoottori (Gas Diesel) HCl Suolahappo (vetykloridi) 7 HHV Ylempi lämpöarvo (Higher Heating Value) H2O Vesi HRT Hydraulinen viipymäaika (Hydraulic Retention Time), syötteen viipymä biokaasureaktorissa H2SO4 Rikkihappo HV Lämpöarvo (Heating Value) KOH Kaliumhydroksidi LBG Nesteytetty biokaasu (Liquefied Biogas) LHV Alempi lämpöarvo (Lower Heating Value) LME Pellavametyyliesteri (Linseed Methyl Ester) LNG Nesteytetty maakaasu (Liquefied Natural Gas) N2 Typpikaasu NAOH Natriumhydroksidi (lipeä) NG Maakaasu (Natural Gas) NOx Yleinen nimitys typpimonoksidille (NO) ja typpidioksidille (NO2) O2 Happikaasu R1,2,3 Rasvahappoketju, esimerkiksi palmitiini R1-COONa Saippua R-O-CO-R1,2,3 Esteri (biodiesel) tai R1,2,3-COO-R 8 ROH Alkoholi, jossa R on esimerkiksi CH3 (metanoli) RME Rypsimetyyliesteri (Rapeseed Methyl Ester) RTOME Kirjolohimetyyliesteri (Rainbow Trout Methyl Ester) SG tai SI Kipinäsytytteinen kaasumoottori (Spark Ignited Gas Engine) SME Soijametyyliesteri (Soybean Methyl Ester) SOME Lohiöljymetyyliesteri (Salmon Oil Methyl Ester) TS Kuiva-ainepitoisuus (Total Solids) VFA Haihtuvat rasvahapot (Volatile Fatty Acids) VS Orgaaninen kuiva-ainepitoisuus (Volatile Solids) Wobbe-indeksi Kuvaa kaasun sisältämää energiaa yksikössä MJ/m 3 9 VAASAN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Tekijä: Janne Suomela Diplomityön nimi: Biopolttoaineita tuottavan hybridijärjestelmän opti- mointi – Pieni kaksoispolttoainekäyttöinen CHP- laitos sähköntuotannossa Valvojan nimi: Professori Seppo Niemi (TkT) Ohjaajan nimi: Tutkimusjohtaja Erkki Hiltunen (FT) Tutkinto: Diplomi-insinööri Koulutusohjelma: Sähkö- ja energiatekniikka Oppiaine: Energiatekniikka Opintojen aloitusvuosi: 2011 Diplomityön valmistumisvuosi: 2014 Sivumäärä: 96 TIIVISTELMÄ Biopolttoaineilla on suuri merkitys yhtenä ratkaisuna fossiilisten polttoaineiden korvaa- jana. Biodieselillä, -etanolilla ja -kaasulla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita esi- merkiksi ajoneuvoissa. Hajautetussa energiantuotannossa biodieseliä ja -kaasua voidaan käyttää polttoaineena pienissä sähkön- ja lämmön yhteistuotantolaitoksissa eli CHP- laitoksissa. Tämä diplomityö on tehty osana Vaasan yliopiston teknillisen tiedekunnan DESY (Dis- tributed Energy Systems) -projektia (2012–2014). Tämän diplomityön tarkoituksena oli optimoida biopolttoaineiden hybridituotantojärjestelmä, joka tuottaa puhtaita biopoltto- aineita ja kaikki sivutuotteet voidaan hyödyntää. Diplomityö perustuu oletukseen, että biodieselin ja bioetanolin tuotannosta sivutuotteena muodostuvat glyseroli ja rankki voidaan hyödyntää biokaasun tuotantolaitoksen raaka-aineena. Biokaasulaitos tuottaa biokaasua ja sivutuotteena mädätysjäännöstä, joka voidaan hyödyntää lannoitteena tai maanparannusaineena. Tässä diplomityössä optimoitiin myös biodieseliä ja biokaasua polttoaineena käyttävä CHP-laitos sähkön tuottamiseksi esimerkkinä käytettyyn kylään. Teoriaosuudessa on esitelty biodieselin, -etanolin ja -kaasun valmistusmenetelmät, käy- tettäviä raaka-aineita ja muodostuvia pää- ja sivutuotteita. Empiriaosuudessa laskettiin optimaaliset biodieselin, -etanolin ja -kaasun materiaalivirrat. Optimointi perustui bio- dieselin ja biokaasun sekä teoreettisen bioetanolin tuotantolaitoksien tuotantokapasiteet- teihin. Empiriaosuudessa optimoitiin lisäksi CHP-laitos sähköntuotantoon. Tuloksena saatiin kaksi biopolttoaineiden hybridituotantomallia, joissa kaikki materiaa- livirrat voidaan hyödyntää. Tuloksena saatiin myös mitoitus CHP-laitokselle, jolla tuo- tetaan sähköenergiaa esimerkkinä käytetylle kylälle sekä biodiesel ja -kaasumäärät, joil- la tämä CHP-laitos voidaan toteuttaa. AVAINSANAT: biodiesel, bioetanoli, biokaasu, glyseroli, rankki, materiaalivirrat, hybridituotanto, CHP 10 UNIVERSITY OF VAASA Faculty of technology Author: Janne Suomela Topic of the Thesis: Optimization of Biofuel Producing Hybrid System – Small Dual Fuel CHP Plant in Electricity Production Supervisor: Professor Seppo Niemi (D.Sc. (Tech.)) Instructor: Research Director Erkki Hiltunen (PhD) Degree: Master of Science in Technology Degree Programme: Electrical and Energy Engineering Major of Subject: Energy Engineering Year of Entering the University: 2011 Year of Completing the Thesis: 2014 Pages: 96 ABSTRACT Biofuels are a great option to replace fossil fuels. It is possible to replace fossil fuel in vehicles by biodiesel, bioethanol and biogas. Biodiesel and biogas are used as a fuel to produce heat and power in small CHP (Combined Heat and Power) plants. This thesis is a part of the DESY Local Energy (Distributed Energy System) project (2012–2014) in the Faculty of Technology at the University of Vaasa. The purpose of this thesis was the optimization of a hybrid production system of biofuels in which pure biofuels are produced. In this system all residues can be utilized. This thesis is based on the hypothesis that the residues glycerol and distiller’s grain from the production of bio- diesel and bioethanol can be utilized as raw materials in the biogas production plant. The biogas plant produces biogas and digested sludge as a residue. This residue can be used as a fertilizer or a soil conditioner. Additionally, the CHP plant which uses bio- diesel and biogas as a fuel was optimized to produce the electricity for a case village. In this thesis, first, the different production methods and various raw materials of biofu- els as well as the originating residues were described. Second, in the empirical part of this thesis, the material flows were optimized in the production of biodiesel, bioethanol and biogas. The optimization is based on the production capacities of a real biodiesel plant and a real biogas plant and a theoretical bioethanol plant. Furthermore, the CHP plant was optimized to produce the electricity for the case village. As a result, two biofuel hybrid production models were formed. In these models all ma- terial flows can be utilized. Furthermore, the size of the CHP plant and the amount of biodiesel and biogas used as fuel in the CHP plant were calculated to cover the electrici- ty demand of the case village. KEYWORDS: Biodiesel, Bioethanol, Biogas, Glycerol, Distiller’s Grain, Material Flow, Hybrid Production, CHP 11 1. JOHDANTO Tämä diplomityö on osa Vaasan yliopiston teknillisen tiedekunnan DESY-Lähienergia (Distributed Energy Systems) -projektia (2012–2014). Biopolttoaineilla on suuri merki- tys yhtenä ratkaisuna fossiilisten polttoaineiden korvaamiseksi. Biodieselillä, -etanolilla ja -kaasulla voidaan korvata fossiilista dieseliä ja bensiiniä esimerkiksi ajoneuvoissa. Hajautetussa energiantuotannossa biodieseliä ja -kaasua voidaan hyödyntää pienissä sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksissa (CHP, combined heat and power). Tavoitteena oli tarkastella biodieselin, bioetanolin ja biokaasun tuotantolaitosten mate- riaalivirtoja ja optimoida niiden pohjalta biopolttoaineiden yhteistuotantomalli, jossa tuotetaan biopolttoaineita ja kaikki sivutuotteet pystytään hyödyntämään. Yhteistuotan- tomallissa näiden kolmen tuotantolaitoksen ei välttämättä tarvitse sijaita toistensa välit- tömässä läheisyydessä. Tavoitteena oli myös optimoida pieni CHP-laitos sähköntuotan- toon. Työssä käytetyssä esimerkkitapauksessa biodieselin tuotantoyksikkö käyttää raaka- aineena eläinperäistä rasvaa, josta saadaan päätuotteena biodieseliä ja sivutuotteena gly- serolia. Bioetanolin tuotantoyksikkö käyttää raaka-aineena jäteperunaa, josta saadaan päätuotteena bioetanolia ja sivutuotteena rankkia. Biodieselin ja bioetanolin tuotannon sivutuotteena syntyvät glyseroli ja rankki voidaan käyttää biokaasuntuotantolaitoksen raaka-aineena. Biokaasuntuotantolaitoksesta saadaan biokaasua ja sivuotteena maanpa- rannusaineeksi soveltuvaa mädätysjäännöstä. Tutkimusmenetelminä käytettiin sekä kirjallista tutkimusta että optimointimenetelmää. Käytetty optimointimenetelmä ei ole matemaattinen optimointi. Työssä biodieselin, bioetanolin ja biokaasun tuotantolaitoksien materiaalivirrat optimoitiin siten, että kaikki sivutuotteet kyetään hyödyntämään, eikä jätteitä muodostu. Materiaalivirrat optimoitiin aluksi siten, että biodieselin ja bioetanolin tuotantolaitokset lukittiin toimimaan kapasi- teettiensa mukaan. Materiaalivirrat optimoitiin myös tilanteelle, jossa biodieselin ja bio- kaasun tuotantolaitokset lukittiin toimimaan kapasiteettiensa mukaan. 12 Pohjanmaalla sijaitsevilta biodieselin ja biokaasun tuotantolaitoksilta saatiin laskentaa varten tuotantotiedot. Bioetanolin osalta käytettiin teoreettisia tuotantotietoja. Näiden tuotantotietojen perusteella laskettiin biopolttoaineiden tuotantolaitosten materiaalivirrat ja etsittiin sellaiset tuotantomallit, joilla kaikki materiaalivirrat kyettäisiin hyödyntä- mään. CHP-laitokseen liittyvässä laskennassa käytettiin esimerkkinä erästä Pohjanmaalla si- jaitsevaa kylää, jonka sähköenergiantarve tulisi kattaa biodieseliä ja biokaasua polttoai- neena käyttävällä mäntämoottorikäyttöisellä CHP-laitoksella. Kylän sähkönkulutuksen perusteella laskettiin mitoitus CHP-laitokselle sekä biodiesel- ja kaasumäärät kattamaan laitoksen polttoaineen tarve. Laskennat suoritettiin ohjelmalla MATLAB R2013a. 13 2. BIOPOLTTOAINEET Biopolttoaineet ovat uusiutuvia, biohajoavia ja vähän saastuttavia polttoaineita, joilla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita. Biopolttoaineilla voidaan vähentää riippuvuutta tuontiöljystä, alentaa kasvihuonepäästöjä ja tarjota vaihtoehtoja energiakysymysten rat- kaisemiseen niin hajautetusti kuin keskitetystikin. Nigam & Singh (2011: 53) jaottelevat biopolttoaineet primaarisiin ja sekundaarisiin polttoaineisiin. Primaarisia polttoaineita käytetään prosessoimattomasti suoraan muun muassa lämmön- ja sähköntuotantoon, ja niitä ovat esimerkiksi puuhake ja puupelletti. Tässä diplomityössä tarkasteltavat biopolt- toaineet eli biodiesel, bioetanoli ja biokaasu valmistetaan biomassaa konvertoimalla, ja niistä voidaan käyttää nimitystä sekundaariset biopolttoaineet. Niitä voidaan käyttää myös ajoneuvojen polttoaineina. (Nigam & Singh 2011: 53.) Sekundaariset biopolttoaineet voidaan jakaa ensimmäisen, toisen ja kolmannen suku- polven biopolttoaineisiin. Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineita ovat sokerista ja tärkkelyksestä fermentoimalla valmistettu etanoli sekä kasviöljyistä ja eläinrasvoista transesteröimällä valmistettu biodiesel. Toisen sukupolven biopolttoaineet valmistetaan biologisella tai termokemiallisella prosessilla ruoaksi kelpaamattomasta jätteestä kuten lignoselluloosapitoisesta biomassasta. Kolmannen sukupolven biopolttoaineet ovat pe- räisin mikrobeista ja mikrolevistä. (Nigam & Singh 2011: 55-56.) Ensimmäisen ja toi- sen sukupolven biopolttoaineiden erona pidetään usein sitä, että ensimmäisen sukupol- ven biopolttoaineet valmistetaan ruoaksi kelpaavista raaka-aineista. Eläinrasva, josta valmistetaan biodieseliä esteröimällä, on aina jätteistä peräisin. 2.1. Biodiesel Uusiutuvista raaka-aineista transesteröinnillä valmistettavia polttoaineita kutsutaan este- röidyiksi biodieseleiksi. Raaka-aineena käytetään kasviöljyjä ja eläinrasvoja. Rudolph Diesel kehitti dieselmoottorin vuonna 1893. Dieselin kehittämä moottori oli suunniteltu toimimaan kasviöljyllä ja moottori esiteltiin vuonna 1911 Pariisin maailmannäyttelyssä (World’s Fair in Paris). Transesteröinti keksittiin jo vuonna 1853, ja ensimmäisen ker- 14 ran transesteröityä kasviöljyä käytettiin polttoaineena Etelä-Afrikassa ennen toista maa- ilmansotaa. Kasviöljyjä käytettiin dieselmoottoreiden polttoaineena 1920-luvulle asti, jonka jälkeen petrodieselin käyttö yleistyi sen kasviöljyjä alhaisemman viskositeetin vuoksi. (Demirbas 2008: 112-114.) Kasviöljyjen etuja tavalliseen dieseliin verrattuna ovat esimerkiksi suuri lämpösisältö, saatavuus ja uusiutuvuus. Haittoja tavalliseen die- seliin verrattuna ovat korkea viskositeetti, vähäinen haihtuvuus ja tyydyttymättömien hiilivetyketjujen reaktiivisuus. (Ma & Hanna 1999: 3.) Korkean viskositeetin vuoksi kasviöljyjä ei voida suoraan käyttää polttoaineena kaikissa dieselmoottoreissa (Demirbas 2008: 121). Kasviöljyjen viskositeetin alentamiseksi on olemassa erilaisia ratkaisuja kuten pyrolyysi, laimentaminen eli sekoittaminen tavalli- seen dieseliin, mikroemulsio ja transesteröinti. Näistä ainoastaan transesteröinnin tulok- sena saadaan biodieseliä eli öljyjen ja rasvojen monoalkyyliestereitä. (Knothe, Gerpen & Krahl 2005: 26.) Tässä diplomityössä keskitytään biodieselin valmistamiseen transes- teröimällä. Biodiesel on hyvä vaihtoehto korvaamaan perinteistä dieseliä puristussytyt- teisessä polttomoottorissa (Demirbas 2008: 111). Kemiallisen määritelmän mukaan biodiesel on biolipideistä transesteröimällä saatavien pitkäketjuisten rasvahappojen monoalkyyliesteri. Teknisesti biodiesel on dieselmootto- rissa käytettäväksi soveltuva polttoaine, joka koostuu kasviöljyistä ja eläinrasvoista pe- räisin olevien pitkäketjuisten rasvahappojen monoalkyyliestereistä. (Demirbas 2008: 114.) Euroopassa biodieselin tulee täyttää standardissa EN 14214 esitetyt vaatimukset. Yhdysvalloissa biodieselin laatuvaatimukset on määritelty standardissa ASTM D6751. 2.1.1. Raaka-aineet Biodieseliä voidaan valmistaa kasviöljyistä, eläinrasvoista, levästä ja käytetyistä jäte- kasviöljyistä kuten paistorasvoista. Tavallisimpia biodieselin valmistuksessa käytettäviä kasviöljyjä ovat soijasta, rypsistä ja rapsista, palmusta, maissista, auringonkukasta, puu- villan siemenistä, maapähkinästä sekä kookospähkinästä puristettu öljy. Raaka-aineeksi soveltuvia eläinrasvoja saadaan esimerkiksi ruoantuotannon sivutuotteena syntyvästä eläinperäisestä jätteestä, kuten naudasta, kanasta, siasta ja kalasta. (Mo- 15 ser 2009: 246; 253.) Nykyään pyritään käyttämään raaka-aineita, joita ei käytetä ruoan- tuotannossa. Tällaisia ruoaksi kelpaamattomia kasviöljyjä ovat esimerkiksi jatropa- ja neem-öljy (Demirbas 2008: 118). Raaka-aineena käytettävät eläinrasvat, kuten kalan- perkuujätteet ovat puolestaan sivutuotteita, joten ne eivät vaikuta ruoantuotantoon (Mo- ser 2009: 253). Eläinperäinen jäte murskataan pienempään kokoon ja keitetään sopivassa lämpötilassa, jolloin rasva sulaa ja se voidaan erotella mekaanisesti tai liuottamalla. Kasvien siemenet murskataan, minkä jälkeen öljy saadaan niistä puristamalla ja lopuksi suodattamalla. Kasviperäisten jäteöljyjen (yellow grease) esikäsittely koostuu vedenpoistosta ja suoda- tuksesta. Rasvansuodattimista (ravintolat) kerättyjen rasvojen (brown grease) esikäsitte- ly koostuu kiinteiden epäpuhtauksien ja veden erottamisesta lämmön avulla, suodatta- malla ja sentrifugoimalla. (Jayasinghe & Hawboldt 2012: 802.) Levästä öljy saadaan puristamalla, uuttamalla liuottimella tai ylikriittisellä nesteellä (fluidilla). (Demirbas & Demirbas 2010: 143). Kun neste on ylikriittisessä tilassa sen neste- ja kaasufaasi häviä- vät, jolloin neste on yhdessä faasissa. Kasviöljyt ja eläinrasvat käsitellään niiden sisäl- tämien vapaiden rasvahappojen, fosfolipidien, steroleiden, veden, hajuaineiden ja mui- den epäpuhtauksien vuoksi. Puhdistamisen jälkeenkin niihin jää jonkin verran vapaita rasvahappoja (FFA, free fatty acids) ja vettä. (Ma & Hanna 1999: 1.) Valmistuksessa voidaan hyödyntää eri raaka-aineita riippuen eri tekijöistä kuten paikal- lisista kasvuolosuhteista, alueellisesta saatavuudesta, kasvien öljysisällöstä, rasvahap- pokoostumuksesta, sivutuotteiden hyödynnettävyydestä ja kyvystä kasvaa maanvilje- lyyn sopimattomassa maaperässä (Moser 2009: 246). 2.1.2. Biodieselin valmistaminen transesteröinnillä Transesteröityminen on reaktio, jossa kasviöljyjen ja eläinrasvojen triglyseridit reagoi- vat alkoholin kanssa muodostaen monoalkyyliesteriä ja glyserolia katalyytin läsnäolles- sa. Reaktioyhtälö on esitetty kuvassa 1. Reaktiosta käytetään myös nimitystä alkoho- lyysi (Ma & Hanna 1999: 7). Kuvassa olevat termit R1, R2 ja R3 kuvaavat rasvahappo- ketjuja. Useimmiten ketjut ovat raaka-aineesta riippuen palmitiinia, steariinia, oleiinia, 16 linolia tai linoleenia. ROH on yleisesti alkoholi, jossa R on esimerkiksi metanolille CH3. (Leung, Wu & Leung 2010: 1085.) Kuva 1. Transesteröintireaktio. (Demirbas 2008: 121) Reagoidessaan alkoholin kanssa triglyseridit muuttuvat vaiheittain diglyseridiksi, mo- noglyseridiksi ja lopulta glyseroliksi (C3H8O3). Jokaisessa vaiheessa vapautuu yksi mooli esteriä. Reaktio on tasapainoreaktio, jossa triglyseridin ja alkoholin stökiömetri- nen moolisuhde on 1:3. Toisin sanoen, kun kolme moolia alkoholia reagoi yhden moo- lin triglyseridiä kanssa katalyytin läsnäollessa, saadaan lopputuotteena kolme moolia esteriä ja yksi mooli glyserolia. Jotta haluttua tuotetta eli esteriä saadaan mahdollisim- man paljon, on tämän moolisuhteen oltava suurempi. (Ma & Hanna 1999: 7-9.) Tavalli- sesti emäksellä katalysoitaessa tämä moolisuhde on 1:6 ja esimerkiksi jäteruokaöljyllä jopa 1:15. Optimiarvoa suurempi moolisuhde ei kasvata saatavan monoalkyyliesterin määrää. (Leung ym. 2010: 1091.) Transesteröinnissä alkoholina voidaan käyttää metanolia (CH3OH), etanolia (C2H5OH), propanolia (C3H7OH), butanolia (C4H9OH) ja amyylialkoholia (C5H12OH). Tavallisesti käytetään metanolia tai etanolia. Metanoli on yleisin sen muita alkoholeja alhaisemman hinnan vuoksi. Sen etuja ovat myös lyhytketjuisuus ja poolisuus. (Ma & Han- na 1999: 7.) Saatava lopputuote riippuu käytetystä alkoholista siten, että esimerkiksi metanolilla esteröitäessä muodostuu metyyliesteriä (FAME = Fatty Acid Methyl Ester) ja etanolilla esteröitäessä etyyliesteriä (FAEE = Fatty Acid Ethyl Ester). Molemmista käytetään kuitenkin yhteistä nimitystä biodiesel. Biodiesel voidaan nimetä myös käytet- 17 tävän raaka-aineen mukaan. Esimerkiksi soijaöljyn metyyliesteristä käytetään lyhennet- tä SME (SME, soybean oil methyl ester). Reaktiossa käytetään katalyyttiä kasvattamaan reaktionopeutta ja muodostuvan reak- tiotuotteen määrää. Katalyyttinä voidaan käyttää emäksiä, happoja tai entsyymejä. Emäskatalyyttinä voidaan käyttää natriumhydroksidia (NaOH), kaliumhydroksidia (KOH), karbonaatteja sekä natriumin ja kaliumin alkoksideja kuten natrium- tai ka- liummetoksidia. Käytetty alkoksidi voi olla myös natrium- tai kaliumetoksidi. Biodiese- lin valmistaminen emäskatalyyttiä käyttäen on esitetty kuvassa 2. Kuva 2. Biodieselin valmistaminen emäskatalyyttiä käyttäen. (Demirbas 2008: 162; Leung ym. 2010: 1086) 18 Happokatalyyttinä voidaan käyttää rikkihappoa (H2SO4), sulfonihappoa ja suolahappoa (HCl). Entsyymikatalyyttinä voidaan käyttää lipaaseja. Emäskatalyyttiä käytettäessä transesteröityminen tapahtuu happokatalyyttiä nopeammin. (Ma & Hanna 1999: 7.) Ta- vallisesti katalyyttinä käytetään natrium- tai kaliumhydroksidia. Emäskatalyytin käyt- tämisen etuna on reaktion vaatima alhainen lämpötila ja paine, suuri saantoprosentti (98 %), lyhyt reaktioaika ja vähäiset sivureaktiot. (Demirbas 2008: 161; 163). Suurella katalyytin pitoisuudella voidaan tehostaa triglyseridien konversiota ja kasvattaa monoalkyyliesterin määrää. Esimerkiksi natriumhydroksidia käytettäessä reaktio saa- vuttaa optimaalisen tason konsentraation ollessa 1,5 massaprosenttia. Liian suurella konsentraatiolla natriumhydroksidin kohdalla alkaa esiintyä saippuoitumista triglyseri- dien reagoidessa ylimääräisen emäskatalyytin kanssa. (Leung ym. 2010: 1091.) Ma & Hannan (1999: 7) mukaan emäskatalyyttiä käytettäessä alkoholi ja triglyseridit eivät saisi sisältää vettä saippuoitumisen vuoksi. Kasviöljyt ja rasvat saattavat sisältää vapaita rasvahappoja (FFA, free fatty acids). Leungin ym. (2010: 1085) mukaan emäskatalyyttiä käytettäessä emäs reagoi vapaiden rasvahappojen kanssa muodostaen saippuaa ja vettä reaktioyhtälön 1 mukaisesti. (1) Tämä on transesteröitymisen kannalta epäedullista, koska saippuan muodostuminen vä- hentää saatavan monoalkyyliesterin määrää ja vaikeuttaa esterin ja glyserolin erottamis- ta lopputuotteesta. Saippuoitumisen vuoksi myös katalyyttiä kuluu enemmän. Öljyistä ja rasvoista peräisin oleva tai saippuoitumisen yhteydessä muodostuva vesi aiheuttaa hyd- rolyysiä. Kuvan 3 mukaisesti vesi hydrolysoi triglyseridit diglyserideiksi ja muodostaa vapaita rasvahappoja. (Leung ym. 2010: 1085.) 19 Kuva 3. Triglyseridien hydrolysoituminen (Leung ym. 2010: 1086). Vapaita rasvahappoja voidaan esteröidä biodieseliksi reaktioyhtälön 2 mukaisesti käyt- tämällä happokatalyyttiä, joka tavallisesti on rikkihappo. Happokatalyytti soveltuu käy- tettäväksi, kun kasviöljyt ja rasvat sisältävät paljon vapaita rasvahappoja. (Leung ym. 2010: 1085.) → (2) Transesteröitymisaste muuttuu reaktion edetessä. Alussa reaktio on hidas alkoholin ja öljyn sekoittuessa keskenään. Tämän jälkeen reaktio etenee nopeasti maksimiinsa, jonka jälkeen reaktio pysyy melko vakiona. Koska kyseessä on tasapainoreaktio, liian pitkä reaktioaika saa aikaan tuotteiden muuttumista takaisin lähtöaineiksi, jolloin halutun lopputuotteen eli monoalkyyliesterin määrä vähenee. (Leung ym. 2010: 1091.) Transesteröimällä saatu tuote on sekoitus estereitä, glyserolia, alkoholia, katalyyttiä ja tri-, di- ja monoglyseridejä. Epäpuhtaudet kuten monoglyseridit nostavat same- ja jäh- mepistettä. Eläinrasvat sisältävät enemmän tyydyttyneitä rasvahappoja kuin kasviöljyt, joten niistä valmistetun biodieselin same- ja jähmepisteet ovat korkeammat. (Ma & Hanna 1999: 7-8.) Sivutuote glyseroli erotellaan lopputuotteesta laskeuttamalla tai sepa- roimalla ja kerätään talteen käyttöarvonsa vuoksi. (Ma & Hanna 1999: 7-8) 20 Glyserolin erottamisen jälkeen raaka biodiesel sisältää vielä epäpuhtauksia kuten jäämiä katalyytistä, vedestä, reagoimatonta alkoholia, vapaata glyserolia ja transesteröinnin ai- kana muodostunutta saippuaa. Biodiesel neutraloidaan ja alkoholi poistetaan ennen pe- semistä. Hapon lisäämisellä raakaan biodieseliin saadaan poistettua ylimääräinen kata- lyytti ja saippuat. Alkoholi poistetaan tislaamalla. Pesemisen tarkoituksena on poistaa katalyyttijäämät, saippuat, suola, alkoholijäämät ja vapaa glyseroli. (Leung ym. 2010: 1089.) 2.1.3. Rypsimetyyliesteri RME (rape seed methyl ester) on rypsistä valmistettu biodiesel. Kuvassa 4 on esitetty kaaviona yhden RME-tonnin tuottamisen vaiheet ja materiaalivirrat. Taulukossa 1 on esitetty materiaalivirrat yhden RME-tonnin tuottamiselle, ja kun raaka-ainetta eli rypsiä on käytettävissä 1000 kg. Kuva 4. Yhden RME-tonnin tuottamiseen tarvittavat materiaalivirrat (Vihma, Aro- Heinilä & Sinkkonen 2006: 10). 21 Taulukko 1. Materiaalivirrat eri RME:n tuotantomäärille. Lopputuotetta 1t Rypsi 1 t Rypsiöljyä 1 t Rypsi (kg) 5000 kg a 1000 kg 4000 kg Rypsiöljy (kg) 1250 kg a 250 kg 1000 kg Rypsipuriste (kg) 3750 kg a 750 kg 3000 kg RME (kg) 1000 kg a 200 kg 800 kg Glyseroli (kg) 250 kg a 50 kg 200 kg a Lähteestä Vihma ym. 2006: 10 2.1.4. Ominaisuuksista Biodieseliltä vaaditut ominaisuudet määritellään standardissa SFS-EN 14214: 2013. Standardissa määritellään, että biodieselin tulee sisältää vähintään 96,5 % monoalkyy- liesteriä (FAME) ja tiheyden täytyy olla välillä 860-900 kg/m 3 . Esimerkiksi taulukosta 2 nähdään, että eläinrasvaperäisellä metyyliesterillä (AFME) tiheys on 872 kg/m 3 . Stan- dardi määrittelee lisäksi raja-arvot muun muassa viskositeetille, leimahduspisteelle, se- taaniluvulle, jodiluvulle ja hapettumisen kestolle (SFS-EN 14214: 2013). Taulukossa 2 on esitetty joitain eri raaka-aineista valmistettujen biodieselien ominaisuuksia. Taulukko 2. Biodieselien ominaisuuksia. Kinemaattinen viskositeetti (cst, 40°) Tiheys (kg/m3) Jodiluku Happoluku (mg KOH/ g) Setaani- luku Lämpöarvo (MJ/kg) Kasviperäinen LME a, b - 895 a 203 a 0,26 a 40 a 36,8 a RME a, b 4,5 a 882 a 123 a 0,23 a 57 a - Eläinperäinen SOME a, b 4,8 a 894 a 145 a 0,15 a 54 a 37,2 a, c AFME a, b 4,5 a 872 a 79 a 0,35 a 67 a 37,3 a, c RTOME a, b 4,7 a 886 a 137 a 0,42 a 53 a - a Vauhkonen, Niemi, Hiltunen, Salminen & Pasila 2009: 120 b LME, linseed methyl ester; RME, rapeseed methyl ester; SOME, salmon oil methyl ester; AF- ME, animal fat methyl ester; RTOME, rainbow trout methyl ester c LHV, lower heating value 22 Pieni viskositeetti on edullinen moottorin toiminnan kannalta. Suuri viskositeetti suu- rentaa pisarakokoa ja huonontaa seoksen muodostumista. Korkea viskositeetti aiheuttaa ongelmia myös moottorin kylmäkäynnistyksessä. Monoalkyyliesterien viskositeetti on suurempi kuin fossiilisen dieselöljyn. Raja-arvot on määritelty standardissa SFS-EN 14214: 2013. (Hoekman, Broch, Robbins, Ceniceros & Natarajan 2012; 154) Leimahduspiste kuvastaa biodieselin puhtautta, sillä pienetkin metanolijäämät alentavat leimahduspistettä merkittävästi. (Hoekman ym. 2012: 156.) Polttoaineet, joiden se- taaniluku on yli viisikymmentä, ovat sopivimpia käytettäväksi nykyaikaisessa puristus- sytytteisessä moottorissa. (Majevsky & Khair 2006: 227-228.) Jodiluku kuvaa biodiese- lin tyydyttymättömyysastetta eli kuinka paljon rasvahappoketjut sisältävät kaksoissi- doksia (Hoekman ym. 2012: 156). Kaksoissidokset sitovat happea, joten tyydyttymät- tömyysaste vaikuttaa biodieselin hapettumiseen. Biodieselin hapettumisen kestolla on merkitystä sen varastoinnin kannalta. Biodieselin tulee kestää hapettumista SFS-EN 14214: 2013 -standardin mukaan 110 °C lämpötilassa vähintään 8 tuntia, kun hapettumista mitataan Rancimat-menetelmää käyttäen. Mene- telmä mittaa muutoksia johtokyvyssä, jonka aiheuttavat haihtuvat oksidatiiviset aineet. Monityydyttymättömät monoalkyyliesterit lisäävät hapettumisherkkyyttä. Standardissa SFS-EN 14214: 2013 on annettu raja-arvot monityydyttymättömien metyyliesterien ja linoleenihapon pitoisuuksille. Polttoaineessa oleva vesi aiheuttaa korroosiota moottorin polttoainejärjestelmässä, edis- tää mikrobien kasvua ja monoalkyyliesterien hydrolyysiä. Glyseroli aiheuttaa mootto- rissa sakkaantumista palamisen aikana. Standardissa on annettu lisäksi raja-arvot koko- naisglyserolille, joka koostuu vapaan glyserolin lisäksi myös biodieseliin huonon kon- version seurauksena jääneistä mono-, di- ja triglyseridiin sitoutuneesta glyserolista. Gly- serolijäämät vaikuttavat polttoaineen toimivuuteen matalassa lämpötilassa, viskositeet- tiin ja voitelevuuteen. Biodieselissä olevat metallit kuten natrium ja kalium toimivat biodieseliin jääneen katalyytin indikaattorina. Metallit lisäävät polttoaineen palamisessa muodostuvaa tuhkaa. (Moser 2009: 244-246.) 23 Biodieselin ylempi lämpöarvo (HHV, higher heating value) on noin 39-41 MJ/kg. Tämä on alempi kuin tavanomaisen dieselin alempi lämpöarvo (LHV, lower heating value), joka on 43 MJ/kg. (Demirbas 2008: 111.) Standardissa SFS-EN 14214: 2013 ei määri- tellä lämpöarvolle raja-arvoja. 2.1.5. Käyttö Biodiesel soveltuu hyvin dieselmoottoreiden polttoaineeksi. Sitä voidaan käyttää kaikis- sa dieselmoottoreissa ilman, että moottoriin tarvitsee tehdä muutoksia. Biodieseliä voi- daan käyttää polttoaineena sellaisenaan tai sitä voidaan sekoittaa tavanomaisen dieselin kanssa. (Demirbas 2008: 57; 111.) Perinteisen dieselmoottorin lisäksi erilaisia dieselsovelluksia ovat muun muassa kak- soispolttoainemoottori eli DF-moottori (DF, dual fuel) ja kaasudieselmoottori eli GD- moottori (GD, gas diesel). DF- ja GD-moottoreissa voidaan käyttää polttoaineena sekä kaasua että dieseliä. Merkittävin ero näiden moottorityyppien välillä on ruiskutuksessa. (Raiko ym. 2002: 605). Sähköntuotannossa tai yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotan- nossa (CHP) käytettävät polttomoottorit vaihtelevat tehoiltaan muutamasta kilowatista useisiin megawatteihin. (Persson, Jönsson & Wellinger 2006: 12-13.) 2.1.6. Glyseroli Biodieselin tuotannossa muodostuu päätuotteen lisäksi sivutuotteita. Kun raaka-aineena on öljysiemen, saadaan sivutuotteena öljyn erottamisen yhteydessä puristetta. Kun raa- ka-aineena on eläinperäinen jäte, saadaan sivutuotteena rasvan erottamisen yhteydessä jätteestä jäljelle jäävä muu ruhon osa. Transesteröinnin sivutuotteena syntyy glyserolia ja päätuotteen eli biodieselin puhdistamisen yhteydessä epäpuhtauksia, saippuaa, lyhyt- ketjuisia rasvahappoja sekä metanolia sisältävää pesuvettä. Erityisesti glyseroli voidaan hyödyntää biokaasun tuotannossa joko lisäsyötteenä tai sellaisenaan. Pesuvesi sisältää myös paljon hajoavaa orgaanista ainesta, mutta sen käyttö biokaasun tuottamisessa vaa- tii lisää tutkimuksia. (Kolesárová, Hutnan, Bodík & Spalková 2011: 1-2, 11.) Tämän diplomityön kannalta tärkein sivutuote on glyseroli. 24 Raakaglyserolia (g-phase) muodostuu noin 10 kg jokaista tuotettua 100 kg biodieseliä kohden (Kolesárová ym. 2011: 2). Raakaglyserolia muodostuu noin 16-18 % käytetyn raaka-aineen (kasviöljy, eläinrasva) painosta (Hutnan, Kolesarova, Bodik, Spalkova & Lazor 2009: 1). Emäskatalysoidun transesteröinnin sivutuotteena syntyvä raaka- glyseroli sisältää 50-60 % glyserolia, 12-16 % alkalipitoista saippuaa tai hydroksidia, 15-18 % metyyliesteriä, 8-12 % metanolia ja 2-3 % vettä sekä muita komponentteja (Kolesárová ym. 2011: 2). Raakaglyseroli voidaan käsitellä vahvalla mineraalihapolla, jolloin sen glyserolipitoisuus saadaan nostettua 78-82 %:in (Hutnan 2009: 1). Glyserolia käytetään lääke-, ruoka- ja kosmetiikkateollisuudessa. Raaka-glyserolin puhdistaminen on kuitenkin kallista erityisesti pienille ja keskisuurille biodieselin tuottajille. Raaka- glyserolin taloudellista hyödyntämistä ajatellen sen käyttöä on tutkittu mädätyksen ohel- la useissa sovelluksissa kuten polttamisessa, kompostoinnissa ja eläinten rehuna. (Ko- lesárová ym. 2011: 2-3.) Glyseroli voidaan hyödyntää esimerkiksi lääke-, kosmetiikka- ja ruokateollisuudessa, eläinten rehuntuotannossa, hiiliraaka-aineena käymisprosessissa, polymeereissä ja voite- luaineissa (Vicente, Martinez & Aracil 2004: 297). Raakaglyseroli voidaan hyödyntää mädättämällä se biokaasuksi anaerobisissa olosuhteissa., koska se on orgaaninen, hel- posti hajoava ja sitä voidaan varastoida pitkiä aikoja. On havaittu, että glyserolin käyttö käymisprosessissa yhdessä mm. teurasjätteen, yhdyskuntajätteen, sianlannan, maissire- hun ja rapsinsiemenjauhon kanssa lisää metaanin tuottoa. (Fountoulakis, Petousi, Ma- nios 2010: 1849.) Useat mikro-organismit pystyvät käyttämään glyserolia ravinnokseen. Raakaglyseroli sisältää paljon energiaa, minkä vuoksi se soveltuu hyvin biometanoinnin raaka-aineeksi. Sillä saadaan suuri biokaasun tuotto pienissäkin reaktoritilavuuksissa. Puhdistamista vaativiin käyttöihin verrattuna raakaglyserolin biometanoinnin etuna ovat pienemmät investointikustannukset ja yksinkertaisemmat hyötykäyttömenetelmät. (Kolesárová ym. 2011: 3.) 25 2.2. Bioetanoli Bioetanoli on uusiutuvista raaka-aineista valmistettua kipinäsytytteiseen eli bensiini- käyttöiseen polttomoottoriin soveltuvaa nestemäistä biopolttoainetta. Bioetanoli sovel- tuu monin tavoin käytettäväksi myös puristussytytteisissä moottoreissa. Bioetanolista voidaan käyttää myös nimitystä etyylialkoholi, ja sen kemiallinen kaava on C2H5OH. Bioetanoli soveltuu polttoaineeksi sellaisenaan tai sekoitettuna bensiiniin. 2.2.1. Raaka-aineet Bioetanolia voidaan valmistaa sokeri- tai tärkkelyspitoisesta raaka-aineesta, jolloin bio- etanolista käytetään usein nimitystä ensimmäisen sukupolven bioetanoli. Toisen suku- polven bioetanolin raaka-aineena käytetään lignoselluloosapitoista biomassaa ja kol- mannen sukupolven bioetanolin raaka-aineena mikrobeja ja mikrolevää. (Nigam & Singh 2011: 55-58.) Ensimmäisen sukupolven bioetanoli on näistä oleellisin tässä dip- lomityössä. Taulukossa 3 on esitetty eräiden raaka-aineiden määrät yhden etanolikuuti- on tuottamiseksi. Taulukko 3. Raaka-aineiden määrät yhden etanolikuution tuottamiseksi. (Jord- bruksverket 2004: 10.) Raaka-aine kg Sokeriruoko 12700 Sokerijuurikas 10300 Peruna 8500 Puu 3850 Melassi 3600 Maissi 2680 Vehnä 2600 Brasilia on yksi merkittävimpiä bioetanolin tuottajia. Maan bioetanoli tuotetaan pääasi- assa sokeriruo’osta. Euroopassa bioetanoli tuotetaan pääasiassa sokerijuurikkaan melas- sista, joka on sokerintuotannon sivutuote. (Sánchez & Cardona 2008: 5272; Balat, Balat 26 & Öz 2008: 554.) Sokeriruo’on ja sokerijuurikkaan lisäksi muita sokeripitoisia raaka- aineita ovat melassi ja hedelmät (Lin & Tanaka 2006: 628). Tärkkelyspitoisia raaka- aineita ovat maissi, peruna, viljakasvien siemenet kuten vehnä, ruis ja ohra sekä näistä saatavat ruoantähteet (Sánchez & Cardona 2008: 5276; Lin & Tanaka 2006: 628). Lig- noselluloosapitoisia raaka-aineita ovat esimerkiksi maatalouden sivutuotteet kuten pel- loille viljan korjuun yhteydessä jäävä biomassa kuten oljet, sokeriruokojäte (bagassi), ja energiakasvit sekä havu- ja lehtipuu. (Sarkar, Ghosh, Bannerjee & Aikat 2012: 20; Gal- be & Zacchi 2012: 70). 2.2.2. Bioetanolin valmistaminen käymällä Bioetanolin valmistusmenetelmä riippuu käytettävästä raaka-aineesta. Kaikille mene- telmille on yhteistä, että tietyssä vaiheessa valmistusprosessia sokeri käytetään etanolik- si. Käyminen tarvitsee onnistuakseen entsyymejä, joita saadaan hiivasta ja raaka-aineen mikrobeista. Etanolin valmistus sokerista on esitetty reaktioyhtälössä 3, jonka mukaises- ti glukoosi muuntuu hiivan avustuksella etanoliksi ja hiilidioksidiksi. (Napari 2007: 165). Sokeriruo’on, sokerijuurikkaan, melassin ja hedelmien sisältämä sokeri voidaan käyttää suoraan etanoliksi (Lin & Tanaka 2006: 628). → (3) Tärkkelyksestä saadaan tuotettua paljon bioetanolia. Tärkkelyksen muuntaminen bio- etanoliksi on hankalampaa kuin sokerin, koska se täytyy ensin hydrolysoida korkeassa lämpötilassa entsyymien avulla käymisen kannalta sopivaan muotoon eli sokeriksi (glu- koosi). Hydrolysoinnissa voidaan käyttää myös happoa. (Sánchez & Cardona 2008: 5274.) Etanolin valmistus tärkkelyksestä on esitetty reaktioyhtälössä 4, jossa tärkkelyk- sen sisältämät D-glukoosiketjut pilkotaan ensin amylaasientsyymillä mallassokeriksi (maltoosi) ja se pilkotaan maltaasientsyymillä glukoosiksi, joka lopulta fermentoidaan zymaasientsyymin läsnäollessa etanoliksi ja hiilidioksidiksi. (Balat ym. 2008: 555; Na- pari 2007: 165.) 27 → → → (4) Toisen sukupolven bioetanoli, joka valmistetaan lignoselluloosapitoisista raaka-aineista, täytyy muuntaa sokeriksi ennen fermentoimista. Lignoselluloosa on monimutkainen po- lymeeri, joka on rakentunut selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä. Nämä täytyy ensin erotella toisistaan esikäsittelyssä, minkä jälkeen selluloosa hydrolysoidaan esi- merkiksi entsyymien läsnäollessa glukoosiksi. Myös hemiselluloosa voidaan hydroly- soida sokeriksi kuten ksyloosiksi. Muodostuneet sokerit fermentoidaan etanoliksi, joka lopuksi vielä erotetaan tislaamalla. (Sarkar ym. 2012: 20-23.) 2.2.3. Ominaisuuksista Etanolilla on suuri oktaaniluku, joka mahdollistaa suuren puristussuhteen käyttämisen ja ehkäisee nakutusta bensiinimoottorissa. Etanoli sisältää 35 painoprosenttia happea. Korkean happipitoisuuden vuoksi stökiömetrinen palaminen saavutetaan ilma- polttoaine-suhteella 8,95, joka on pienempi kuin bensiinin (14,4). Polttoaineen sisältä- män hapen vuoksi päästöistä hiilimonoksidi ja hiilivedyt saattavat vähentyä. Etanoli muodostaa joidenkin hiilivetyjen kanssa atseotrooppisen nesteseoksen, jossa nesteen ja höyryn koostumus on sama vakiokiehumispisteessä. Yleisimmissä etanolin atseotroo- peissa kiehumislämpötila on pienempi kuin etanolilla itsessään ja sekoitettavalla aineel- la. Esimerkiksi etanolin kiehumispiste on 78 °C ja n-oktaanin 126 °C, ja niiden atseo- trooppisella seoksella se on 77 °C, kun seoksessa etanolin määrä on 88 massaprosenttia. Tämän ominaisuuden ansiosta saadaan suurempi höyrynpaine sekoittamalla etanolia muihin polttoaineisiin. Etanoli ei ole erityisen haihtuvaa ja sillä on suuri höyrystymis- lämpö, joka heikentää haihtumista kylmissä olosuhteissa. (Jeuland, Montagne, Gautrot 2004: 562-564.) Taulukossa 4 on esitetty joitakin etanolin ominaisuuksia. Etanolilta vaaditut ominaisuudet määritellään standardissa EN 15376: 2011. Standardi määrittelee ominaisuudet, kun etanolia käytetään seoksena bensiinin kanssa. Standardis- sa on määritelty muun muassa alaraja etanolipitoisuudelle, jonka on oltava vähintään 98,7 %. 28 Taulukko 4. Etanolin ominaisuuksia. Ominaisuus Etanoli Lähde Setaaniluku 8 (Balat 2008: 552) Oktaaniluku 107 (Balat 2008: 552) LHV (MJ/kg) 26,7 (Balat 2008: 552) Tiheys (kg/m3) 794 (Jeuland 2004: 562) Viskositeetti (mm2/s) 1,52 (Valtanen 2007: 309) Kiehumispiste (C°) 78,4 (Jeuland 2004: 562) Helpoimmin bioetanoli soveltuu käytettäväksi kipinäsytteisessä moottorissa. Sitä voi- daan käyttää polttoaineena sellaisenaan, mutta usein sitä sekoitetaan bensiiniin eri suh- teissa. Bioetanoli-bensiiniseoksen käyttäminen ei vaadi muutoksia moottorin rakenteis- sa. Usein käytetty seossuhde on 10 % etanolia ja 90 % bensiiniä, jolloin polttoaineesta käytetään nimitystä E10. Kun etanolia on seoksessa 85 % ja bensiiniä 15 %, täytyy moottoriin tehdä muutoksia. Tällaisesta polttoaineesta käytetään nimitystä E85. (Balat & Balat 2009: 2276.) 2.2.4. Rankki Ensimmäisen sukupolven bioetanolin valmistuksen sivutuotteena muodostuu muun mu- assa kasvijätteitä ja rankkia. Rankin ominaisuudet vaihtelevat riippuen etanolin valmis- tuksessa käytettävästä raaka-aineesta. Bioetanolin tuotannossa muodostuu sivutuotteena myös fermentorin pesuvettä, jäähdytysvettä ja lämpökattilan vuotovettä, jotka voivat olla sekoittuneena rankkiin ja aiheuttaa laatuvaihteluita. Rankkia muodostuu noin 20 litraa jokaista tuotettua bioetanolilitraa kohden. (Wilkie ym. 2000: 72.) Rankin määrä ja sen sisältämä orgaaninen aines vaihtelevat merkittävästi. (Wilkie ym. 2000: 72). Rankki sisältää orgaanista ainesta, ja se voidaan mädättää biokaasuksi (Wil- kie ym. 2000: 81). 29 2.3. Biokaasu Biokaasu on uusiutuva polttoaine, jota voidaan tuottaa orgaanisista jätteistä ja sivuvir- roista sekä energiakasveista. Biokaasu voidaan hyödyntää esimerkiksi CHP-laitoksissa lämmön ja sähkön tuottamiseen sekä ajoneuvojen kaasumoottoreissa. Biokaasusta käy- tetään myös nimitystä biometaani. Biokaasua tuotetaan mädättämällä orgaanista ainesta anaerobisissa olosuhteissa, jolloin sivutuotteena saadaan esimerkiksi lannoitteeksi so- veltuvaa mädätysjäännöstä. (Weiland 2010: 849.) Anaerobinen mädätys on vakaa ja laa- jasti käytetty biokemiallinen muunnosprosessi. Ensimmäiset teolliset mädättämöt olivat toiminnassa jo 1900-luvun alkupuolella. Viime vuosina orgaanisen jätteen käsittelemi- nen anaerobisesti mädättämällä on lisääntynyt merkittävästi. Mädätys on tehokas tapa käsitellä erityyppistä biomassaa ja jätettä. (Appels, Lauwers, Degrève, Helsen, Lievens, Willems, Van Impe & Dewil 2011: 4296.) Orgaanisen aineksen hajoaminen perustuu alkeellisten bakteerien toimintaan. Biokaasua muodostuu kontrolloidusti mädättämöissä ja kontrolloimattomasti esimerkiksi kaatopaikoilla. (Alakangas 2000: 145.) Biokaasua muodostuu orgaanisen aineen hajotessa, joten sen tuotanto ei lisää ilmakehän hiilikuormaa. Biokaasun tuottamisessa käytettävä raaka-aine hajoaisi mätänemällä tai lahoamalla joka tapauksessa riippumatta siitä, käytetäänkö se energiantuotannossa vai ei. (Lampinen & Laakkonen 2010: 6.) Biokaasu sisältää paljon metaania ja käsittelyn jälkeen jopa 99 %. 2.3.1. Raaka-aineet Biokaasun valmistuksessa voidaan käyttää raaka-aineena biomassaa, joka sisältää pää- osin hiilihydraatteja, proteiinia, rasvoja, selluloosaa ja hemiselluloosaa. Paljon ligniiniä sisältävät raaka-aineet kuten puu eivät sovellu biokaasun tuotantoon niiden hitaan ha- joamisen vuoksi. (Weiland 2010: 852.) Taulukossa 5 on esitetty joidenkin raaka- aineiden metaanintuottopotentiaaleja. 30 Taulukko 5. Biokaasun saantopotentiaali eri raaka-aineilla, muokattu (Lehtomäki & Rintala 2006: 31). Metaanin tuotto Raaka-aine l CH4/ kg a m3 CH4/ t b Teurastamojäte 570 150 Biojäte 500-600 100-150 Energiakasvit 300-500 30-150 Lanta 100-400 7-20 a orgaanista ainetta b märkäpaino Paljon tärkkelystä sisältävät raaka-aineet ja glyseroli ovat hyviä lisäsyötteitä biokaasun- tuotannossa. Esimerkiksi glyseroli hajoaa nopeasti ja tuottaa paljon biokaasua. (Latvala 2009: 22.) Biokaasun koostumus ja saanto riippuvat käytettävästä raaka-aineesta (Wei- land 2010: 852). Biokaasua voidaan tuottaa orgaanisesta raaka-aineesta. Krishania, Kumar, Vijay & Ma- lik (2013: 3) jakaa raaka-ainetyypit kolmeen kategoriaan: kiinteään, puolikiinteään ja nestemäiseen jakeeseen. Kiinteä raaka-aine koostuu energiakasveista, maanviljelyn si- vutuotteista, öljyisten siementen puristeesta, rikkaruohoista, pilaantuneesta rehusta, kas- vien lehdistä ja kiinteästä yhdyskuntajätteestä. Puolikiinteä jäte koostuu karjan, lam- paan, vuohen ja sian lannasta ja lihajätteestä, kalastuksen jätteistä, siipikarjan jätteestä, teurasjätteestä ja ihmisperäisestä jätteestä. Nestemäinen on peräisin tislaamoista, meije- reistä, sellu- ja paperiteollisuudesta, siipikarjateollisuudesta, sokeriteollisuudesta ja elin- tarviketeollisuudesta. Maanviljelyksestä peräisin oleva jäte sisältää paljon huonosti ha- joavaa lignoselluloosaa, joten se vaatii esikäsittelyn ja lisäaineiden käyttöä. (Krishania ym. 2013: 3.) Biokaasun tuottamisen raaka-aineena voidaan käyttää myös bioetanolin ja biodieselin valmistuksen sivutuotteita. Bioetanolin valmistuksen sivutuotteena syntyy raaka- aineesta riippuen muun muassa kasvien jäämiä ja tislauksesta jäljelle jäävää rankkia. Biodieselin valmistuksen sivutuotteena syntyy raakaglyserolia, pesuvettä biodieselin 31 puhdistamisesta, puristetta ja kasvijäännöksiä. (Wilkie 2007.) Näistä glyseroli ja rankki ovat tärkeimmät tässä diplomityössä. 2.3.2. Biokaasun valmistaminen mädätyksellä Biokaasun tuotantoon käytettävä raaka-aine vaatii toisinaan esikäsittelyn. Esikäsittelyn tarkoituksena on poistaa syötteestä epäpuhtauksia, murskata se sopivaan kokoon ja ho- mogenisoida se. Esikäsittelyssä säädetään kuiva-ainepitoisuus ja orgaaninen kuorma sopivaksi mädätysprosessin onnistumiseksi. (Latvala 2009: 23.) Syötteen laadusta riip- puen se täytyy hygienisoida tai steriloida ennen biometanointia tai sen jälkeen (Latvala 2009: 23; Weiland 2010: 857). Maanviljelyn sivutuotteet sisältävät lignoselluloosaa, jonka vuoksi ne täytyy esikäsitellä alkalikäsittelyllä (esim. NaOH), termokemiallisella käsittelyllä rikkihapolla (H2SO4) tai jauhamisella. Alkalikäsittelyllä erotellaan ligniini ja selluloosa. Happokäsittely hajottaa ligniiniä ja tehostaa entsymaattista hydrolyysiä selluloosan hajottamiseksi. Jauhaminen valmistaa raaka-aineen entsymaattiselle hydrolyysille, koska raaka-aine on tällöin pie- nemmässä koossa ja ligniini vähemmän kiteistä. Lisäaineilla ja ravinteilla kuten nikke- lillä, entsyymeillä ja hivenaineilla sekä makroravinteilla tehostetaan bakteerien toimin- taa ja syötteen hajoamista. (Krishania ym. 2013: 3-4.) Biokaasua tuotetaan mädättämällä orgaanista raaka-ainetta anaerobisissa olosuhteissa. Biometanoinnissa hyödynnetään mikrobien kykyä hajottaa orgaaninen aines biokaasuk- si ja ravinnerikkaaksi käsittelyjäännökseksi. (Krishania ym. 2013: 2.) Biometanointi voidaan jakaa neljään erilliseen vaiheeseen, jotka ovat hydrolyysi, asidogeneesi eli hap- pokäyminen, asetogeneesi eli etikkahapon muodostus ja metanogeneesi eli metaanin muodostus. Prosessissa käytettävä syöte sisältää muun muassa hiilihydraatteja, prote- iineja ja lipidejä, jotka hajoavat hydrolyysivaiheessa sokereiksi, aminohapoiksi ja pitkä- ketjuisiksi rasvahapoiksi. Asidogeneesissä nämä hajoavat edelleen propionaatiksi ja bu- tyraatiksi, jotka taas hajoavat asetogeneesissä etikkahapoksi ja vedyksi. Metaanibaktee- rien vaikutuksesta näistä muodostuu lopulta metaania. Hydrolyysissä aminohapoista vapautuu ammoniakkia, joka liukenee käsittelyjäännökseen. (Latvala 2009: 29.) 32 Biometanointi tapahtuu mikro-organismien avulla, minkä vuoksi niiden elinolosuhteista on tärkeää huolehtia. Biometanoinnin onnistumisen kannalta tärkeitä parametreja ovat lämpötila, kuormitus, pH, hydraulinen viipymäaika (HRT, hydraulic retention time), haihtuvat rasvahapot ja alkaliteetti sekä inhibitiot. (Latvala 2009: 34-36.) Anaeorobinen hajoaminen voi tapahtua eri lämpötila-alueilla. Psykofiilinen hajoaminen tapahtuu lämpötila-alueella 12-16 °C lähinnä luonnossa kuten soilla ja sedimentissä se- kä kaatopaikoilla. Mesofiilinen hajoaminen tapahtuu lämpötila-alueella 35-37 °C esi- merkiksi märehtijöiden pötsissä ja mädättämöissä. Krishanian ym. (2013: 4) mukaan tämä tapahtuu lämpötila-alueella 32-35 °C. Termofiilinen hajoaminen tapahtuu lämpöti- la-alueella 55-60 °C mädättämöissä ja geotermisesti lämpenevissä ekosysteemeissä. Krishanian (2013: 4) mukaan tämä tapahtuu alueella 50-60 °C. Termofiilisen mädätyk- sen etuna on patogeenisten bakteerien tuhoutuminen korkeammissa lämpötiloissa. Heikkoutena puolestaan on heikentynyt prosessin stabiilisuus ja suuri lämmitysenergian tarve. (Gallert & Winter 1997: 405.) Termofiilinen prosessi on mesofiiliseen prosessiin verrattuna herkempi lämpötilan ja pH:n vaihteluille. Lämpötilan vuoksi hygienisoitumi- nen on tehokasta ja syötteen käsittelyaika on lyhyt. Termofiilinen prosessi kestää myös hyvin kuormitusta. (Latvala 2009: 34.) Prosessin pH vaihtelee kuormituksen mukaan. Muutokset syöteseoksessa tai viipymä- ajassa vaikuttavat kuormitukseen. Kuormitus vaihtelee välillä 3-9 kgVS/m 3 /d (Latvala 2009: 34). Yksikkö kuvaa kuinka monta kilogrammaa orgaanista kuiva-ainetta (VS, vo- latile solids) syötetään vuorokaudessa yhtä reaktorin nestetilavuuskuutiota kohden. Lii- an suuri orgaaninen kuormitus johtaa haponmuodostajabakteerien toiminnan kiihtymi- seen, jolloin haihtuvien rasvahappojen (VFA, volatile fatty acids) pitoisuuden nousu aiheuttaa pH:n alenemista. Metaanibakteerien toiminta heikkenee ja metaanin tuotto huonontuu. Metaanibakteereille sopiva pH on 6,5-7,5. Kuormituksen suureneminen taas saattaa aiheuttaa pH:n liiallista nousua, jolloin haponmuodostajabakteerien toiminta häi- riintyy ja koko prosessi saattaa pysähtyä. Näiden bakteerien optimaalinen pH on 5,2- 6,3. (Latvala 2009: 34-35.) 33 Hydraulinen viipymäaika (HRT, hydraulic retention time) on riippuvainen materiaalin tasalaatuisuudesta, kokonaiskuiva-ainepitoisuudesta (TS, total solids), orgaanisen ai- neen määrästä, lämpötilasta, reaktorin tilavuudesta ja sekoituksesta. HRT tarkoittaa sitä aikaa, jonka syöteseos eli biomassa viipyy reaktorissa. Pitkällä viipymällä saadaan tuo- tettua enemmän biokaasua, mutta lämmitys- ja sekoitustarve kasvaa. Liian lyhyellä vii- pymällä reaktori saattaa ylikuormittua ja biokaasun tuotanto laskea huonon hajoamisen seurauksena. Suomalaisilla biokaasulaitoksilla HRT on yleensä 12-30 vuorokautta. HRT on riittävä, kun orgaanisen aineen reduktio on 50-60 %. (Latvala 2009: 35.) Haihtuvia rasvahappoja muodostuu asidogeneesivaiheessa. Sen perusteella voidaan seu- rata biometanoinnin toimintaa. Liian suuri rasvahappojen määrä on merkki liian suures- ta orgaanisesta kuormasta, sillä mikrobitoiminta heikkenee pH:n alentuessa. Alkaliteetti kuvaa reaktorin puskurikapasiteettia yksikössä mg CaCO3/l. Alkaliteetti kuvaa lukuar- voa, joka tarvitaan vapaiden rasvahappojen puskuroimiseen. Vapaiden rasvahappojen ja alkaliteetin suhteen perusteella voidaan havaita muutokset prosessissa jo ennen pH:n muuttumista. (Latvala 2009: 36.) Sekoittamisella on tarkoitus saada käsiteltävä syöte tasalaatuiseksi ja estää eroavien pi- toisuuksien ja lämpötilojen muodostuminen. Sekoituksen tärkein tehtävä on saada mik- ro-organismit ja syöte kosketuksiin toistensa kanssa biometanoinnin tehostamiseksi. Liiallinen sekoitus saattaa vähentää biokaasun muodostumista. Hitaan sekoittamisen on havaittu sietävän äkkikuormituksesta aiheutuvaa häiriötä nopeaa sekoittamista parem- min. Liika sekoittaminen vaikuttaa mikrobibiomassan rakenteisiin, mikä vähentää ras- vahappojen hapettumista ja aiheuttaa epästabiilisuutta. (Krishania ym. 2013: 5.) Suomessa on käytössä kolme erityyppistä biokaasulaitosta, jotka ovat maatilalaitokset, jätevedenpuhdistamoiden biokaasulaitokset ja yhteiskäsittelylaitokset. Maatilojen yh- teydessä toimivat biokaasulaitokset ovat yleensä pieniä yksiköitä, joissa käsitellään omalla tilalla tai lähialueen tiloilla syntyvää karjan lantaa ja peltobiomassaa. Lanta ja peltobiomassa kerätään esisäiliöön, jossa on sekoitin ja lämmitin. Peltobiomassa murs- kataan ennen syöttämistä esisäiliöön, mutta se voidaan myös hienontamisen jälkeen 34 syöttää suoraan reaktoriin. Esisäiliön tarkoituksena on tehdä mädätettävästä massasta tasalaatuista. (Latvala 2009: 19; 26.) Jätevedenpuhdistamoiden biokaasulaitoksissa käytettävä syöte on yhdyskuntajäte- vesilietettä. Liete johdetaan normaalista jätevedenkäsittelyprosessista sakeutusaltaaseen, jossa lietteen kuiva-ainepitoisuus nostetaan 2-8 %:in, ja lopulta biokaasureaktoriin. Syötteenä voidaan käyttää myös teollisuuden jätevesiä ja rasvakaivolietteitä. (Latvala 2009: 27.) Yhteiskäsittelylaitoksilla voidaan käsitellä useita erityyppisiä jätteitä ja sivutuotteita. Syöte kerätään varastosäiliöön, joka voi toimia myös sekoitussäiliönä. Ennen reaktoria syöte kerätään esisäiliöön. Yhteiskäsittelylaitoksilla on käytössä useita eri esikäsittely- menetelmiä, koska syötteenä käytettävä raaka-aine vaihtelee. Erilaisia esikäsittelymene- telmiä ovat murskaus, seulonta, sakeuttaminen, liettäminen ja hygienisointi. (Latvala 2009: 28.) Biometanointiprosessi voi olla yksi- tai kaksivaiheinen, märkä, kuiva tai puolikuiva, panos- tai jatkuvatoiminen. Kaasun tuotanto vaihtelee ajan mukaan ja kaasun tuotannon pitämiseksi vakiona täytyy useisiin tekijöihin kiinnittää huomiota. Biometanointi toimii normaalisti kiinto-ainepitoisuuden ollessa 6-10 %, jolloin puhutaan märkämädätyksestä. Kiintoainepitoisuuden ollessa suuri eli yli 20 % puhutaan kuivamädätyksestä. (Krisha- nia 2013: 5-6.) Latvalan (2009: 29) mukaan märkäprosessilla toimivan biokaasulaitok- sen syöteseoksen kuiva-ainepitoisuus vaihtelee noin välillä 5-15 % ja kuivaprosessin noin 20-50 %. Märkäprosessin kuiva-ainepitoisuus rajoitetaan lähinnä sekoittimien ja pumppujen toimintakyvyn vuoksi (Latvala 2009: 29). Käytettävä reaktorityyppi riippuu kiintoainepitoisuudesta. Esimerkiksi kiintoainepitoisuuden ollessa suuri soveltuu jatku- vatoiminen sekoittava reaktori parhaiten. (Krishania ym. 2013: 6.) Biokaasureaktorit voidaan jakaa kahteen perustyyppiin: täyssekoitusreaktoriin ja tulp- pavirtausreaktoriin. Yleisin Suomessa käytössä oleva biokaasulaitoksen toimintatapa kaikilla laitostyypeillä on täyssekoitteinen, yksivaiheinen, mesofiilinen, jatkuvatoiminen märkäprosessi, jolloin reaktorityypiksi soveltuu täyssekoitusreaktori. Täyssekoitusreak- 35 toriin lisätään syötettä jatkuvasti kerran tunnissa tai kerran vuorokaudessa. Käsittely- jäännöstä poistetaan tasaisesti. Joissakin tapauksissa käytetään jälkikaasuuntumissäiliö- tä, jossa käsittelyjäännöksen vielä sisältämä hajoava aines tuottaa jälkikaasuksi kutsut- tua biokaasua. (Latvala 2009: 30.) Tulppavirtausreaktori on putkimainen ja soveltuu kuiville materiaaleille. Tässä reaktori- tyypissä raaka-aine syötetään toisesta päästä ja käsitelty materiaali saadaan ulos toisesta ilman, että uusi ja vanha syöte pääsevät kosketuksiin toistensa kanssa. Biometanointi tapahtuu tässä reaktorityypissä vaiheittain siten, että hydrolyysi, happo- ja metaanikäy- minen tapahtuvat eri reaktoreissa. Olosuhteet voidaan näin säätää eri vaiheille sopiviksi. (Latvala 2009: 31.) Kuivaprosessin ero märkäprosessiin on lähinnä suurempi kuiva-ainepitoisuus. Kuiva- ainepitoisuuden ollessa suuri ei syötettä ja käsittelyjäännöstä voida siirtää pumpuilla, vaan ne siirretään esimerkiksi hydraulisesti tai ruuveilla. Kuivaprosessit jaetaan jatkuva- toimisiin ja panostoimisiin yksiköihin. Suomessa kuivaprosessi on vähän käytetty. Esi- merkkinä jatkuvatoimisesta mädättämöstä on jatkuvatoiminen tulppavirtausprosessi, jossa reaktori on vaakatasoon rakennettu putki, jonka sisällä käsiteltävää syötettä siirre- tään ruuvilla. Ruuvi sekoittaa massaa, ja muodostuva biokaasu saadaan kerättyä reakto- rin yläosasta. (Latvala 2009: 32.) Kuivaprosessi voi olla myös panostoiminen, jossa syötteet viedään kahdesta lämmitettävästä moduulista koostuvaan reaktoritilaan. Bio- kaasu imetään pois moduulista. Osa käsitellystä syötteestä poistetaan reaktorista, ja uut- ta syötettä sekoitetaan vanhan sekaan. Käsitellystä materiaalista erotellaan hajoamaton materiaali (metalli, muovi) pois, minkä jälkeen se voidaan jälkikompostoida tai käyttää lannoitevalmisteena. (Latvala 2009: 33.) 2.3.3. Ominaisuuksista Raaka biokaasu sisältää pääkomponentteina noin 55-65 % metaania (CH4) ja 30-40 % hiilidioksidia (CO2) (Appels ym. 2011: 4300). Biokaasu sisältää vähäisiä määriä useita eri yhdisteitä riippuen sen alkuperästä. Biometanoimalla tuotettu kaasu sisältää yleensä vähemmän haitallisia yhdisteitä kuin kaatopaikalla muodostunut kaasu. Kaasun sisältä- 36 mät yhdisteet riippuvat myös käytetystä syötteestä. Biokaasu saattaa sisältää jonkin ver- ran rikkivetyä ja ammoniakkia sekä hyvin vähäisiä määriä typpeä, halogeeniyhdisteitä, happea, vettä, hiukkasia ja piiyhdisteitä kuten siloksaaneja. (Persson, Jönsson & Wel- linger 2006: 5-8.) Tärkeimpiä syitä biokaasun puhdistamiselle ovat sen käyttö esimer- kiksi ajoneuvojen kaasumoottoreissa, lämpökattiloissa ja polttokennoissa tai syöttö maakaasuverkkoon, lämpöarvon nostaminen ja standardisointi. (Persson ym. 2006: 16.) Biokaasun sisältämä rikki aiheuttaa korroosiota esimerkiksi kompressoreissa, kaasun varastointitankeissa ja moottoreissa. Halogeeniyhdisteet hapettuvat palamisen yhteydes- sä muodostaen palamistuotteita, jotka aiheuttavat korroosiota pako- ja savukaasuputkis- toissa. Siloksaanit ovat haihtuvia piiyhdisteitä, jotka muuttuvat palamisen yhteydessä epäorgaanisiksi piipitoisiksi yhdisteiksi. Esimerkiksi moottoreissa nämä yhdisteet ke- rääntyvät venttiileihin ja sylinterin seinämiin ja aiheuttavat tukoksia ja eroosiota. Suuret ammoniakkipitoisuudet aiheuttavat palamisessa typen oksidien (NOx) määrän nousun palamiskaasuissa. (Persson ym. 2006: 7-8.) Hiilidioksidin poistamisella saadaan nostettua biokaasun lämpöarvoa, Wobbe-indeksiä ja koostumusta samankaltaiseksi kuin maakaasulla (NG, natural gas). Kun biokaasun Wobbe-indeksi on sama kuin maakaasulla, sitä voidaan syöttää maakaasuverkkoon. Wobbe-indeksi kuvaa kaasun sisältämää energiaa yksikössä MJ/m 3 (0 °C, 101,3 kPa), ja se voidaan laskea kaavasta 1. Koska Wobbe-indeksi lasketaan lämpöarvon avulla, on olemassa ylempi ja alempi Wobbe-indeksi samoin kuin ylempi ja alempi lämpöarvo (HHV, higher heating value; LHV, lower heating value). Taulukossa 6 on esitetty esi- merkkinä Ruotsissa käytössä olevan standardin mukaiset vaatimukset, jotka puhdistetun biokaasun tulee täyttää. Taulukossa 7 on esitetty muun muassa biokaasun, kaatopaikka- kaasun ja kahden eri alkuperää olevan maakaasun ominaisuuksia. (Persson ym. 2006: 16.) √ ( ) (1) 37 Taulukko 6. Ruotsin biokaasustandardissa puhdistetulta biokaasulta vaaditut ominai- suudet, muokattu (Persson ym. 2006: 9) mukaan. Ominaisuus Yksikkö Lukuarvot Alempi Wobbe-indeksi c MJ/m3 43,9-47,3 a Oktaaniluku > 130 Veden kastepiste °C < t b -5 CO2+O2+N2 vol-% < 5 O2 vol-% < 1 Kokonaisrikki c mg/m3 < 23 NH3 c mg/m3 20 a Vastaa metaanipitoisuutta 95-99 % b Ympäristön lämpötila c Normaaliolosuhteet (0 °C, 101,3 kPa) Taulukko 7. Eri kaasujen ominaisuuksia, muokattu (Persson ym. 2006: 6). Parametri Yksikkö Kaatopaikka- kaasu Biokaasu Maakaasu (Pohjanmeri) Maakaasu (Hollanti) LHV MJ/kg 12,3 20,2 47 38 Tiheys a kg/m3 1,3 1,2 0,84 0,8 Ylempi Wobbe-indeksi a MJ/m3 18 27 55 43,7 Metaaniluku >130 >135 70 - Metaani vol-% 45 63 87 81 vol-% 35-65 53-70 - - Hiilivedyt vol-% 0 0 12 3,5 Vety vol-% 0-3 0 0 - Hiilidioksidi vol-% 40 47 1,2 1 vol-% 15-50 30-47 Typpi vol-% 15 0,2 0,3 14 vol-% 5-40 - - - Happi vol-% 1 0 0 0 vol-% 0-5 - - - Rikkivety ppm <100 <1000 1,5 - ppm 0-100 0-1000 1-2 - Ammoniakki ppm 5 <100 0 - Klooriyhdisteet a mg/m3 20-200 0-5 0 - a Normaaliolosuhteet (0 °C, 101,3 kPa) 38 2.3.4. Käyttö Biokaasu sisältää paljon energiaa ja sitä hyödynnetään pääsääntöisesti energiantuotan- nossa. Biokaasua käytetään monipuolisesti lämmön, höyryn ja sähkön tuottamiseen sekä liikennepolttoaineena. Biokaasun hyödyntämismahdollisuuksiin vaikuttaa merkittävästi se, missä sitä tuotetaan ja kuinka sitä voidaan käyttää tuotantoyksikön läheisyydessä. Hyödyntämisvaihtoehtoja ovat lämmöntuotanto, yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto CHP-laitoksessa, mekaaninen energia ja liikennekäyttö. (Latvala 2009: 44.) Biokaasu voidaan käyttää CHP-laitoksissa, jotka toimivat kaasumoottorilla tai kaksoispolttoaine- eli DF-moottorilla (DF, dual fuel). Biokaasua voidaan käyttää myös mikrokaasuturbii- neissa ja polttokennoissa. (Weiland 2010: 857.) Metaani on voimakas kasvihuonekaasu, jonka ympäristövaikutuksia voidaan vähentää polttamalla se soihdussa, mikäli sitä ei muuten voida hyödyntää. (Latvala 2009: 48.) Yhdistetty sähkön ja lämmöntuotanto on yleinen biokaasun hyödyntämistapa, koska lai- tosten läheisyydessä usein sijaitsee sähköä ja lämpöä tarvitsevia toimintoja. Pelkän lämmön tuottaminen on kannattavaa vain, jos lähistöllä on ympäri vuoden paljon läm- pöä tarvitsevia kohteita. Biokaasulla tuotettu lämpö käytetäänkin bioreaktorin lämmön ylläpitämiseen. Tuotettavasta biokaasusta 10-40 % kuluu laitoksen oman energiantar- peen tuottamiseen. (Latvala 2009: 46.) Liikennepolttoaineena käytettäessä biokaasu täytyy puhdistaa vastaamaan laadultaan maakaasua. Liikennebiokaasu on paineistettu noin 200-250 bariin. (Persson ym. 2006: 14.) Paineistetusta biokaasusta käytetään nimitystä CBG (compressed biogas). Biokaasua voidaan käyttää polttoaineena kaasumoottorissa, joka voi olla puristussytyt- teinen kaksoispolttoainemoottori (DF) tai kipinäsytytteinen kaasumoottori (SG, spark ignited gas engine) (Raiko ym. 2002: 605). Nesteytetystä biokaasusta käytetään nimeä LBG (liquefied biogas). LBG:tä voidaan käyttää maakaasun (LNG, liquefied natural gas) tavoin esimerkiksi laivojen polttoai- neena. (Motiva 2013.) 39 Puhdistettu biokaasu voidaan liikennepolttoaineena käyttämisen lisäksi syöttää myös maakaasuverkkoon. EU-mailla on erilaiset säädökset kaasun syöttämiselle kaasuverk- koon. Esimerkiksi Saksa, Ruotsi ja Sveitsi ovat määrittäneet biokaasulle laatustandar- din, jotta se voidaan syöttää maakaasuverkkoon. Biokaasusta täytyy puhdistaa epäpuh- taudet, ja metaanipitoisuuden täytyy olla yli 95 %, jotta sitä voidaan käyttää erilaisissa kaasusovelluksissa. Ruotsissa ja Sveitsissä metaania hyödynnetään paljon muun muassa kuljetussektorilla. (Weiland 2010: 857.) Biokaasun tuotannossa syntyy sivutuotteena käsittelyjäännöstä, joka soveltuu hyvin lannoitteeksi. Mädätyksen seurauksena orgaanisesti sitoutuneet ravintoaineet kuten typ- pi mineralisoituvat sekä hiilen ja typen suhde alenee. Nämä lisäävät typen lyhytaikaista lannoitevaikutusta. Mädätys vähentää jopa 80 % hajuista sekä tuhoaa rikkaruohojen siemeniä, bakteereja, viruksia, sieniä ja loisia, minkä vuoksi sillä on suuri merkitys, kun käsittelyjäännös käytetään lannoitteena. (Weiland 2010: 857.) 2.3.5. Sivutuotteet Biokaasulaitoksessa muodostuu sivutuotteena käsittelyjäännöstä. Käsittelyjäännöksestä käytetään usein myös nimitystä multa. Käsittelyjäännös on mädätyksestä jäljelle jäävä osa. Se voidaan hyödyntää lannoitteena tai maanparannusaineena. Ennen käsittelyjään- nöksen hyötykäyttöä se täytyy käsitellä hygienisoimalla tai steriloimalla riippuen käyte- tystä raaka-aineesta. (Latvala 2009: 38.) Mädätysjäännös voidaan lannoitteena ja maanparannusaineena hyödyntämisen lisäksi mädättää uudelleen, käyttää energiantuotannossa tai teollisuuden tuotteissa. Mädätys- jäännös on ravinteista rikas biolannoite, jolla voidaan korvata mineraalilannoitteita. Mädätysjäännöstä voidaan käyttää myös kuivikkeena navetoissa, kuitulevyjen ja kom- posiittimateriaalien valmistuksessa. Mahdollisia hyödyntämismahdollisuuksia on useita. (Al Seadi, Drosg, Fuchs, Rutz, Janssen 2013: 292-296.) 40 3. YHDISTETTY SÄHKÖN JA LÄMMÖN TUOTANTO Sähköä ja lämpöä voidaan tuottaa yhdistetysti CHP-laitoksessa (CHP, combined heat and power). Lämmön ja sähkön tuottamiseen voidaan käyttää eri teknologioita kuten kaasu-, höyry- ja mikroturbiinia, mäntäpolttomoottoria, polttokennoa tai stirling- moottoria. CHP-laitokset voivat olla suuren, pienen tai mikrokokoluokan laitoksia. (Knowles 2011: 6-11.) Suuren kokoluokan CHP-laitokset ovat teholtaan yli 2 MW ja jopa 1 GW suuruisia. Nii- tä käytetään esimerkiksi teollisuudessa, jossa kaasuturbiinia pyörittävän savukaasun lämpö voidaan hyödyntää prosessissa, tai jossa muodostuu paljon höyryä pyörittämään turbiinia. Suuret CHP-laitokset ovat useimmiten kaasu- tai höyryturbiineja tai mäntä- moottoreita. Mäntäpolttomoottorit ovat usein kaasumoottoreita ja niitä käytetään läm- mön ja sähkön tuoton suhteen (heat-to-power-ratio) ollessa alhainen. (Know- les 2011: 7.) Pienen kokoluokan CHP-laitosten teho vaihtelee tavallisesti 100 kW ja 2 MW välillä. Pienissä laitoksissa käytetään samaa teknologiaa kuten suurissakin. Mäntäpolttomootto- rit ovat kuitenkin tavallisimmin käytetty niiden suhteellisen alhaisen hinnan ja tehok- kuuden vuoksi. (Knowles 2011: 8-9.) Myös polttokennoja voidaan käyttää pienissä CHP-laitoksissa. Polttokennot käyttävät polttoaineena vetyä. Puhdasta vetyä ei ole edul- lisesti saatavilla, joten polttoaineena käytetään maakaasua tai vastaavaa hiilivetyä, josta vety erotetaan termokemiallisella prosessilla. Tässä muodostuva lämpö mahdollistaa polttokennon käytön CHP-laitoksessa. (Knowles 2011: 8-9.) Mikrokokoluokan CHP-laitokset soveltuvat sähkön ja lämmön tuottamiseen pienissä rakennuksissa tai omakotitaloissa tai useamman kiinteistön energian yhteistuotantoon. Mikro-CHP-laitokset voivat olla mäntäpolttomoottoreiden lisäksi stirling-moottoreita ja polttokennoja. Mäntämoottoreita, jotka vastaavat teholtaan henkilöauton moottoria, voidaan käyttää energian tuottamiseen pienissä rakennuksissa niin yksityisellä kuin jul- kisellakin sektorilla. Tätä pienemmät laitokset, jotka ovat teholtaan noin 5 kW, soveltu- vat käytettäväksi omakotitalojen energian tuottamiseen. Mikro-CHP-laitokset voivat 41 käyttää polttoaineena esimerkiksi maakaasua ja kaasumaisia tai nestemäisiä biopolttoai- neita. Mikrokokoluokan laitokset ovat teholtaan pienempiä kuin pienen kokoluokan lai- tokset. (Knowles 2011: 10-11.) Mäntäpolttomoottorissa (reciprocating internal combustion engine) palaminen tapahtuu sylinterin sisällä. Sylinteriin ruiskutettu kaasumainen tai höyrystynyt polttoaine aiheut- taa palaessaan mäntään kohdistuvan paineen. Paineen vaikutuksesta liikkuva mäntä tuottaa mekaanista työtä. Polttomoottori voi olla kipinä- tai puristussytytteinen. Ki- pinäsytytteinen moottori on yleensä bensiinikäyttöinen ja puristussytytteinen dieselkäyt- töinen. (Raiko ym. 2002: 585.) Kaasumoottori voi olla sekä kipinä- että puristussytytteinen. Kipinäsytytteisessä kaasu- moottorissa kaasun ja ilman seos sytytetään sytytystulpalla ja moottorista käytetään usein nimitystä SI-moottori (spark ignited gas engine) tai SG-moottori. Pusristussytyt- teisessä moottorissa kaasun ja ilman seos sytytetään ruiskuttamalla puristustahdin lo- pussa pieni määrä nestemäistä sytytyspolttoainetta, joka syttyessään sytyttää kaasun ja ilman seoksen. Puristussytytteisestä kaasumoottorista käytetään nimeä dieselkaasumoot- tori (GD, gas diesel) ja kaksoispolttoainemoottori (DF, dual fuel). (Rai- ko ym. 2002: 605.) Kaksoispolttoainemoottorit käyttävät tavallisesti hyvin vähän nestemäistä polttoainetta. Monet moottorit käyttävät esimerkiksi täydellä teholla ajettaessa vain noin yhden pro- sentin sytytyspolttoainetta. (Raiko ym. 2002: 605.) Monet kaksoispolttoainemoottorit voivat toimia myös ilman kaasua. Moottorista voidaan saada täysi teho myös nestemäi- sellä polttoaineella. Usein sytytyspolttoainelaitteisto mitoitetaan siten, että pelkällä polt- tonesteellä voidaan päästä vain noin 30 % tehoon. On myös kaksoispolttoainemoottorei- ta, joita voidaan ajaa sekä kaasulla että nestemäisellä polttoaineella ja saavuttaa täysi teho. (Raiko ym. 2002: 609.) Kaksoispolttoainemoottoreissa polttoaine voidaan vaihtaa kaasusta dieseliin ja toisinpäin jopa kesken ajon (Henham & Makkar 1998: 2002). Raiko ym. (2002: 604) käyttää kaasumoottorista, jonka sähköntuotannossa muodostu- vaa hukkalämpöä voidaan käyttää esimerkiksi asuintalojen lämmitykseen, nimitystä ko- 42 konaisenergialaitos. Koska moottorilla tuotetaan tällöin sekä sähköä että lämpöä, on ky- seessä CHP-laitos. Kaasumoottoreita (SG, DF, GD) käytetään voimalaitoksissa energian tuottamiseen. Kaksoispolttoainemoottorilla toimivasta voimalaitoksesta käytetään myös nimitystä monipolttoainevoimalaitos (multi-fuel power plant) silloin, kun se voi toimia sekä kaa- sulla että nestemäisellä polttoaineella. SG-moottori toimii kaasulla. DF-moottori toimii kaasulla, joka sytytetään sytytyspolttonesteellä. DF-moottorissa voidaan käyttää myös dieselpolttoainetta. GD-moottoria puolestaan voidaan ajaa sekä kaasulla että dieselpolt- toaineella. Monipolttoainevoimalaitoksia voidaan käyttää niin hajautetussa kuin keskite- tyssäkin energiantuotannossa. (Wärtsilä 2013a.) Polttomoottorit, joita voidaan ajaa sekä kaasulla että nestemäisellä polttoaineella soveltuvat käytettäväksi yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa (Wärtsilä 2013b). Knowlesin (2011: 6) mukaan mäntäpolttomoottoreiden sähkön tuoton hyötysuhde vaih- telee välillä 25-40 %. Lämmön hyödyntäminen nostaa kokonaishyötysuhteen jopa 95 %:iin. Nykyaikaiset moottorit ovat kuitenkin niin tehokkaita, että niillä saavutetaan korkeampia sähköhyötysuhteita, kuin Knowles (2011:6) ilmoittaa. Dual fuel - moottoreita käytetään pienen mittakaavan sovelluksissa niiden hyvän sähköhyötysuh- teen vuoksi, joka Perssonin (2006:13) mukaan voi olla 43 %. Toisaalta mäntäpoltto- moottorilla voidaan päästä sähköntuotannossa jopa 49 %:iin, jolloin CHP-sovelluksissa kokonaishyötysuhde voi olla 90 % (Wärtsilä 2013b.) Heedman ja Kaarsbergin (2001: 274) mukaan sähköhyötysuhde vaihtelee dieselmoottoreilla välillä 30-50 % ja (maa)kaasumoottorilla välillä 25-45 %. Dual fuel -moottorille Department of Energy and Climate Chance (2014) ilmoittaa hyötysuhteeksi 35-45 %. Moottoria voidaan ajaa sekä kaasulla että öljyllä ilman hyötysuhteen huonontumista. 43 4. YHTEISTUOTANTOMALLI Luvussa 4.1. esitellään lyhyesti laskennassa käytettävät biodieselin, bioetanolin ja bio- kaasun tuotantolaitokset sekä niiden tuotantotiedot, joita on käytetty laskennan pohjana. Luvussa 4.2. esitellään laskentaosio, jossa tunnetut materiaalivirrat optimoidaan siten, että kustakin tuotantoyksiköstä saadaan puhtaita biopolttoaineita ja kaikki materiaalivir- rat pystytään hyödyntämään. Luvussa 4.3. esitellään laskennan tulokset. Kuvassa 5 on esitetty biodieselin, bioetanolin ja biokaasun tuotannossa muodostuvat materiaalivirrat. Kuva 5. Biodieselin, bioetanolin ja biokaasun tuotannossa syntyvät materiaalivirrat. 4.1. Biopolttoaineiden tuotantolaitosten esittely Kun materiaalivirrat jokaisesta tuotantoyksiköstä tunnetaan, ne voidaan optimoida. Eläinperäisen biodieselin ja biokaasun tuotantoyksiköiden materiaalivirrat perustuvat Pohjanmaalla sijaitsevilta tuotantolaitoksilta saatuihin tietoihin. Bioetanolin tuotantoyk- sikön tiedot perustuvat käytöstä poistetulle bioetanolilaitokselle ilmoitettuun tuotanto- määrään. 44 4.1.1. Biodieselin tuotantolaitos Biodieselin tuotantolaitos valmistaa biodieseliä eläinrasvasta, joka on periaatteessa jä- tettä. Eläinrasvaa muodostuu vuodessa noin 3500 t, josta osa käytetään rehun valmis- tukseen. Sisältämiensä vapaiden rasvahappojen vuoksi eläinrasva esteröidään käyttäen katalyyttinä rikkihappoa. Tämän jälkeen loput triglyseridit transesteröidään kahdessa vaiheessa käyttäen katalyyttinä emästä (NaOH, KOH). Lopuksi tuotettu raaka biodiesel puhdistetaan neutraloimalla ja separoimalla. Tuotantolaitoksessa valmistettua biodiese- liä voidaan käyttää dieselmoottoreissa ja kiinteistöjen lämmityspolttoaineena eli bio- polttoöljynä. Sitä voidaan sekoittaa myös fossiiliseen dieseliin eri suhteissa. Tuotantolaitos toimii panosperiaatteella: vuorokaudessa pystytään tuottamaan yksi pa- nos, jolloin vuorokauden tuotantokapasiteetti on noin 8000 l eli 7000 kg biodieseliä ja 1000 kg glyserolia. Yhden panoksen tuottamiseen tarvittavat raaka-aineet sekä niiden määrät on esitetty taulukossa 8. Laitoksen teoreettinen tuotantokapasiteetti vuodessa on 2500000 l (2500 m 3 ) biodieseliä, jolloin sivuotteena muodostuu 330000 kg (260 m 3 ) glyserolia. Taulukko 8. Yhden panoksen tuottamiseen tarvittavat ainemäärät. Raaka-aine Määrä (kg) Eläinrasva 7300 Metanoli 1150 Kaliummetylaatti (katalyytti) 155 Pesuaine 30 Antioksidantti 70 Deaktivointiaine 30 Rikkihappo 60 Tuotantolaitoksen arvioidaan olevan toiminnassa noin 310 vuorokautta vuodessa (tvrk). Tätä lukuarvoa on käytetty vuodessa tuotetun biodieselin raaka-ainemäärän laskemi- seen. Yhden panoksen tuottamiseen tarvittavan eläinperäisen rasvan määrä on 7300 kg (meläinrasva/vrk). Eläinrasvan tiheyden oletetaan olevan sama kuin vastaavan biodieselin eli 45 872 kg/m 3 (ρeläinrasva). Vuodessa käytettävän eläinrasvan määrä on noin 2600 m 3 (Veläin- rasva) ja se lasketaan kaavan 2 osoittamalla tavalla. ( ) (2) Taulukossa 9 on esitetty materiaalivirrat, kun a) tuotetaan yksi panos (vrk), b) raaka- ainetta on 1000 kg, c) lopputuotetta halutaan saada 1000 kg. Taulukko 9. Materiaalivirrat eri biodieselin tuotantomäärille. Laatu Tuotanto (vrk) Raaka-ainetta 1 t Lopputuotetta 1 t Eläinrasva 7300 kg 1000 kg 1043 kg Eläinperäinen biodiesel 7000 kg 959 kg 1000 kg Glyseroli 1008 kg 138 kg 144 kg 4.1.2. Bioetanolin tuotantolaitos Bioetanolilaitoksen osalta materiaalivirtojen laskenta ei perustu todelliseen olemassa olevan tuotantolaitosten tietoihin. Laskennassa on käytetty erään käytöstä poistetun lai- toksen bioetanolin tuotantomäärää, joka oli 850 m 3 bioetanolia vuodessa. Tässä diplo- mityössä oletetaan, että käytettävä raaka-aine on perunajäte. Taulukon 3 mukaan yhden etanolikuution tuottamiseksi tarvitaan perunaa 8500 kg (mperuna). Tällöin yhtälön 3 mu- kaisesti, kun halutaan tuottaa etanolia 850 m 3 (Vetanoli), tarvitaan perunaa raaka-aineeksi 7225000 kg (mtot,peruna). (3) 46 Luvussa 4.2. esitettävä laskenta suoritettiin tilavuusyksikössä (m 3 ), joten saatu raaka- aineena käytettävän perunan massa muutettiin tilavuusyksikköön (m 3 ). Tätä varten mää- ritettiin perunan tiheys. Tiheyden määrittämiseksi hankittiin tavallista suomalaista ruo- kaperunaa. Perunoiden massat määritettiin kolmelle eri perunamäärälle. Massat olivat m1=116,4843 g, m2=113,7220 g ja m3=76,3020 g. Mittalasiin mitattiin tislattua vettä tilavuuden Valku=250 ml verran. Perunat upotettiin mittalasiin ja muuttunut tilavuus määritettiin jokaisen eri massan m1, m2 ja m3 kohdalla erikseen. Vesi mittalasissa vaih- dettiin jokaista määritystä varten. Tilavuudet kirjattiin ja ne olivat V1=310 ml, V2=310 ml ja V3=320 ml. Näiden perusteella määritettiin perunamäärille kolme tihey- den arvoa ρ1, ρ2 ja ρ3 kaavan 4 osoittamalla tavalla. Näistä laskettiin kaavan 5 mukaises- ti keskiarvo ρperuna, jonka arvoksi saatiin 1060 kg/m 3 . Kaavan 6 mukaan 850 m 3 tuotta- miseksi etanolia tarvitaan raaka-aineeksi perunaa 6800 m 3 . (4) ( ) (5) (6) Bioetanolin valmistamisessa muodostuvaa sivutuotetta eli rankkia muodostuu 20- kertaisesti muodostuvaan bioetanoliin nähden. Kun biokaasulaitoksen koko on 850 m 3 , muodostuu rankkia 17000 m 3 . 47 4.1.3. Biokaasun tuotantolaitos Biokaasun tuotantolaitos on tyypiltään yhteistuotantolaitos. Laitoksessa käsitellään kunnalliselta jätevedenpuhdistamolta tulevaa lietettä, kotitalouksien erilliskerättyä bio- jätettä, mallaslietettä ja viljan lajittelujätettä. Biokaasulaitoksella vuonna 2012 käsitellyt syötteet ja niiden määrät sekä kapasiteetit on esitetty taulukossa 10. Ympäristölupa mahdollistaa 4000 m 3 käsittelyn vuodessa. Taulukko 10. Biokaasulaitoksen kapasiteetti ja vuonna 2012 käsiteltyjen syötteiden määrä. Syöte Kapasiteetti (m3) Määrä v.2012 (m3) Jätevesiliete 2000 1973 Biojäte 700 398,8 Mallasliete 700 548,3 Viljan lajittelujäte 300 7 Yhteensä 3700 2918,1 Vuonna 2012 tuotetun biokaasun määrä oli 175237,6 m 3 , joka vastaa 54,1 %:n osuutta kokonaiskapasiteetista. Laitoksen biokaasuntuotantokapasiteetti on 390 t eli 323900 m 3 vuodessa. Laitoksessa on lämpökattila, jossa osa tuotetusta biokaasusta poltetaan ja tuo- tettu lämpö käytetään laitoksen omassa prosessissa. Kattila toimii tarpeen vaatiessa myös kevyellä polttoöljyllä. Omaan toimintaan kuluu vuodessa 47200 m 3 eli 26,9 % tuotetusta biokaasusta, jolloin ylijäämä on 276700 m 3 vuodessa, mikäli laitos toimii täydellä kapasiteetilla. Ylijäämää ei tällä hetkellä kyetä hyödyntämään, joten se polte- taan soihdussa. Biokaasun tuotannon sivutuotteena syntyvä liete kuivataan ja jäljelle jäävä mädätysjäännös käytetään neutraloinnin jälkeen laitoksen läheisyydessä sijaitse- van kaatopaikan maisemointiin. Mädätysjäännöstä muodostui vuonna 2012 noin 729 m 3 . Kapasiteetin mukaan mädätysjäännöstä muodostuu 1354 m 3 . 48 4.2. Laskenta Materiaalivirrat ja CHP-laskelmat on laskettu ohjelmalla MATLAB R2013a. Kappa- leessa 4.2.1. on laskettu biodieselin, bioetanolin ja biokaasun tuotantolaitosten materiaa- livirrat. Kappaleessa 4.2.1. on laskettu CHP-laitoksen mitoitus erään esimerkkinä käyte- tyn kylän energiankulutukselle ja biodiesel- ja biokaasumäärät, joilla se voitaisiin to- teuttaa. 4.2.1. Materiaalivirrat Materiaalivirrat laskettiin käyttäen biodieselin ja -etanolin tuotantolaitosten kapasiteet- teja, jolloin glyserolin vaihteluvälinä käytettiin 0-260 m 3 ja rankin vaihteluväli- nä 0-17000 m 3 . Tällöin biokaasulaitoksen raaka-aineen määrä (rankki+glyseroli) vaihte- li välillä 0-17260 m 3 . Materiaalivirrat laskettiin myös siten, että biokaasulaitoksen raa- ka-ainekapasiteettia ei ylitetä. Tällöin glyserolin määrä vaihteli välillä 0-260 m 3 ja ran- kin määrä 3700-3440 m 3 . Glyserolin määrän noustessa rankin määrän täytyi vähetä, jot- ta biokaasulaitoksen kapasiteetti pysyi kokoajan vakiona (3700 m 3 ). Koska laskennassa käytetty bioetanolilaitos perustuu käytöstä poistetulle laitokselle ilmoitettuun tuotanto- määrään, toimii jälkimmäinen laskenta bioetanolilaitosta uudelleen mitoittavana lasken- tana. Materiaalivirtojen laskennassa on oletettu, että raaka-aineen, polttoaineen ja sivutuot- teen määrät muuttuvat suhteessa toisiinsa. Esimerkiksi glyserolin määrän kasvaessa kasvaa biodieselin ja käytettävän raaka-aineen määrät samassa suhteessa. Tässä lasken- nassa tarkasteltiin biodieselin ja etanolin kohdalla missä suhteessa tarvitaan raaka- ainetta ja missä suhteessa saadaan itse polttoainetta, kun sivutuotteen määrät vaihtelevat tietyllä välillä. Biodieselin osalta laskettiin kertoimet biodieselille ja eläinrasvalle eli missä suhteessa eläinrasvaa tarvitaan ja biodieseliä muodostuu sivutuotteena muodostuvaan glyseroliin nähden. Kertoimet biodieselille ja eläinrasvalle on määritetty kaavojen 8 ja 9 osoitta- malla tavalla. Kaavoissa Vbiodieselkapasiteetti on 2500 m 3 , Vglyserolikapasiteetti on 260 m 3 49 ja Veläinrasvakapasiteetti on 2600 m 3 . Kertoimien määrittämisessä on käytetty biodieselin tuo- tantolaitoksen kapasiteettia. (8) (9) Kertoimien perusteella määritettiin kaavojen 10 ja 11 mukaisesti eläinrasvan ja biodie- selin määrä, kun glyserolin määrä vaihteli tietyllä välillä. Kaavoissa Vglyseroli vaihteli alueella 0-260 m 3 . (10) (11) Bioetanolin kohdalla laskenta toteutettiin vastaavalla tavalla. Bioetanoli- ja perunaker- toimet laskettiin kaavojen 12 ja 13 osoittamalla tavalla. Kaavoissa Vbioetanolikapasiteetti on 850 m 3 , Vrankkikapasiteetti on 17000 m 3 ja Vperunakapasiteetti on 6800 m 3 . Kertoimien määrittä- misessä on käytetty käytöstä poistetulle bioetanolin tuotantolaitokselle ilmoitettua tuo- tantokapasiteettia sekä kyseiselle laitokselle laskettua raaka-aineena käytettävän peru- nan ja sivutuotteena muodostuvan rankin kapasiteettia. (12) 50 (13) Kertoimien perusteella määritettiin kaavojen 14 ja 15 mukaisesti perunan ja bioetanolin määrät, kun sivutuotteena muodostuvan rankin määrä vaihteli tietyllä välillä. Kaavoissa Vrankki vaihteli ensimmäisessä laskennassa alueella 0-17000 m 3 ja toisessa laskennassa 3700-3440 m 3 . (14) (15) Biokaasun kohdalla laskettiin biokaasu- ja multakertoimet vastaavalla tavalla kaavojen 16 ja 17 osoittamalla tavalla. Kaavoissa Vbiokaasukapasiteetti on 324000 m 3 , Vmädätettäväkapasi- teetti on 3700 m 3 ja Vmultakapasiteetti on 1354 m 3 . Kertoimien määrityksessä on käytetty bio- kaasulaitoksen kapasiteettia. Kaavoissa esiintyvä sana multa tarkoittaa mädätysjäännös- tä ja mädätettävä biokaasulaitoksen raaka-ainetta. (16) (17) Kertoimien perusteella määritettiin kaavojen 18 ja 19 mukaisesti biokaasun ja sivutuot- teena syntyvän mädätysjäännöksen (multa) määrät, kun biokaasulaitoksen raaka-aineen 51 määrä vaihteli tietyllä välillä. Kaavoissa 18 ja 19 Vmädätettävä vaihteli glyserolin ja rankin yhteenlasketun määrän mukaan alueella 0-(Vglyseroli+Vrankki) ja toisessa laskennassa Vmä- dätettävä pysyi vakiona (3700 m 3 ). (18) (19) 4.2.2. CHP-laitos Laskennassa mitoitettiin aluksi CHP-laitos tunnetun sähkönergian tarpeen mukaan, jon- ka jälkeen laskettiin biodieselistä ja biokaasusta saatava teho. Laskettujen tehojen perus- teella määritettiin biodiesel- ja biokaasumäärät, joilla CHP-laitoksen mitoitus voidaan toteuttaa. CHP-laitokseen liittyvässä laskennassa on käytetty esimerkkinä erään kylän vuotuista sähkönkulutusta. Laskenta toteutettiin kolmella eri sähkönkulutuksella. Käyte- tyt kulutukset olivat pelkästään asuintalojen sähkönkulutukselle 3500 MWh, asuintalo- jen ja kunnan yhteenlasketulle sähkönkulutukselle 4400 MWh sekä asuintalojen, kun- nan, teollisuuden, yritysten ja maatalouden yhteenlasketulle sähkön kulutukselle 28900 MWh. Sähkönkulutuksien perusteella määritettiin, minkä tehoisella CHP-laitoksella kylän säh- könkulutus voitaisiin kattaa. Laskennassa määritettiin CHP-laitoksen kokonaisteho, jol- la sähkönkulutus voidaan kattaa. Kokonaisteho tarkoittaa sähkön ja lämmön tuoton te- hoa yhteensä. Laskennassa on oletettu, että CHP-laitoksen kokonaishyötysuhde on 85 %. Kokonaishyötysuhteella tuotetusta tehosta käytettään jatkossa nimitystä teho ja sähköhyötysuhteella tuotetusta tehosta nimitystä sähköteho. Laskenta toteutettiin laskemalla kahdella eri sähköntuoton hyötysuhteella, jotka olivat 35 % ja 45 %. Kokonaishyötysuhdetta käytetään myöhemmin laskettaessa biopolttoai- 52 neista saatavaa tehoa. CHP-laitoksen teho on laskettu kaavojen 20 ja 21 avulla. Kaa- voissa η1=0,35, η2=0,45, E1=3500 MWh, E2=4400 MWh, E3=28900 MWh ja t=8760 h (1 vuosi). Laskenta on suoritettu tarkemmilla E1, E2 ja E3 arvoilla. (20) (21) CHP-laitos käyttää polttoaineena biodieseliä ja biokaasua. Kappaleessa 4.2.1. laskettiin biodieselin ja biokaasun materiaalivirtoja. Biodieselin ja biokaasun vuodessa tuotettujen määrien perusteella laskettiin polttoaineiden sisältämä energia tiheyksien ja lämpöarvo- jen avulla. Laskennassa energia laskettiin biodieselin määrille 0-2500 m 3 ja biokaasun määrille 0-324000 m 3 . Biopolttoaineiden sisältämät energiat on laskettu kaavoilla 22 ja 23. Kaavoissa mbiopolttoaine on biodieselin ja -kaasun massa. ρbiopolttoaine on tiheys, joka biodieselille on 872 kg/m 3 (taulukko 2, AFME) ja biokaasulle 1,2 kg/m 3 (taulukko 7). Vbiopolttoaine on biopolttoaineen tilavuus, joka on biodieselille 0-2500 m 3 ja biokaasulle 0-324000 m 3 . Ebiopolttoaine on biodieselille ja biokaasulle laskettu energia yksikössä MJ. HVbiopolttoaine on biopolttoaineen lämpöarvo, joka biodieselille on 37,3 MJ/kg (tauluk- ko 2, AFME) ja biokaasulle 20,2 MJ/kg (taulukko 7). (22) (23) 53 Biodieselistä ja biokaasusta saatava teho voitiin laskea, kun polttoaineiden sisältämä energia, aika ja CHP-laitoksen kokonaishyötysuhde tunnetaan. Lasketusta tehosta CHP- laitoksessa voidaan hyödyntää sen kokonaishyötysuhteen verran, jonka tässä oletetaan olevan 85 %. Lisäksi laskettiin myös teho pelkän sähkön tuottamiselle käyttäen sähkö- hyötysuhteita 35 % ja 45 %. Teho ja sähköteho on laskettu kaavojen 24 ja 25 osoitta- malla tavalla. Kaavoissa Pbiopolttoaine on biodieselistä ja biokaasusta saatava teho. Ebiopolt- toaine on edellä laskettu biodieselin ja biokaasun sisältämä energia. ηCHP on CHP- laitoksen kokonaishyötysuhde. Psähkö,biopolttoaine on biodieselistä ja biokaasusta saatava sähköteho ja ηsähkö,CHP on CHP-laitoksen hyötysuhde (35 % ja 45 %) sähkön tuottami- selle. ( ) (24) (25) Kun laskettiin CHP-laitokselta vaadittava teho esimerkkikylän energiankulutuksen kat- tamiseksi ja biodieselistä ja biokaasusta saatava teho, voitiin etsiä millaisilla biodiesel- ja biokaasumäärillä tuo energiankulutus voidaan kattaa ja millainen on biopolttoaineista saatava teho tuolloin. Materiaalivirtalaskennasta saatiin biodieselin ja biokaasun tila- vuudet välillä 0-2500 m 3 ja 0-324000 m 3 (Liitteet 1, 3 ja 7). CHP-laitokseen liittyvästä laskennasta saatiin biodieselistä ja biokaasusta saatavat tehot noilla tilavuuden vaihtelu- väleillä (Liite 7). Kun CHP-laitokselta vaadittava teho tiedettiin, voitiin liitteen 7 tau- lukkoja käyttäen hakea biodieselistä ja biokaasusta saatavat tehot ja tarvittavat biodiese- lin ja biokaasun tilavuudet, joilla CHP-laitokselta vaadittu teho voitiin kattaa. 54 5. TULOKSET Tässä luvussa esitellään kappaleessa 4.2. esitetyn laskennan tuloksia. Materiaalivirtalas- kennan tuloksena saatiin biodieselin, bioetanolin ja biokaasun tuotantolaitoksille opti- maaliset materiaalivirrat, joissa kaikki materiaalivirrat voidaan hyödyntää. CHP- laitoslaskennan tuloksena saatiin mitoitus kyläkokoluokan CHP-laitokselle sekä biodie- sel- ja biokaasumäärät, joilla se voidaan toteuttaa. Materiaalivirtalaskennan tulokset esi- tellään kappaleessa 5.1. ja CHP-laitoslaskennan tulokset kappaleessa 5.2.. 5.1. Optimaaliset materiaalivirrat Laskennan tarkoituksena oli tutkia millaisia ovat biodieselin, bioetanolin ja biokaasun tuotannon materiaalivirrat ja etsiä optimaalinen tilanne, jossa tuotetaan puhtaita biopolt- toaineita ja kaikki sivutuotteet kyetään hyödyntämään. Tuloksena saatiin biodieselin ja bioetanolin tuotantolaitosten materiaalivirrat, kun polttoaineita tuotetaan kyseisten lai- tosten kapasiteettien mukaan (yhteistuotantomalli1). Laskentaan liittyvät tulokset on esitetty kappaleessa 5.1.1.. Näin saatiin selville minkä kokoluokan biokaasulaitos tarvi- taan käsittelemään biodieselin ja bioetanolin tuotantolaitoksen sivuvirrat. Tuloksena saatiin myös materiaalivirrat, kun biodieselin ja biokaasun tuotantolaitokset toimivat nykyisten kapasiteettiensa mukaan (yhteistuotantomalli 2). Tällöin saatiin mi- toitettua uudelleen käytöstä poistettu bioetanolilaitos. Tähän laskentaan liittyvät tulokset on esitetty kappaleessa 5.1.2.. 5.1.1. Biodiesel- ja bioetanolilaitokset toimivat kapasiteettiensa mukaan Eläinrasvaa raaka-aineena käyttävältä tuotantolaitokselta saadaan polttoaineena biodie- seliä ja sivutuotteena glyserolia. Kuvassa 6 on esitetty biodieselin ja glyserolin saanto raaka-aineen funktiona. Kuvassa katkoviivalla esitetty biodieselin määrä luetaan va- semmanpuoleisesta y-akselista ja yhtenäisellä viivalla piirretyn glyserolin määrä oike- anpuoleisesta y-akselista. Biodieselin tuotantolaitoksen toimiessa kapasiteettinsa mu- 55 kaan biodieseliä saadaan 2500 m 3 ja glyserolia 260 m 3 . Liitteessä 1 on esitetty tarkem- mat arvot biodieselin tuotantolaitoksen materiaalivirroista, joiden mukaan kuva 6 on piirretty. Kuva 6. Biodieselin ja glyserolin tuotanto eläinrasvan funktiona. Perunaa raaka-aineena käyttävästä laitoksesta saadaan bioetanolin lisäksi sivutuotteena rankkia. Kuvassa 7 on esitetty bioetanolin ja rankin saanto raaka-aineen funktiona. Kat- koviivalla esitetyn bioetanolin määrä on luettavissa vasemmanpuoleisesta y-akselista ja yhtenäisellä viivalla esitetyn rankin määrä oikeanpuoleisesta y-akselista. Kuvasta näh- dään 850 m 3 bioetanolia tuottavan laitoksen materiaalivirrat. Tarkemmat arvot, joiden perusteella kuvaaja on piirretty, ovat liitteessä 2. 56 Kuva 7. Bioetanolin ja rankin tuotanto raaka-aineena käytettävän perunan funktiona. Biokaasulaitos käyttää raaka-aineena biodieselin ja bioetanolin tuotantolaitosten sivu- tuotteina muodostuvia glyserolia ja rankkia, joiden saanto on esitetty edellä kuvissa 6 ja 7. Päätuotteena saadaan biokaasua ja sivutuotteena mädätysjäännöstä. Kuvassa 8 on esi- tetty biokaasun ja mädätysjäännöksen saanto biokaasulaitoksen raaka-aineen (glysero- li+rankki) funktiona. Raaka-aineen määrä koostuu edellä esitettyjen kuvien 6 ja 7 glyse- rolin ja rankin saannoista. Kuvassa katkoviivalla esitetyn biokaasun määrä luetaan va- semmanpuoleisesta y-akselista ja yhtenäisellä viivalla esitetty mädätysjäännös luetaan oikeanpuoleisesta y-akselista. Vasemmasta y-akselista luettavat biokaasumäärät ovat muodossa akselilta luettava arvo kerrottuna 10 6 :lla. Tässä biokaasulaitoksen raaka-aine muodostuu biodieselin ja bioetanolin tuotantolaitosten kapasiteettien mukaan, jolloin todellisen biokaasulaitoksen kapasiteetti ylitetään. Biokaasulaitoksen kapasiteetin tulisi olla yli 17260 m 3 , jotta kaikki muodostuva glyseroli ja rankki kyettäisiin hyödyntämään biokaasun tuotannossa. Tällöin biokaasua muodostuu yli 1,5*10 6 m 3 ja mädätysjäännös- tä yli 6000 m 3 . Tarkemmat arvot, joiden perusteella kuvaaja on piirretty löytyvät liit- teestä 3. 57 Kuva 8. Biokaasun ja mädätysjäännöksen tuotanto raaka-aineen (glyseroli+rankki) tilavuuden funktiona. Biodieselin, bioetanolin ja biokaasun optimaalisessa tuotannossa kaikki materiaalivirrat voidaan hyödyntää. Tämän tilanteen saavuttamiseksi täytyy biodieselin ja bioetanolin tuotannossa muodostuvat sivutuotteet, glyseroli ja rankki hyödyntää biokaasun tuotan- nossa. Biokaasun tuotannon sivutuotteena muodostuva mädätysjäännös hyödynnetään lopulta maanparannusaineena. Kuvassa 9 on esitetty glyserolin ja rankin määrä biokaa- sulaitoksen raaka-aineen funktiona. Katkoviivalla esitetty glyserolin määrä luetaan va- semmasta y-akselista ja yhtenäisellä viivalla esitetty rankin määrä luetaan oikeasta y- akselista. X-akselilla on esitetty biokaasulaitoksen raaka-aineen määrä välillä 0-17260 m 3 , joka on kuvassa näkyvien glyserolin 0-260 m 3 ja rankin 0-17000 m 3 sum- ma. Esimerkiksi, kun x-akselilta luetaan biokaasulaitoksen raaka-aineen määräksi 17260 m 3 , niin glyserolin määrä vasemmasta y-akselista luettuna on 260 m 3 ja rankin määrä oikeasta y-akselista luettuna on 17000 m 3 . 58 Kuva 9. Glyserolin ja rankin osuudet biokaasulaitoksen raaka-aineessa. 5.1.2. Biodiesel- ja biokaasulaitokset toimivat kapasiteettiensa mukaan Laskennassa materiaalivirrat määritettiin myös niin, että biokaasulaitoksen todellista kapasiteettia ei ylitetä, jolloin tuloksena saatiin mitoitus bioetanolilaitokselle biodieselin tuotantolaitoksen toimiessa nykyisellä kapasiteetilla. Laskenta voitiin perustella sillä, että tarkasteltavista laitoksista bioetanolin tuotantolaitos ei ollut todellinen. Kuvassa 10 on esitetty biodieselin tuotantolaitoksen materiaalivirrat, josta nähdään biodieselin ja glyserolin saanto eri eläinrasvamäärillä. Laitoksen toimiessa kapasiteettinsa mukaan biodieseliä saadaan 2500 m 3 ja glyserolia 260 m 3 . Eläinrasvan määrä tällöin on 2600 m 3 . Tämän toisen laskennan materiaalivirtojen tarkemmat arvot on esitetty biodie- selin, bioetanolin ja biokaasun tuotantolaitosten osalta liitteissä 4-6. 59 Kuva 10. Biodieselin ja glyserolin määrä eläinrasvan funktiona. Kuvassa 11 on esitetty bioetanolin tuotantolaitoksen materiaalivirrat, kun biokaasulai- toksen kapasiteettia ei ylitetä. X-akselilta luetaan raaka-aineena käytettävän perunan määrä ja y-akselilta perunan funktiona muodostuvat bioetanolin ja rankin määrät. Bio- kaasulaitoksen toimiessa nykyisen kapasiteettinsa mukaan se pystyy käsittelemään raa- ka-ainetta 3700 m 3 . Tällöin rankin määrä saa vaihdella välillä 3440-3700 m 3 , kun kuvan 10 mukaan glyserolin määrä vaihtelee välillä 0-260 m 3 . Raaka-ainetta eli perunaa tarvi- taan tällöin 1376-1480 m 3 , josta saadaan bioetanolia 172-185 m 3 . Liitteessä 5 on nähtä- villä tarkemmat arvot. 60 Kuva 11. Bioetanolin ja rankin määrä raaka-aineena käytettävän perunan funktiona. Kuvassa 12 on esitetty rankin määrä glyserolin määrän funktiona, kun biokaasulaitok- sen raaka-aineen määrä pysyy vakiona. Kuvasta nähdään, kun rankin saanto vähe- nee (3700-3440 m 3 ), niin glyserolin saannon (0-260 m 3 ) on puolestaan kasvettava. Mi- käli biodieselin tuotantolaitokselta saatavan glyserolin saanto on nolla, niin rankin saan- non on tällöin oltava 3700 m 3 . Vastaavasti, kun glyserolin saanto on 260 m 3 , niin rankin saannon on oltava 3440 m 3 . Tällöin biokaasulaitoksen raaka-aineen määrä on vakio ja tuotantolaitos toimii kapasiteettinsa mukaan, kuten liitteestä 6 nähdään. 61 Kuva 12. Rankin määrä glyserolin määrän funktiona. 5.2. CHP-laitoksen mitoitus sähköntuotantoon Laskennan tuloksena saatiin mitoitus esimerkkikylän sähkönkulutuksen kattavalle CHP- laitokselle. Ensimmäisessä laskennassa mitoitettiin CHP-laitos kattamaan pelkästään asuintalojen sähkönkulutus (3500 MWh). Kun sähköhyötysuhde oli 35 %, CHP- laitoksen kokonaistehon täytyisi olla vähintään 1,16 MW. Sähköhyötysuhteella 45 % CHP-laitoksen tehon tulisi olla vähintään 0,90 MW. Toisessa laskennassa CHP-laitoksen kokonaisteho laskettiin asuintalojen ja kunnan kiinteistöjen sähkönkulutukselle (4400 MWh). Sähköhyötysuhteella 35 % CHP- laitoksen kokonaistehon tulisi olla vähintään 1,44 MW ja 45 %:n sähköhyötysuhteella vähintään 1,12 MW. Kolmannessa laskennassa CHP-laitoksen kokonaisteho laskettiin asuintalojen, kunnan kiinteistöjen, teollisuuden, yritysten ja maatalouden sähkönkulutuksille (28900 MW). Sähköhyötysuhteella 35 % CHP-laitoksen kokonaistehon tulisi olla vähintään 9,43 MW ja 45 %:n sähköhyötysuhteella tehon tulisi olla vähintään 7,33 MW. 62 Tuloksena saatiin myös eri biodieselmääristä saatava teho, kun biodieselin tilavuus vaihteli välillä 0-2500 m 3 , ja eri biokaasumääristä saatava teho, kun biokaasun tilavuus vaihteli välillä 0-324000 m 3 . Biopolttoaineesta saatava teho tarkoittaa sitä kokonaiste- hoa, joka CHP-laitoksesta saadaan, kun biopolttoaine käytetään laitoksen polttoaineena. Teho laskettiin CHP-laitoksen kokonaishyötysuhteella 85 %. Liitteessä 7 on nähtävissä eri biodieselin ja biokaasun määristä saatavat tehot ja liitteessä 8 on nähtävissä sähköte- hot, kun ne käytetään polttoaineena CHP-laitoksessa. Kuvassa 13 on esitetty biokaasusta saatava teho ja sähkötehot eri sähköhyötysuhteilla. Yhtenäinen viiva kuvaa biokaasusta saatavaa tehoa joka vaihteli tilavuuksilla 0-324000 m 3 välillä 0-210 kW (kokonaishyötysuhde 85 %). Katkoviiva kuvaa sähköte- hoa (0-74 kW) eri kaasumäärillä, kun sähköhyötysuhde on 35 %. Pisteviiva kuvaa säh- kötehoa (0-95 kW) sähköhyötysuhteella 45 %. Oikeassa reunassa oleva pystykatkoviiva kuvaa kuinka paljon biokaasua (0-210 kW) tarvitaan lasketuissa CHP-laitosmalleissa. Kuva 13. Biokaasusta saatava kokonaisteho ja sähköteho sähköhyötysuhteilla 35 % ja 45 %. 63 Tuotettu biokaa