Kasvihuonejätteiden metaanintuottopotentiaalien ja lämpöarvojen määrityksiä

Biokaasutuotanto on yksi menetelmistä, joilla vauhditetaan fossiilisista polttoaineista luopumista. Uusiutuvaa energiaa voidaan nimittäin saada jopa kasvihuoneilla syntyvistä orgaanisista jätteistä, joiden metaanintuottopotentiaaleja ja lämpöarvoja tarkasteltiin LAB-ammattikorkeakoulun kiertotalouslaboratoriossa.

Kirjoittaja: Raisa Pajarinen

Kiristyvä lainsäädäntö kannustaa teollisuudessa, maataloudessa ja yhdyskunnissa muodostuvien biohajoavien, orgaanisten jätteiden tehokkaaseen hyödyntämiseen, jolloin käsittelyvaihtoehdot ovat yleensä biokaasuprosessi, poltto, kaasutus tai kompostointi (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 11–12), joista ravinnekierrätyksen, uusiutuvan energian tuottamisen ja materiaalikierrätyksen haasteisiin vastauksia tarjoaa etenkin biokaasuteknologia (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 7).

LAB-ammattikorkeakoulun ja LUT-yliopiston Siirtymä uusiutuvan energian ja resurssitehokkuuden hiilineutraaleihin ekosysteemeihin -hankkeessa edistetään jo tunnistettuja päijäthämäläisiä biokaasuekosysteemejä tuottamalla muun muassa tarvittavia pohjatietoja biokaasusyötteistä. Päijät-Hämeessä on nimittäin käytettävissä paljon biomateriaalisyötteitä, jotka voitaisiin hyödyntää tehokkaasti energiana ja jalostettuina tuotteina lähialueilla. (LAB University of Applied Sciences 2023.) Tarjolla olevien kasvibiomassojen ominaisuuksien selvittämiseksi LAB-ammattikorkeakoulun kiertotalouslaboratoriossa määritettiin vastikään kasvihuonejätteistä ravinnepitoisuuksien lisäksi metaanintuottopotentiaaleja panostoimisella mittausjärjestelmällä sekä lämpöarvoja pommikalorimetrillä.

Muun muassa kuiva-aineen ja orgaanisen aineen pitoisuus materiaalissa ja kuitujen ominaisuudet vaikuttavat siihen, kuinka hyvin kasvibiomassat soveltuvat biokaasutuotantoon eli mikä on materiaalin metaanintuottopotentiaali. Voidaan esimerkiksi olettaa, että huomattavan korsiintunut kasvibiomassa tuottaa heikosti biokaasua. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 38–39.) Kiertotalouslaboratoriossa tutkittavina näytteinä olivat kasvihuoneelta noudetut tomaatin lehdet lehtiruoteineen (artikkelikuva), kurkun lehdet lehtiruoteineen (Kuva 1), jäävuorisalaatin hävikkiin päätynyt kasvusto ja yrttisekoitus, joka sisälsi muun muassa lehtipersiljaa, timjamia ja lehtikaalia.

Kuva 1. Kurkkujen kasvustoa kasvihuoneella (Kuva: Raisa Pajarinen)

Tomaatin, kurkun, jäävuorisalaatin ja erilaisten yrttien kasvustot erosivat kuiva-ainepitoisuuksiltaan mutta eivät juurikaan metaanintuottopotentiaaleiltaan

Näytteiden lähtötiedot kuiva-ainepitoisuuksien ja orgaanisen aineen osuuksien osalta olivat seuraavat: Tomaatin kasvuston kuiva-ainepitoisuus oli 10,5 % ja orgaanisen aineksen osuus 7,8 %. Erilaisten yrttien kasvuston kuiva-ainepitoisuus oli 7,3 % ja orgaanisen aineksen osuus 6,0 %. Kurkun kasvuston kuiva-ainepitoisuus oli 6,5 % ja orgaanisen aineksen osuus 4,9 %. Jäävuorisalaatin kasvuston kuiva-ainepitoisuus oli 4,9 % ja orgaanisen aineksen osuus 3,5 %. Tomaatin kasvusto oli siis kuivinta, minkä pystyi päättelemään jo tomaatin lehtiruotien puisevuudesta. Jäävuorisalaatin kasvusto oli huomattavan vesipitoista, jolloin orgaanisen aineksen määräkin jäi vähäiseksi.

Metaanintuottopotentiaali ilmoitetaan usein yksikössä Nml/gVS, joka ilmaisee, kuinka monta normimillilitraa metaania grammasta orgaanista ainesta saadaan hapettomissa olosuhteissa tuotettua (BPC Instruments AB 2022). Kasvihuoneelta kerättyjen erilaisten kasvibiomassojen metaanintuottopotentiaalit erosivat mittauksissa toisistaan enintään 17 Nml/gVS: metaanintuottopotentiaali oli kurkun kasvustolla 257 Nml/gVS, tomaatin kasvustolla 251 Nml/gVS, erilaisten yrttien kasvustolla 246 Nml/gVS ja jäävuorisalaatin kasvustolla 240 Nml/gVS. Kumulatiivinen metaanintuotto eteni samankaltaisesti kaikilla neljällä näytteellä (Kuvio 1). Kurkun osalta metaanintuottopotentiaali olisi ollut oletettavasti vielä hieman suurempi, mutta teknisten haasteiden vuoksi metaanintuottopotentiaalimittaus, jossa kurkkunäyte oli mukana, jouduttiin keskeyttämään hieman liian aikaisin. Tulokset ovat varsinkin kurkun ja tomaatin osalta loogisia, sillä kirjallisuuden perusteella kurkun lehtien metaanintuottopotentiaali olisikin hieman tomaatin lehtiä suurempi ja metaanintuottopotentiaali tomaatilla ja kurkulla olisi keskimäärin noin 250 Nml/gVS (Gioulounta ym. 2023, Figure 2). Yrttien ja jäävuorisalaatin tulokset jäivät näistä arvoista vain hieman. Vaikka tomaatin kasvusto vaikutti hieman puisevammalta kuin muiden näytteiden kasvusto, eivät kyseisen ominaisuuden erot vaikuttaneet ratkaisevasti metaanintuottopotentiaaliin.

Kuvio 1. Tomaatin, salaatin, yrttisekoituksen ja kurkun kumulatiiviset metaanintuotot 20 päivän ajanjaksolla yksikössä Nl/kgVS eli normilitra per kilogramma orgaanista ainetta (Kuvio: Raisa Pajarinen)

Kasvihuonejätteiden kalorimetrisiä lämpöarvoja verrattiin metaanintuottopotentiaalin energia-arvoon

Materiaalin lämpöarvolla tarkoitetaan lämpöä, joka syntyy täydellisessä palamisessa poltettavan materiaalin massaa kohti ja ilmoitetaan yleensä kuivatun tai saapumistilassa olevan materiaalin tehollisena lämpöarvona yksikössä MJ/kg. Tehollisia lämpöarvoja ilmoitettaessa täytyy tietää, kuinka paljon materiaali sisältää vetyä. Sitä vastoin kalorimetriseen lämpöarvoon on laskettu materiaalin sisältämän vedyn palamisenergia sekä veden höyrystymisenergia, jolloin vedyn määrää materiaalissa ei tarvitse määrittää laskelmia varten. Kalorimetrinen lämpöarvo on aina suurempi kuin tehollinen lämpöarvo. (Motiva Oy 2021.)

Kasvihuonejätteiden vedyn määrää ei selvitetty lämpöarvoja mitattaessa, joten tulokset ilmoitettiin kalorimetrisinä lämpöarvoina: Yrttisekoituksen kalorimetrinen lämpöarvo kuiva-aineessa oli 16,98 MJ/kg ja saapumistilassa 1,25 MJ/kg. Tomaatin kasvuston kalorimetrinen lämpöarvo kuiva-aineessa oli 14,98 MJ/kg ja saapumistilassa 1,57 MJ/kg. Kurkun kasvuston kalorimetrinen lämpöarvo kuiva-aineessa oli 13,75 MJ/kg ja saapumistilassa 0,90 MJ/kg. Jäävuorisalaatin kalorimetrinen lämpöarvo kuiva-aineessa oli 11,54 MJ/kg ja saapumistilassa 0,57 MJ/kg. Runsaasti vettä sisältävien kurkun ja jäävuorisalaatin lämpöarvot ovat saapumistilaisesta tuoremassasta laskien pienemmät kuin yrttien ja tomaatin lehtien, jotka ovat puisevampia ja sisältävät enemmän kuiva-ainetta. Tomaatin lehdet ruoteineen sopivat polttoon yrttisekoitusta paremmin saapumistilaisena, mutta kuiva-ainetta kohden laskien yrttisekoituksesta saadaankin paremmat lämpöarvot. Kalorimetriseen lämpöarvoon verrattiin myös metaanintuottopotentiaalin energia-arvoa, joka oli näytteestä riippuen noin 34–50 % polttoarvosta, jota voidaan pitää normaalina arvona, sillä koko biomassa ei mädätyksen aikana ikinä muutu täysin energiaksi (Rahtola 2023).

Lähteet

BPC Instruments AB. 2022. AMPTS II & AMPTS II Light Automatic Methane Potential Test System Operation and Maintenance Manual. Viitattu 12.12.2023. Saatavissa https://bpcinstruments.com/wp-content/uploads/2022/02/2022_AMPTS-II-and-AMPTS-II-Light-Manual.pdf

Gioulounta, K., Matska, M., Piskilopoulos, A. & Stamatelatou, K. 2023. Greenhouse Residues’ Potential for Biogas Production. Artikkeli erikoispainoksessa Antonopoulou, G. & Vyrides, I. (toim.). Anaerobic Digestion for Waste/Wastewater Treatment. Applied Sciences. 13(9):5445. Viitattu 4.12.2023. Saatavissa https://doi.org/10.3390/app13095445

Kymäläinen, M. & Pakarinen, O. 2015. BIOKAASUTEKNOLOGIA Raaka-aineet, prosessointi ja lopputuotteiden hyödyntäminen. Hämeen ammattikorkeakoulu. HAMKin e-julkaisuja 36/2015. Viitattu 12.12.2023. Saatavissa https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-784-771-1

LAB University of Applied Sciences. 2023. Siirtymä uusiutuvan energian ja resurssitehokkuuden hiilineutraaleihin ekosysteemeihin. Viitattu 13.11.2023. Saatavissa https://lab.fi/fi/projekti/siirtyma

Motiva Oy. 2021. Biopolttoaineiden lämpöarvoja. Viitattu 4.12.2023. Saatavissa https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/bioenergia/tietolahteita/biopolttoaineiden_lampoarvoja

Rahtola, M. 2023. VS: kasvihuonekokeiden tuloksia. Sähköpostiviesti. Vastaanottaja Pajarinen, R. Lähetetty 3.10.2023.