Biokaasu koostuu lähinnä metaanista (CH4) ja hiilidioksidista (CO2). Biokaasua muodostuu sekä luonnossa, esimerkiksi soilla ja märehtijöiden pötseissä, että biokaasureaktoreissa ja kaatopaikoilla.

Reaktorilaitoksissa biokaasun metaanipitoisuus on yleensä 50–70 % ja hiilidioksidipitoisuus 30–50 Metaanin ja hiilidioksidin lisäksi biokaasu saattaa sisältää vesihöyryä (H2O), typpeä (N2), happea (O2), vetyä (H2), ammoniakkia (NH3) ja rikkivetyä (H2S). Yleensä niiden pitoisuudet ovat alle yhden prosentin. Sen sijaan kaatopaikkakaasu saattaa sisältää merkittäviä määriä typpeä ja happea.

Biokaasun metaanipitoisuus riittää suoraan hyötykäyttöön sähkön ja/tai lämmön tuotannossa. Biokaasussa oleva kosteus voidaan poistaa vedenerottimien avulla ja mahdollinen rikkivety vesipesulla.

Biokaasun tai metaanin määrä ilmoitetaan normaalikuutioina (yksikkö on n-m3). Normaalikuutio tarkoittaa yhtä kuutiota normaalissa ilmanpaineessa 101,3 kPa ja 0 oC lämpötilassa. Lämpöarvo ilmoitetaan jouleina massaa tai tilavuutta kohti(J/kg tai J/m3) tai kilowattitunteina kuutiota kohti (kWh/n-m3). Puhtaan metaanin lämpöarvo (lower heating value, LHV) on 50 MJ/kg (36 MJ/n-m3) eli 10 kWh/n-m3. Yksi kuutio puhdasta metaania vastaa lämpöarvoltaan suurin piirtein yhtä litraa polttoöljyä

Hiilidioksidia (CO2) syntyy väistämättä bakteeritoiminnan sivutuotteena, mutta se on tarpeetonta biokaasun energiahyötykäyttöä ajatellen. Hiilidioksidia voidaan hyödyntää esimerkiksi kasvien kasvun kiihdyttäjänä, jolloin puhutaan myös hiilidioksidilannoituksesta.

Kaikki kuiva-aines ei hajoa mädätyksen aikana. Jäljelle jäävää ainesta, joka voi olla kiinteää tai nestemäistä, kutsutaan mädätteeksi. Koska biokaasuprosessi on suljettu, mädäte sisältää raaka-aineen alun perin sisältämät ravinteet, kuten typen ja fosforin, ja on siksi hyvää lannoitetta. Mädätysprosessin aikana typpi on muuttunut nitraattimuodosta (NO32-) kasvien nopeasti käytettävissä olevaan ammonium-muotoon (NH4+), mikä parantaa lannoitusvaikutusta käsittelemättömään ainekseen verrattuna sekä vähentää typpivalumia vesistöihin.

Biokaasun raaka-aineet
Biokaasun raaka-aineeksi kelpaavat helposti hajoavat orgaaniset yhdisteet, kuten lannat, yhdyskuntien ja elintarviketeollisuudet biojätteet, viemärilietteet ja elintarviketeollisuuden jätevedet ja lietteet sekä kasvibiomassat (lehdet, naatit, kuoret, kokonaiset energiakasvit jne.) puuta lukuun ottamatta. Puun sisältämä ligniini hajoaa niin hitaasti, ettei mädätys ole järkevää nykytekniikalla. Sen sijaan paperi, josta ligniini on poistettu, voidaan mädättää muun jätteen seassa.

Pienissä laitoksissa lähellä raaka-aineen syntypaikkaa tuotetun biokaasun energiatase on erinomainen, mutta pitkät kuljetusmatkat heikentävät sitä. Sama pätee bioenergiaan ylipäätään. Jos biokaasua halutaan käyttää ajoneuvopolttoaineena, kaasun puhdistus ja paineistus kuluttavat energiaa ja heikentävät energiatasetta.

Jos ruokaketjuun kuuluvista kasveista jostain syystä halutaan tehdä bioenergiaa, siitä on yleensä energiataseen kannalta kannattavinta tehdä biokaasua, koska tällöin voidaan hyödyntää koko kasvi. Esimerkiksi etanolin tuotannossa hyödynnettävä maissinjyväsato on Kanadassa noin 2,5-4 t/ha, mutta jos koko kasvi laitetaan juuresta poikki ja biokaasureaktoriin, sato on yleensä vähintään 50 t/ha. Lämpimämmässä ilmastossa sadot voivat parhaimmillaan olla kaksinkertaiset. Järkevintä olisi tietysti syödä jyvät ja mädättää loppukasvi. Toisaalta taloudellinen kannattavuus ja lajikkeen valinta (ruoka-, rehu- ja energiamaissi ovat eri lajikkeita) asettavat omat reunaehtonsa.

 

Prosessivaihtoehdot
Biokaasun tuotantoprosesseja voidaan jaotella monella eri tavalla, esimerkiksi reaktorin lämpötilan mesofiilisiin (T ≈ 37 oC) ja termofiilisiin (T ≈ 55 oC ) prosesseihin tai syötön koostumuksen mukaan kuivamädätykseen (TS > 20 %) ja märkämädätykseen (TS > 15 %,). Myös jako jatkuvatoimisiin ja panostoimisiin tai yksi- ja kaksivaiheisiin prosesseihin on mahdollinen.

Tässä käytetään jakoa kuiva- ja märkämädätykseen. Huomaa, että kuiva ja vedetön eivät ole synonyymejä. Myös kuivaprosessissa raaka-aineen pitää sisältää vähintään puolet vettä, jotta mikrobit voivat hyvin ja toimivat niin kuin pitää.

 

 

Märkämädätys

Syötön kuiva-ainepitoisuus alle 15 %, pumpattavissa
Mädätteen kuiva-ainepitoisuus alle 8 %
Märkämädätys on nykyisin suosituin biokaasuprosessi. Reaktorit ovat rakenteeltaan yksinkertaisia ja melko varmatoimisia. Ne sopivat hyvin myös pienten raaka-ainemäärien käsittelyyn. Kaasun tuotto ja raaka-aineen hajoaminen on tasaista. Märkämädätys sopii lietemäisille raaka-aineille, kuten lietelannalle ja elintarviketeollisuuden jätevesille, jotka sisältävät vain vähän kuiva-ainetta. Reaktoriin voidaan lisätä esimerkiksi peltobiomassoja, mikä lisää kaasuntuottoa vaikuttamatta reaktorin kokoon.

Ongelmia saattaa tuottaa mädätteen hyötykäyttö. Evira ei yleensä hyväksy nestemäisen lannoitteen peltolevitystä, vaikka mädäte sisältää paljon esimerkiksi typpeä. Eviran tulkinnan mukaan mädäte on jätevettä, joka pitää käsitellä jätevedenpuhdistamolla (eli fosfori tuhota ja suuri osa typestä johtaa suoraan vesistöön puhdistamojen heikon typenpoistokyvyn vuoksi). Mädäte voidaan erottaa kiinteään ja nestefaasiin, minkä jälkeen kiintoaines voidaan levittää pellolle ja neste, niin kutsuttu rejektivesi, ohjata puhdistamolle.

Märkämädätyslaitoksia toimittavat Suomessa mm. Metener Oy, MetaEnergia Oy ja Preseco  ja ulkomailla mm. Schmack Biogas AG, WELtec BioPower ja Cornes AG.

 

 

Kuivamädätys

Syötön kuiva-ainepitoisuus 20–50 %, lapioitavissa
Mädätteen kuiva-ainepitoisuus 5–20 %
Kuivamädätys yleistyy maailmalla jatkuvasti. Reaktoreita on monenlaisia panostoimisista ”autotallimalleista” suuriin jatkuvatoimisiin. Yleensä jatkuvatoimisia prosesseja yhdistää se, että ne eivät toimi. Yleensä sekoituksessa on ongelmia ja siten kaasun tuotto ja hajoaminen epätasaista. Toistaiseksi ainoa todella toimiva jatkuvatoiminen kuivamädätysprosessi on sveitsiläinen Kompogas -prosessi.

Kuivamädätyksessä mädätettävät ainekset ovat kiinteitä, joten reaktorikin sisältää vähemmän vettä kuin märkämädätyksessä ja on siten kooltaan pienempi. Mädätteen koostumus riippuu anaerobisen hajoamisen tehokkuudesta. Se voi olla joko kiinteää tai lietemäistä. Lietemäinen mädäte voidaan kuivata samoin kuin märkäprosessissa syntynyt mädäte. Sekä mädätettä että rejektivettä syntyy huomattavasti vähemmän kuin märkäprosessissa.

Kompgas jatkuvatoiminen kuivamädätysreaktori on vaakatasoon asennettu teräksinen tai betoninen putki, jonka sisällä on suuri ruuvi. Mädätettävä aines kulkee putken sisällä ruuvin eteenpäin työntämänä noin yhden metrin päivässä. Samalla aines sekoittuu ja kaasu pääsee purkautumaan massan sisältä. Reaktorin loppupäästä kierrätetään rejektivettä reaktorin alkupäähän. Rejektivesi toimii samalla mikrobiymppinä.

Kompogas-prosessin etuja:

Tasainen hajoaminen ja kaasuntuotto
Varmatoimisuus (Vanhin laitos on toiminut jo yli 16 vuotta ilman ongelmia.)
Termofiilinen prosessi + 55 oC (nopea hajoaminen, pieni tilantarve jne.)
Erinomainen hygienisoituminen, koska kaikki aines viipyy reaktorissa yhtä kauan (vrt. märkäprosessissa viipymäaika on keskimääräinen, mutta todellisuudessa osa aineksesta voi poistua prosessista jopa muutamassa tunnissa syöttövälistä riippuen)
Mädätteellä korkea kuiva-ainepitoisuus, kuljetukset vähenevät, rejektivesiongelma poistuu tai pienenee merkittävästi
Ei tarvita vettä kiinteän syötteen laimentamiseen (nestemäinen syöte voidaan kuivata ennen mädätystä ja syntyvä vesi puhdistaa sekä johtaa suoraan luontoon)
Lisätietoa
Suomen biokaasuyhdistys ry www.biokaasuyhdistys.net
Saksan biokaasuyhdistys (saksaksi) www.biogas.org
Ruotsin biokaasuyhdistys (ruotsiksi/englanniksi) www.svenskbiogas.se