Paineenvaihteluadsorption käyttö biokaasulaitoksessa osana biometaanin tuotantoprosessia

Abstract

Biokaasulaitokset ovat hyvä esimerkki kiertotalouden käytännön toteutuksesta. Ne mahdollistavat energiantuotannon ja ravinteiden kierrätyksen usein jätteeksi mielletystä orgaanisesta materiaalista kuten kotitalouksien biojätteestä, vedenpuhdistamoiden lietteestä ja lannasta. Tässä kandidaatintyössä tutustutaan biokaasulaitoksen laitosprosessiin sekä lasketaan Mustankorkea Oy:n biokaasulaitoksen kaasun jalostuksen energiankulutus pohjana laitteiston nimellistehotiedot. Laskettua ja laitoksella mitattua energiankulutusta verrataan keskenään ja niiden perusteella lasketaan biokaasun jalostuksen energiakustannukset sekä tehdään yksinkertainen ympäristötarkastelu. Laitosprosessin kuvauksen painotus on kohdistettu biokaasun jalostukseen eli osaprosessiin, jonka tavoitteena on muokata lopputuotteen ominaisuudet jalostetun maakaasun ominaisuuksia vastaaviksi.

Biokaasun tuotantoprosessi koostuu raaka-aineen esikäsittelystä ja anaerobisesta mädätyksestä. Mädätysprosessissa syntyvä biometaani eli biokaasun metaani voidaan hyödyntää kaasuautojen polttoaineena, jos raakabiokaasun sisältämät muut komponentit kuten hiilidioksidi, vesi ja rikkivety poistetaan lopputuotteesta. Hiilidioksidi on määrällisesti selvästi suurin erotettavista komponenteista. Se voidaan poistaa biometaanista esimerkiksi paineenvaihteluadsorptiotekniikalla eli PSA-tekniikalla (englanniksi pressure swing adsorption). Tekniikka perustuu puhdistuskolonneissa tapahtuvaan hiilidioksidin adsorptioon. Tämä tarkoittaa hiilidioksidimolekyylin kiinnittymistä kolonnin adsorbentin pintaan. Adsorbentteina käytetään esimerkiksi aktiivihiiltä tai zeoliitti-ryhmään kuuluvia mineraaleja. Adsorption ja sen vastinprosessin desorption nopeutta kontrolloidaan kolonnin paineen avulla.

Biokaasulaitoksen kaasun jalostuksen energiankulutus laskettiin työssä prosessin toimiessa osateholla. Energiankulutuksen perusteella voidaan määrittää suuri osa jalostuksen kustannuksista. Vertaamalla nimellistehoihin ja mittatietoon perustuvaa kustannuslaskentaa keskenään huomataan tehotietoihin perustuvien kustannusten olevan keskimäärin 2,5-kertaa todellisuutta suurempia. Laskennan tuloksia voisi tarkentaa erityisesti käyttämällä keskiarvotetun tuotannon sijasta todellisia biokaasuvirtoja ja tarkempia käyntiaikoja. Toisaalta tarkempien lähtöarvojen tarve heikentäisi laskennan soveltuvuutta nopeaksi ja kevyeksi suunnittelun aputyökaluksi. Voidaan pohtia, tulisiko tällainen aputyökalu perustua ennemmin mittausten perusteella luotaviin sovitteisiin.

Kustannuslaskennan lisäksi työssä toteutettiin yksinkertainen ympäristötarkastelu, jossa verrattiin liikenteessä käytettävän biometaanin ja sähköntuotantoon käytettävän jalostamattoman biokaasun hiilidioksidivaikutusta. Sekä nimellistehoihin perustuvan laskennan että mitatun tiedon perusteella biokaasun jalostus kaasuautojen polttoaineeksi todettiin olevan kasvihuonekaasupäästöjen perusteella kannattavampaa. Tuloksen perusteella Mustankorkea Oy:n tekemä biokaasun jalostus biometaaniksi on järkevää. Muun muassa tarkentamalla laskennassa käytettävää sähkön päästökerrointa jalostuksen vaikutuksen suuruus tarkentuisi merkittävästi. Tarkkaa tietoa biometaanin ympäristövaikutuksista voidaan hyödyntää esimerkiksi osana yrityksen markkinointia ja viestintää.