Kaatopaikkakaasun mittausmenetelmien, laskentamallien ja energiakäytön mahdollisuuksien arviointi

Abstract

Metaani on merkittävä ilmaston lämpenemistä edistävä kasvihuonekaasu, jonka vapautumista ilmakehään pyritään rajoittamaan kaikilla sektoreilla. Merkittävä osa jätehuollon päästöistä syntyy kaatopaikoilla, joissa loppusijoitettu orgaaninen jäte hajoaa muodostaen pääsääntöisesti metaanista ja hiilidioksidista koostuvaa kaatopaikkakaasua. Kaatopaikkakaasun haitallisten ympäristövaikutusten takia lainsäädäntö velvoittaa toiminnanharjoittajia tarkkailemaan, keräämään sekä hyödyntämään kaatopaikkakaasua mahdollisuuksien mukaan. Tarkkailun lisäksi toiminnanharjoittajien on raportoitava kaatopaikoilta vuosittain vapautuvien päästöjen määrä joko päästömittausten tai ilmakehään vapautuvan metaanin määrää arvioivien laskentamallien perusteella. Koska laskentamallien antamat arviot kaatopaikkojen vuosittaisista päästöistä ovat usein epätarkkoja, kaatopaikoilla suoritetaan päästömittauksia arvioiden luotettavuuden parantamiseksi. Päästöjen ajallisten ja paikallisten vaihteluiden takia kaatopaikkojen vuosittaisen päästön mittaaminen on kuitenkin haastavaa.

Tämän työn tavoitteena on arvioida kaatopaikkakaasun mittausmenetelmien soveltuvuutta Tarastenjärven jätekeskuksen vanhan ja uuden kaatopaikan päästömittauksiin, tarkastella FOD-laskentamallin parametrien vaikutusta Tarastenjärven vanhalla ja uudella kaatopaikalla muodostuvan metaanin määrään sekä arvioida kaatopaikkakaasun energiakäytön mahdollisuuksien soveltuvuutta Tarastenjärven jätekeskukselle. Työssä tunnistettiin kirjallisuuskatsauksen perusteella erilaisia kaatopaikkakaasun mittausmenetelmiä, laskennallisesti muodostuvan metaanin määrään vaikuttavia parametreja sekä kaatopaikkakaasun energiakäytön mahdollisuuksia.

Kirjallisuuskatsauksen ja haastattelututkimuksen tulosten perusteella kaasupitoisuuden mittaamiseen perustuvat kartoitusmenetelmät määritettiin soveltuvimmiksi mittausmenetelmiksi kaatopaikkakaasun vuotokohtien paikannukseen. Kaatopaikkojen vuosittaisten päästöjen arvioimiseen soveltuvimmiksi mittausmenetelmiksi määritettiin vastaavasti mikrometeorologinen kovarianssimenetelmä sekä dynaaminen massatasemenetelmä. Myös dynaamista jäljityskaasukoetta suositeltiin Tarastenjärven vanhan ja uuden kaatopaikan päästöjen erottamiseksi. FOD-laskentamallin herkkyysanalyysin perusteella orgaanisen hiilen osuudella havaittiin olevan suurin vaikutus vuosien 1977–2050 aikana Tarastenjärven vanhalla ja uudella kaatopaikalla muodostuvan metaanin kokonaismäärään ja reaktionopeusvakiolla vuosien 2025–2050 aikana vuosittain muodostuvan metaanin määrään. Kirjallisuuskatsauksen ja laskennan tulosten pohjalta höyryturbiini määritettiin kaatopaikkakaasun energiakäyttöön soveltuvimmaksi vaihtoehdoksi Tarastenjärven jätekeskukselle.

Kaatopaikkakaasun mittausmenetelmien tarkastelua voidaan hyödyntää kaatopaikkojen päästömittausten suunnittelussa sekä päästömittausmarkkinoilla tarjolla olevien mittausmenetelmien kartoittamisessa. Herkkyysanalyysin tuloksia voidaan vastaavasti käyttää FOD-laskentamallin parametrien kalibroinnin lähtökohtana, mikä parantaa laskentamallin tuottamien päästöarvioiden tarkkuutta. Myös energiakäyttömahdollisuuksien tarkastelun tuloksia voidaan soveltaa kaatopaikkakaasun energiakäytön suunnittelussa. Kokonaisuudessaan tämä työ tarjoaa kattavan tarkastelun kaatopaikkojen päästöjen seurantaan sekä kaatopaikkakaasun hyödyntämiseen liittyvistä menetelmistä ja niiden soveltuvuudesta.

Methane is a greenhouse gas that significantly contributes to global warming, which is why its release into the atmosphere is strictly regulated across all sectors. In the waste management sector, a large portion of methane emissions originates from landfills, where the decomposition of organic waste produces landfill gas that is primarily composed of methane and carbon dioxide. Due to the harmful environmental impacts of landfill gas, legislation requires landfill operators to monitor, collect, and utilize landfill gas whenever possible. In addition to monitoring, the operators must annually report the amount of emissions released from landfills. Reported emissions can be based on direct measurements or emission models that estimate the amount of methane released into the atmosphere. Since the estimates provided by the emission models are often inaccurate, measurements are conducted to improve the accuracy of the reported emissions. However, due to the temporal and spatial variability of emissions, measuring annual emissions from landfills remains challenging.

This study aims to evaluate the suitability of landfill gas measurement methods for monitoring emissions at the old and new landfills in Tarastenjärvi, to examine the influence of FOD emission model parameters on methane generation at the old and new landfills in Tarastenjärvi, and to assess the feasibility of utilizing landfill gas for energy production at the Tarastenjärvi waste center. The study identifies various landfill gas measurement methods, parameters affecting the modeled methane generation, and potential energy utilization options for landfill gas based on a literature review.

Based on the results of the literature review and interview study, gas concentration-based qualitative methods were determined to be the most suitable for detecting landfill gas hotspots. For estimating the annual landfill emissions, the eddy covariance method and the dynamic mass balance method were determined to be the most suitable options. The dynamic tracer gas dispersion method was also recommended to distinguish the emissions from the old and new landfills at Tarastenjärvi. The sensitivity analysis of the FOD emission model indicated that the fraction of degradable organic carbon had the greatest impact on the total methane generation at the old and new landfills between 1977 and 2050, whereas the reaction rate constant had the strongest influence on the annual methane production from 2025 to 2050. Based on the literature review and calculation results, the steam turbine was identified as the most suitable option for landfill gas energy utilization at the Tarastenjärvi waste center.

The review of landfill gas measurement methods can be utilized to support the planning of landfill emission monitoring and to identify the measurement methods available on the emission measurement market. Similarly, the results of the sensitivity analysis can serve as a basis for calibrating the parameters of the FOD emission model, thereby improving the accuracy of emission estimates. The assessment of energy utilization options can inform the planning of landfill gas energy use. Overall, this study provides a comprehensive evaluation of landfill gas monitoring and energy utilization methods and their applicability.