|
|
|
Hankekoodi: A74160
Hankkeen nimi: Uudet kokonaisvaltaiset toimintamallit biokaasun tuotannon materiaalitehokkuuden ja lopputuotteiden kierrätyslannoitevalmistepotentiaalin parantamisessa
Toimintalinja: 2. Uusimman tiedon ja osaamisen tuottaminen ja hyödyntäminen
Erityistavoite: 3.2. Uusiutuvan energian ja energiatehokkaiden ratkaisujen kehittäminen
Suunnitelman mukainen toteutusaika: Alkaa 1.8.2018 ja päättyy 31.12.2020
Toiminnan tila: Toiminta päättynyt
Vastuuviranomainen: Etelä-Savon maakuntaliitto
Hakijan virallinen nimi: Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto LUT
Organisaatiotyyppi: Yliopisto
Y-tunnus: 0245904-2
Jakeluosoite: PL 20
Puhelinnumero: 0294 462 111
Postinumero: 53850
Postitoimipaikka: Lappeenranta
WWW-osoite: http://www.lut.fi
Hankkeen yhteyshenkilön nimi: Riina Salmimies
Yhteyshenkilön asema hakijaorganisaatiossa: Johtaja
Yhteyshenkilön sähköpostisoite: riina.salmimies(at)lut.fi
Yhteyshenkilön puhelinnumero: +358 456310917
Hakijoiden lukumäärä tai tuen siirto -menettely:
Biokaasun tuotantoa voidaan pitää esimerkkinä toimivasta kiertotaloudesta, jossa pyritään maksimoimaan materiaalien ja niiden arvon säilyminen kierrossa mahdollisimman pitkään. Biokaasun tuotanto perustuu anaerobiseen mädätysprosessiin, jonka lopputuotteena syntyy hiilidioksidia ja metaania sekä erilaisia ravinteita sisältävä mädätejäännös. Metaanista pystytään tuottamaan edelleen lämpöä ja sähköä, minkä lisäksi mädätejäännös pystytään hyödyntämään kierrätyslannoitevalmisteena. Tulevaisuudessa prosessin materiaalitehokkuuden parantamisessa ja entistä korkeamman lisäarvon omaavien lopputuotteiden valmistamisessa biokaasualan kokonaisuuden ymmärtäminen ja koko arvoketjun huomioiminen erilaisten raaka-aineiden saatavuudesta ja hyödyntämisestä aina erilaisiin lopputuotteisiin sekä materiaalikierron sulkemiseen tulevat olemaan entistä keskeisemmässä roolissa.
Hankkeen tavoitteena on parantaa biokaasulaitosten materiaalitehokkuutta koko arvoketju huomioiden sekä pyrkiä kehittämään toimintamalleja siten, että ne mahdollistavat entistä parempien kierrätyslannoitevalmisteiden sekä muiden korkeamman lisäarvon omaavien lopputuotteiden valmistamisen mädätejäännöksestä. Tällaisen tiedon avulla on mahdollista parantaa biokaasulaitosten materiaalitehokkuutta sekä kehittää ja lisätä ymmärrystä koko biokaasuprosessin arvoketjusta. Hankkeessa tutkitaan erilaisten biomassojen kaasuntuottopotentiaalia ja pyritään selvittämään, millaisten prosessiparametrien avulla prosessin vakauden seuranta on järkevintä toteuttaa materiaalitehokkuuden ja lopputuotteiden laadun sekä erilaisten hyödyntämismahdollisuuksien kannalta.
Hankkeen tuloksena odotetaan biokaasulaitosten prosessien seurannan ja materiaalitehokkuuden parantamiseen liittyviä kestäviä ja vähähiilisiä toimintatapoja. Lisäksi erilaisista biomassoista jäljelle jäävät mädätejäännökset karakterisoidaan. Karakterisoiduista mädätejäännöksistä pyritään tuottamaan fysikaalisilta ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan entistä arvokkaampia ja käyttäjien tarpeita paremmin vastaavia kierrätyslannoite- ja maanparannusainevalmisteita. Tällainen kokonaisvaltainen tutkimus ja sen raportointi tuovat arvokasta tietoa koko biokaasualalle ja pidemmällä aikavälillä tiedon odotetaan parantavan erityisesti pienempien toimijoiden sekä biokaasutoiminnan aloittamista suunnittelevien toimijoiden mahdollisuuksia kehittää toimintaansa viimeisintä tutkimustietoa hyödyntävään suuntaan. Lisäksi hankkeessa saatuja tuloksia voidaan hyödyntää erityisesti Mikkelin Ecosairila-toimintaympäristössä, joka luo mahdollisuuksia uusille kiertotalouteen pohjautuville liiketoimintamalleille sekä teollisille symbiooseille, mitkä edelleen lisäävät kiertotalouden tuomia mahdollisuuksia Etelä-Savon alueella.
Hankkeen suorana kohderyhmänä ovat biokaasulaitoksia operoivat yritykset, biokaasulaitoksia valmistavat yritykset sekä mädätettä raaka-aineena hyödyntävät yritykset. Tällaisia ovat esimerkiksi kierrätyslannoitevalmisteita ja erilaisia maanparannusaineita valmistavat yritykset, jotka pystyvät hyödyntämään hankkeessa saatuja tuloksia. Hyötyä saavat myös pienempiä biokaasulaitoksia suunnittelevat toimijat, jotka pystyvät hyödyntämään alan viimeisintä tutkimustietoa.
Hanke lisää eri toimijoiden verkottumista kansallisesti ja Etelä-Savon alueella. Hankkeen välillisiä kohderyhmiä ovat suurin osa kansallisista biokaasualan toimijoista. Lisäksi välillisiä kohderyhmiä ovat jätteenkäsittelykeskukset ja niiden ympärille rakentuvat kiertotalouskeskittymät sekä biokaasuprosessiin liittyviä analyysilaitteita valmistavat yritykset. Laboratorion laaja-alainen tutkimustoiminta sekä henkilöstön vahva osaaminen ja korkea koulutustaso syventävät Etelä-Savon TKI-toimintaa. Samalla tutkijat sitoutuvat entistä paremmin paikkakunnalle ja paikallisten yritysten tarpeisiin. Välillisiksi kohderyhmiksi voidaan katsoa myös Vihreä kemian laboratorion kansalliset ja kansainväliset tutkimusyhteistyökumppanit.
Myönnetty EU- ja valtion rahoitus: 170 684
Toteutunut EU- ja valtion rahoitus: 170 684
Suunniteltu julkinen rahoitus yhteensä: 228 834
Toteutunut julkinen rahoitus yhteensä: 228 834
Maakunnat: Keski-Suomi, Etelä-Savo
Seutukunnat: Jyväskylän, Mikkelin
Kunnat: Jyväskylä, Mikkeli
Jakeluosoite:
Postinumero:
Postitoimipaikka:
Suunniteltu: 0, joihin työllistyvät naiset 0
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joihin työllistyvät naiset 0.00
Suunniteltu: 0, joista naisten perustamia 0
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joista naisten perustamia 0.00
| Välitön | Välillinen | |
| Ekologinen kestävyys | ||
| Luonnonvarojen käytön kestävyys | 8 | 8 |
| Kierrätyslannoitevalmisteiden käyttö vähentää uusiutumattomien luonnonvarojen käyttöä, fossiilisten polttoaineiden käytön vähentäminen. | ||
| Ilmastonmuutoksen aiheuttamien riskien vähentäminen | 2 | 2 |
| Hajautettu energiantuotanto | ||
| Kasvillisuus, eliöt ja luonnon monimuotoisuus | 4 | 5 |
| Ravinnetasapainon hallinta | ||
| Pinta- ja pohjavedet, maaperä sekä ilma (ja kasvihuonekaasujen väheneminen) | 8 | 6 |
| Fosforin louhinnan väheneminen, Kierrätysravinteilla edistetään hiilen kiertoa | ||
| Natura 2000 -ohjelman kohteet | 0 | 0 |
| Ei vaikutusta. | ||
| Taloudellinen kestävyys | ||
| Materiaalit ja jätteet | 10 | 7 |
| Biomassojen hyötykäyttö, materiaalitehokkuuden parantaminen | ||
| Uusiutuvien energialähteiden käyttö | 10 | 9 |
| Biomassan käyttö energian tuotannossa | ||
| Paikallisen elinkeinorakenteen kestävä kehittäminen | 7 | 6 |
| Paikallisten biomassojen hyödyntämisen parantaminen ja lopputuotteiden tuotteistaminen | ||
| Aineettomien tuotteiden ja palvelujen kehittäminen | 5 | 6 |
| Biokaasuprosessien optimoinnin ja siihen liittyvän tiedon merkitys tulee kasvamaan tulevaisuudessa | ||
| Liikkuminen ja logistiikka | 4 | 5 |
| Paikallinen biokaasun tuotanto, kierrätyslannoitevalmisteiden saatavuuden parantaminen, biokaasun liikennekäytön edistäminen | ||
| Sosiaalinen ja kulttuurinen kestävyys sekä yhdenvertaisuus | ||
| Hyvinvoinnin edistäminen | 0 | 5 |
| Hajuhaittojen minimoiminen | ||
| Tasa-arvon edistäminen | 0 | 0 |
| Ei vaikutusta | ||
| Yhteiskunnallinen ja kulttuurinen yhdenvertaisuus | 0 | 0 |
| Ei vaikutusta | ||
| Kulttuuriympäristö | 0 | 0 |
| Ei vaikutusta | ||
| Ympäristöosaaminen | 10 | 8 |
| Hanke tuottaa ympäristöosaamista | ||
Biokaasun tuotantoa voidaan pitää esimerkkinä toimivasta kiertotaloudesta, jossa pyritään maksimoimaan materiaalien ja niiden arvon säilyminen kierrossa mahdollisimman pitkään. Biokaasun tuotanto perustuu anaerobiseen mädätysprosessiin, jonka lopputuotteena syntyy hiilidioksidia ja metaania sekä erilaisia ravinteita ja muita kemiallisia komponentteja sisältävä mädätejäännös. Metaanista pystytään tuottamaan edelleen lämpöä ja sähköä, minkä lisäksi mädätejäännös voidaan joidenkin käsittelyiden jälkeen hyödyntää kierrätyslannoitteena. Tulevaisuudessa prosessin materiaalitehokkuuden parantamisessa ja entistä korkeamman lisäarvon omaavien lopputuotteiden valmistamisessa biokaasualan kokonaisuuden ymmärtäminen ja koko arvoketjun huomioiminen erilaisten raaka-aineiden saatavuudesta ja hyödyntämisestä aina erilaisiin lopputuotteisiin sekä materiaalikierron sulkemiseen tulevat olemaan entistä keskeisemmässä roolissa.
Tässä hankkeessa on tuotettu uutta tietoa erilaisia raaka-aineita käyttävästä biokaasuprosessista ja edistetty koko arvoketjun materiaalitehokkuutta. Hankkeessa toteutettiin laboratoriomittakaavan biokaasuntuotantokokeita ja analysoitiin käynnissä olevien laitosten raaka-aine- ja mädätejakeita tavoitteena arvioida näiden lannoiteraaka-ainepotentiaalia sekä jatkokehittämistarpeita kaupallistamiseksi.
Hanke on koostunut neljästä tutkimuskokonaisuudesta, joiden avainhavainnot on esitetty alla:
1) Säilörehun käyttö biokaasuntuotannossa
Säilörehu tuotti kokeissa noin 533 NL/kgVS biokaasua, jonka metaanipitoisuus oli noin 490 NL/kgVS. Yleisesti ottaen biometaanipotentiaalin määrityksessä referenssimateriaalille pitäisi saada tulos, joka vastaa 85–100 % teoreettisesta maksimista. Kun tarkasteltiin referenssimateriaalin metaanin tuotantoa, havaittiin, että refenssimateriaalista saatu tuotanto ylitti kirjallisuudessa ilmoitetut teoreettiset maksimit. Rinnakkaisnäytteiden erot olivat kuitenkin hyvin pienet, mistä voidaan päätellä, että menetelmässä on todennäköisesti ollut systemaattinen virhe. Kaasun volumetrinen määritys onnistui luotettavasti, sillä refenssimateriaalilla päästiin 88 %:iin teoreettisesta maksimista.
2) Biokaasun tuotannon raaka-aineiden ja mädätteiden koostumus
Tyypillisesti raaka-aineiden kuiva-ainepitoisuus oli 4-10 m-%. Näiden raaka-aineiden biologinen aines muunnetaan mädätyksessä biokaasuksi ja jäljelle jää mädäte, jonka kuiva-ainepitoisuus vedenpoiston jälkeen oli tyypillisesti 25-30 m-%. Mädätysprosessissa vain noin 10-20 % orgaanisesta aineksesta muuntuu biokaasuksi.
Tuloksemme osoittavat, että kaikissa biokaasulaitoksissa sekä raaka-aineiden että mädätteiden raskasmetallien pitoisuudet alittavat Euroopan Unionin asettamat raja-arvot. Lisäksi tutkimme ravinteiden pitoisuuksia raaka-aineissa ja mädätejäännöksissä. Typpi esiintyi kahden laitoksen tapauksessa raaka-aineessa liukoisena typpenä ja kahden laitoksen tapauksessa puolestaan liukenemattomana typpenä. Fosforin kohdalla kolmessa neljästä laitoksesta fosfori esiintyi raaka-aineessa liukenemattomassa muodossa. Raudan pitoisuus vaihteli merkittävästi eri raaka-ainesyötteissä. Mädätyksen seurauksena suurin osa lopulta jäljelle jääneestä typestä on sitoutuneena orgaaniseen ainekseen, eli liukenemattomana. Rejektiveden typpi puolestaan on enimmässä määrin liukoista. Fosfori sitoutuu pääosin liukenemattomana mädätejäännökseen eikä poistu rejektiveden mukana. Muista ravinteista natrium ja kalium poistuvat pääasiassa rejektiveden mukana.
3) Lääkeaineet puhdistamolietteessä ja niiden vaikutus biokaasuntuotannossa
Puhdistamoliete sisältää useita lääkeaineita, jotka päätyvät lietteeseen ihmisten lääkkeiden käytön ja jätevedenpuhdistuksen seurauksena. Tutkimme tässä hankkeessa 30 lääkeaineen pitoisuuksia puh-distamolietteessä kolmen kuukauden tarkastelujakson aikana ottamalla näytteitä biokaasulaitokselta laitoksen käyttämästä puhdistamolietteestä sekä syntyneestä mädätteestä.
Lääkeaineiden pitoisuus ovat tyypillisesti alhaisia puhdistamolietteessä. Korkeimpia pitoisuudet ovat kofeiinille, ibuprofeenille ja setiritsiinille johtuen osittain näiden aineiden kulutuksesta. Mädätteissä lääkeaineiden pitoisuudet pääosin laskivat suhteessa raaka-aineena käytettyyn puhdistamolietteeseen, mutta ibuprofeenin pitoisuus kasvoi.
4) Biokaasuntuotanto anaerobisessa membraanibioreaktorissa.
Kasvavilla orgaanisilla kuormilla absoluuttista biokaasuntuotantoa pystyttiin kasvattamaan, kuten on odotettavissa, sillä bakteerit käyttävät orgaanista ainesta biokaasun tuottamiseksi.
Synteettisellä jätevedellä ja todellisella jätevedellä saatiin hyvin erilaiset tulokset metaanipitoisuudelle biokaasussa: synteettisellä jätevedellä metaanipitoisuus oli noin 88 til-%, kun todellisella jätevedellä se oli vain noin 55 til-%. Todellisen jäteveden koostumus poikkeaa synteettisestä jätevedestä merkittävästi, mikä todennäköisesti vaikuttaa bakteerien toimintaan.
Kokeissamme biohiilen käyttö kantaja-aineena reaktorissa johti osaltaan kalvojen likaantumiseen. Tämä johtui todennäköisesti biohiilen verrattain pienestä partikkelikoosta.
Lämpötilalla ei ollut juurikaan vaikutusta orgaanisen aineksen poistoon membraanibioreaktorissa, mutta se vaikuttaa kalvojen läpäisevyyteen merkittävästi. Ravinteiden poisto membraanibioreaktorissa ei ollut erityisen tehokasta: typen poisto jäi kaikissa lämpötiloissa alle 35 %:n ja fosforin poistokin useissa tapauksissa alle 65 %:n.
Osana hankeviestintää luotiin tiiviit tutkijoiden videoesitykset tutkimuksen avainhavainnoista. Tutkijat esiintyivät videoilla englanniksi ja videot lisäksi tekstitettiin suomeksi saatavuuden parantamiseksi. Videot vietiin julkiselle verkkosivulle (https://events.lut.fi/putsari/) ja tutkimustuloksia markkinointiin Googlen ja sosiaalisen median kautta. Markkinointitoimien johdosta sivustolla vieraili huhtikuussa 2021 yli 6000 kävijää, joista noin 420 käytti aikaa videoita katsellen ja materiaalia ladaten. Tutkimustuloksista pystyttiin verrattain pienillä kustannuksilla viestimään huomattavan paljon laajemmalle joukolle kuin tyypillisesti esimerkiksi seminaarien kautta. Yksittäisiä esityksiä on katsottu useita kymmeniä kertoja ja ajan karttuessa on syytä odottaa useita satoja katsontakertoja kullekin tutkimusaiheelle. Erityisesti laajemman kansainvälisen tunnistettavuuden ja profiloitumisen kannalta on tärkeää, että viestintätoimet eivät kohdistu vain alueen välittömiin hyödyntäjiin, vaan laajasti asiasta kiinnostuneisiin kohderyhmiin.
Ohjausryhmältä saatu palaute osoitti, että hankkeen viestintätoimet sekä hankkeessa tuotettu materiaali olivat välittömän kohderyhmän mielestä onnistuneita. Suurimmaksi puutteeksi hankkeessa nousi pilotoinnin poisjäänti, mikä on tärkeää uusien ratkaisuiden edistämisessä. Pilotointi oli kuitenkin jo hankkeen alkuvaiheissa todettu mahdottomaksi hankkeen budjetin puitteissa.