Paraisilla toimiva Qvidja Kraft Ab kehittää biologisiin prosesseihin perustuvaa menetelmää metaanin tuotantoon. Tavoitteena on rakentaa kokonaisuus hiilidioksidin hyödyntämiseen ja energian varastointiin.

Luonnon monimuotoisuus – elonkirjo – on kaiken elämän peruskivi. Qvidjan tilan tunnettu historia ulottuu 1400-luvulle ja tänään Qvidjassa luodaan tilaa mahdollisimman suurelle elonkirjolle sekä maan päällä että alla. Luonnon kanssa harmoniassa on myös tilalla tapahtuva energiajärjestelmän kehitys, johon keskitymme tässä artikkelissa.

Polttoainetta monella tavalla

Maakaasu on metaania ja se on monipuolinen polttoaine – vaikkapa tieliikenteessä autojen polttoaineena. Metaania voidaan tuottaa myös biologisesti, kun orgaanisia aineita mädätetään hapettomassa tilassa mikrobien avulla. Mädättämisen tuloksena syntyy biokaasua, jossa metaanin osuus on noin 60 prosenttia ja loppu on lähinnä hiilidioksidia. Liikennepolttoaineen tuottaminen edellyttää hiilidioksidin erottamista biokaasusta.

Biokaasun käyttö liikennepolttoaineena on vähitellen yleistymässä ja sillä on keskeinen asema myös Suomen kansallisessa energia- ja ilmastostrategiassa. Joutsassa biokaasua on tankattu kolme vuotta.

Biokaasua tuotetaan esimerkiksi yhdyskuntabiojätteestä, karjanlannasta ja myös peltobiomassoista eli ruohosta. Kun raaka-aineen ligniinipitoisuus on korkea, eli se on puumaista, toimii mädättäminen heikommin.

Puusta puolestaan voidaan tuottaa polttoaineena toimivaa puukaasua kaasuttamalla puuta pyrolyysireaktiossa. Kansanomaisesti asia tunnetaan häkäpönttönä, jonka tuottamassa kaasussa on noin 20 prosenttia hiilimonoksidia eli häkää, saman verran vetyä ja loppu hiilidioksidia ja typpeä.

Suomikrobit tuottavat metaania

Järven pohjasta ja suosta nousee kuplina pieniä määriä kaasua, joka on juuri hapettoman mikrobitoiminnan tuloksena syntynyttä metaania. Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus MTT:n (nykyisin Luonnonvarakeskus Luke) jo eläkkeelle jäänyt professori Erkki Aura on kehittänyt monia käytännön jalostusprosesseja mikrobien avulla. Hän kiinnostui mikrobien tuottamasta metaanista, haki Torronsuolta mikrobeja ja kehitti ensimmäisen version reaktorista, jossa nämä mikrobit tuottavat hiilidioksidista ja vedystä metaania ja vettä.

Suon luonnolliset mikrobit tuottavat hapettomassa tilassa eloperäisestä materiaalista metaania. Tietty mikrobikanta syö hiilidioksidia ja vetyä ja tuottaa niistä metaania.

Monissa tutkimuksissa ja käytännössä on todettu, että metaani on hyvin käyttökelpoinen tapa varastoida energiaa. Maakaasun käytön perusteella metaanin siirtoon on olemassa kehittyneet perusrakenteet ja metaanin säilyttäminen nesteytettynä on vakiintunutta tekniikkaa. Maakaasulla tai biometaanilla toimivat autot ovat melko yleisiä ja niitä varten on olemassa myös tankkausverkosto. Myös meriliikenteessä ollaan lisääntyvässä määrin siirtymässä kaasun käyttöön polttoaineena.

Biometaanin tuottaminen on siis erinomainen keino vähentää maailman hiilidioksidipäästöjä, koska sen hyödyntämiseen ja varastoimiseen on olemassa valmiit rakenteet. Kaasua myös käytetään niin paljon, että tuotetulle biometaanille on rajattomasti käyttöä – kulutuskohteita riittää.

Tehdään kaasua ylijäämäsähköllä

Sähkön tuotanto ja kysyntä vaihtelee voimakkaasti vuorokauden- ja vuodenaikojen mukaan. Lisääntyvä aurinko- ja tuulisähkön tuotanto lisää tuotannon vuorokausivaihtelua entisestään. Tästä seuraa sähkön markkinahinnan vaihtelua ja joissain tilanteissa sähkön hinta lähestyy nollaa ja saattaa kääntyä jopa negatiiviseksi – saat maksun siitä, että kulutat sähköä. Sähkön varastointi on kuitenkin hankalaa.

Sähköllä voidaan elektrolyyttisesti hajottaa vettä vedyksi ja hapeksi kohtuullisen hyvällä hyötysuhteella. Energian varastoiminen vetynä on kuitenkin vaativaa, koska vety on voimakkaasti reagoivaa ja sen nesteyttäminen onnistuu vasta noin -250°C pakkasessa sekä vaatii paljon energiaa. Vetyatomiin voidaan kuitenkin liittää hiiliatomi, jolloin lopputuloksena saadaan helpommin käsiteltävää metaania.

Vedyn metanointi tapahtuu perinteisesti korkeassa paineessa ja usean sadan asteen lämpötilassa katalyytin avulla. Tästä johtuen prosessi vaatii käytännössä suuren teollisen mittakaavan laitoksen, jonka hyötysuhde jää lisäksi melko heikoksi. Tässä astuvat kuvaan professori Aura ja Qvidja Kraft.

Kaasupohjainen energiakokonaisuus

Saara Kankaanrinta ja Ilkka Herlin hankkivat Qvidjan tilan vuonna 2014 tehokasta Itämeri- ja ilmastotyötä varten. He perustivat seuraavana vuonna Qvidja Kraftin kehittämään bioenergian tuotantoa. Herlin sai tietoonsa Lukessa käynnissä olevan kehitysprojektin ja kiinnostui siitä. Lopputuloksena Kvidja Kraft osti asiaan liittyvät Luken patentit ja otti palvelukseensa projektin tutkijat Anni Alitalon ja Marko Niskasen. Erkki Aura on mukana projektin ylimpänä neuvonantajana.

Qvidja Kraft tuottaa biokaasua BioGTS Oy:n kehittämällä jatkuvatoimisella kuivamädätysgeneraattorilla – Bioboksilla. Kuivamädätyksessä käytettävän raaka-aineen kuiva-ainepitoisuus on suuruusluokkaa 30-35% verrattuna yhdyskuntabiojätteiden ja puhdistamolietteiden märkämädätykseen, jossa kuiva-ainetta on reilusti alle 10%. Kuivamädätyksessä on omat etunsa.

Qvidja Kraftin laitoksella ovat rakennustyöt täydessä käynnissä. Biomassan kuivamädätyslaitos on rakennettu merikontteihin ja toimitetaan valmiina käyttöpaikalle.

Biokaasussa on siis noin 60% metaania (CH₄) ja 40% hiilidioksidia (CO₂). Kun biokaasusta tehdään liikennekaasua, on siitä erotettu CO₂ perinteisesti päästetty ilmaan. BioGTS:n laitoksessa CO₂ voidaan ottaa varsin puhtaana talteen paineenvaihteluun perustuvalla adsorptiomenetelmällä.

Qvidja Kraftin kokonaisuuteen kuuluu puun kaasutuslaitos – häkäpönttö – joka tuottaa tuotekaasua puun korjuutähteistä, pienestä harvennuspuusta ja muusta hukkapuusta, jotka muuten jäisivät hyödyntämättä. Suunnitteilla on myös elektrolyysilaitos, jossa vettä hajotetaan aurinkosähkön voimalla.

Biotekniikka energian ytimessä

Qvidja Kraftin laitos tuottaa edellä kuvatuilla laitteitta biometaania, hiilidioksidia, häkää (CO) ja vetyä (H₂). Tässä nousevat mikrobit keskiöön. Metaanireaktori toimii kahdessa vaiheessa. Ensimmäiseen reaktoriin syötetään mikrobeille häkää ja vettä (H₂O), joista ne muodostavat hiilidioksidia ja vetyä (CO+H₂O=CO₂+H₂).

Toisessa reaktorissa raaka-aineina ovat hiilidioksidi ja vety, joista muodostuu metaania ja vettä (CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O). Vetyä saadaan prosessiin häkäpöntön lisäksi veden elektrolyyttisestä hajottamisesta ja hiilidioksidia ensimmäisen reaktorin lisäksi Bioboksin hiilidioksidin talteenotosta. Samalla mädätyksen saanto ja ympäristöystävällisyys paranee, kun muuten ilmakehään päästettävä CO₂ saadaan hyötykäyttöön vedyn metanoinnissa.

Metaanireaktorin ensimmäisessä vaiheessa hyödynnetään puuhakkeen kaasutuksesta saatavaa häkää. Toiseen vaiheeseen voidaan sen lisäksi tuoda vetyä esimerkiksi veden elektrolyyttisestä hajottamisesta. Lopputulos on metaania. Kaavio: Luke

Keskeistä koko laitoksessa on, että mikrobien toteuttamat prosessit toimivat normaalissa ilmanpaineessa, 50-60 asteen lämpötilassa ja erittäin korkealla hyötysuhteella. Mitään raskaita erikoisrakenteita ei tarvita, minkä ansiosta laitos on hyvin skaalautuva.

Tehdasvalmisteinen Bioboksi tuottaa biokaasua suunnilleen 100 kilowattitunnin (kWh) energiamäärää vastaavan määrän kaasua tunnissa, eli 100 kilowatin (kW) teholla. Metanointireaktori puolestaan skaalautuu käytännössä kymmenistä kilowateista ylöspäin ja reaktoreita voidaan asettaa haluttu määrä toimimaan rinnakkain.

Täysin hajautettua energiantuotantoa

Qvidja Kraftin hankkeen tekee erityisen mielenkiintoiseksi kaksi asiaa: energiantuotanto on mahdollista hajauttaa pieniin yksiköihin ja yksiköiden raaka-aineena voidaan käyttää muuten hyödyntämättä jääviä energianlähteitä. Kolmantena tekijänä näyttäisi olevan tuotannon hyvä hyötysuhde.

Anni Alitalo ja Erkki Aura sekä kuvasta puuttuva Marko Niskanen ovat kehittäneet ratkaisun, jonka avulla sähköä voidaan varastoida metaanin muodossa taloudellisesti.

Suomessa olemme ehkä tottuneet suuriin laitoksiin ja suuriin tuotantoihin, mutta Qvidja Kraftin ratkaisuilla on lukemattomia sovellusalueita, joihin suuret laitokset eivät sovellu. Kuljettaminen on kallista ja kuluttaa energiaa. Tällaisia laitoksia voidaan perustaa vaikka jokaiseen kylään, jolloin raaka-aineet ja energian käyttäjät ovat lähellä. Kehittyvien maiden sovellukset ovat aivan oma mahdollisuutensa.

Aivan ratkaisevaa on myös se, että laitoksella voidaan tuottaa halvalla ”ylijäämäsähköllä” vetyä ja siitä edelleen hyvällä hyötysuhteella metaania ja varastoida sähköenergiaa tässä muodossa. Entä miten metaani on tarkoitus palauttaa takaisin sähkön muotoon? Kaasuturbiinilla, polttomoottorigeneraattorilla vai polttokennolla? ”Tule käymään ensi vuonna, niin täällä on aivan toisen näköistä,” vastaa Herlin hiukan arvoituksellisesti.

Jouko Lampila