Jätteestä arvoa

Uusi teknologia auttaa biokaasulaitoksen optimoinnissa

Biokaasuprosessin tehokas optimointi edellyttää suoraan prosessilinjassa tapahtuvaa keskeisten parametrien valvontaa. Näitä parametreja ovat metaani, hiilidioksidi ja kosteus. Aiemmalla valvontateknologialla tämä ei ole ollut mahdollista, mutta Vaisalan uuden MGP261-mittalaitteen myötä jätteestä saa nyt enemmän arvoa: biokaasulaitosten kannattavuus paranee, jätettä syntyy vähemmän, kasvihuonepäästöt pienenevät ja maatalouden ravinteet kierrätetään.

Kaikkialla maailmassa etsitään tapoja pienentää kasvihuonepäästöjä ilmastonmuutoksen estämiseksi, tapoja vähentää kaatopaikoille vietävän jätteen määrää ja parantaa uusiutuvan energian käyttöastetta kansainvälisten sopimusten mukaisesti. Siksi monissa maissa on otettu käyttöön biokaasusektorin kasvua edistäviä tukia.

IRENAn (International Renewable Energy Agency) mukaan kolmasosa maailman energiakapasiteetista perustuu nyt uusiutuvaan energiaan ja lähes kaksi kolmasosaa vuonna 2018 lisätystä uudesta energiakapasiteetista saadaan uusiutuvasta energiasta. Suuri osa viimeaikaisesta kasvusta perustuu aurinko- ja tuulienergian käyttöön, mutta maailmanlaajuinen bioenergiakapasiteetti on suunnilleen kolminkertaistunut kymmenen viime vuoden aikana.

Märästä pilaantuvasta jätteestä ja viljelykasveista syntyvä biokaasu on tuuli- ja aurinkoenergiaa luotettavampi ja ennakoitavampi uusiutuvan energian lähde. Näiden teknologioiden tehostuminen ja tukien pienentäminen kuitenkin johtaa siihen, että biokaasusektorin on panostettava prosessin optimointiin, jos halutaan säilyttää kannattavuus, mahdollistaa kilpailu muiden energiamuotojen kanssa ja varmistaa toiminnan pitkän aikavälin kestävyys. 

Hukkaanheitettyä jätettä

Jätteidenhallinta on merkittävä yhteiskunnallinen haaste, ja jätteet nähdäänkin enenevässä määrin resursseina. Erityisen huolissaan ollaan orgaanisesta jätteestä, sillä siitä voi syntyä metaania,
joka on merkittävä kasvihuonekaasu. Orgaanisten jätteiden anaerobisessa mädätyksessä syntyvät kaasut voidaan kerätä ja käyttää uusiutuvan energian lähteenä. Kaasun palaessa syntyy uusiutuvaa lämpöä, ja yhdistetyllä sähkön ja lämmön yhteistuotantomoottorilla (CHP) tuotetaan sekä sähköä että lämpöä. Biokaasu voidaan myös jalostaa biometaaniksi (> 99 % metaania), joka voidaan puristaa ja syöttää maakaasuverkkoon tai käyttää liikenteen polttoaineena. Mädättämöt voivat myös saada tuloja viemällä sähköä jakeluverkkoon, myymällä kaukolämpöä tai biokaasua paikallisille yrityksille tai yhteisöille tai veloittamalla maksun laitokseen tuotavasta jätteestä. Näiden laitosten tuottama mädäte on ravinnepitoista, ja sitä voidaan käyttää lannoitteena ja maanmuokkaukseen.

Prosessista riippumatta kaikkien laitosten on optimoitava biokaasun tuotanto ja pidettävä samalla 
kustannukset, syntyvä jäte ja käyttökatkokset mahdollisimman pieninä. Biokaasu on syövyttävä ja räjähdysvaarallinen kaasu, joten prosessilinjassa tapahtuva valvonta ei ole aiemmin ollut mahdollista. Tähän saakka ainoa ratkaisu on ollut ottaa analysoitavat näytteet prosessin ulkopuolella.

Vaisala kehitti MGP261-mittalaitteen mahdollistamaan prosessin tehokkaan optimoinnin. Kyseessä on maailman ensimmäinen kolmea kaasua suoraan linjasta mittaava laite, jolla voi mitata samanaikaisesti metaania, hiilidioksidia ja kosteutta. Ja mikä tärkeintä, mittalaite on Ex-sertifioitu myös vyöhykkeelle 0/1. Tämä mahdollistaa asennuksen putkiin ja kanaviin, joissa on räjähdysherkkää kaasua, ja joissa putkia ympäröivä alue on luokiteltu vyöhykkeeksi 1.

Anaerobinen mädätys

Reaktorissa on mädätyksen aikana käynnissä neljä biokaasua tuottavaa pääprosessia. Eri bakteeriryhmät vaikuttavat kaikkiin näihin prosesseihin, ja näiden mikro-organismien sopivan tasapainon säilyttäminen on tärkeää biokaasuprosessin tehokkuuden optimoinnin kannalta. Neljä pääprosessia:

Hydrolyysi – bakteerien entsyymit rikkovat monimutkaiset orgaaniset aineet, kuten proteiinit, hiilihydraatit ja rasvat, sokereiksi, rasvahapoiksi ja aminohapoiksi.
Asidogeneesi – erilaiset käymisreaktiot muuntavat suuret 
molekyylit orgaanisiksi hapoiksi, 
alkoholeiksi, ammoniakiksi, hiilidioksidiksi, vedyksi ja rikkivedyksi.
Asetogeneesi – käymistuotteet hapetetaan yksinkertaisempiin muotoihin, kuten asetaatiksi ja hiilidioksidiksi.
Metanogeneesi – arkeonit (yksisoluiset organismit) muuntavat vedyn ja etikkahapon metaaniksi ja hiilidioksidiksi.

Jos kahdessa viimeisessä prosessissa on keskeytyksiä, biokaasun tuotto pienenee, mikä voidaan havaita metaanin ja hiilidioksidin suhteen muutoksena. Tähän tarvitaan olosuhdevalvontaa.

Prosessin valvonta tehostaa toimintaa

Biokaasussa on yleensä 50–75 prosenttia metaania, ja kaasun loppuosa koostuu pääasiassa hiilidioksidista ja vesihöyrystä sekä pienistä määristä muita edellä mainittuja kaasuja. Metaanin määrää valvomalla onkin mahdollista mitata, kuinka hyvin laitos toimii. Metaanin ja hiilidioksidin suhteen valvonta puolestaan antaa reaaliaikaista tietoa mädättäjän toiminnasta ja mädättämön mikro-organismien tilasta. 

Metaani- ja hiilidioksiditietoja voidaan käyttää eri tavoilla. Ensinnäkin näiden tietojen avulla käyttäjä voi säätää syöttönopeutta ja raaka-aineiden tyyppiä mahdollisuuksien mukaan bakteerien tilan parantamiseksi. Toiseksi, jos moottoria käytetään biokaasulla, mittauksilla voidaan optimoida moottorin suorituskyky. Kolmanneksi, jos biokaasua jalostetaan verkkoon syötettäväksi, tietojen avulla saadaan tietoja biometaanin jalostusprosessista.

Reaktorista voi tietenkin ottaa myös näytteitä laboratoriossa tehtävää analysointia varten. Tällä tavoin voidaan saada tarkkoja tietoja prosessiolosuhteista, mutta tähän menetelmään liittyvä viive tarkoittaa, että prosessin nopea tai automaattinen optimointi ei ole mahdollista. Niinpä suoraan prosessilinjassa tapahtuva biokaasumetaanin ja hiilidioksidin valvonta vähentää kalliiden laboratorioanalyysien tarvetta.

Miksi biokaasun kosteutta kannattaa mitata?

Biokaasussa oleva kosteus voi aiheuttaa ongelmia useista syistä. Kaasussa oleva kosteus voi kondensoitua paineen tai lämpötilan muuttuessa esimerkiksi paineensäätimessä tai siirtoputkissa. Tällainen kondensaatio voi aiheuttaa vakavia vahinkoja, joten se on estettävä. Liiallinen kosteus CHP-moottoriin syötetyssä biokaasussa lisää vastaavasti kosteutta moottoriöljyssä, jolloin moottoriöljy on vaihdettava useammin.

Moottorin käyttökatkokset joko huollon tai korjausten vuoksi on tietenkin minimoitava, sillä seurauksena voi olla leimahdus, joka voi aiheuttaa 3 000–5 000 euron päivittäisen tulonmenetyksen.

Kosteus vaikuttaa merkittävästi myös aktiivihiilisuodattimien toimintaan, sillä tällaiset suodattimet on suunniteltu toimimaan tietyllä kosteusalueella. Hiilisuodattimet ovat yleisiä, sillä biokaasun epäpuhtaudet, kuten rikkivety, siloksaanit ja tietyt muut orgaaniset kaasut, on poistettava, jotta ne eivät vaurioita moottoria tai jotta biometaani on riittävän puhdasta G2G-sovelluksiin. Liiallisen kosteuden vuoksi hiilisuodattimet kuluvat ennenaikaisesti, jolloin ne on täytettävä uudelleen, mikä puolestaan on kallista. Joissakin laitoksissa hiilisuodattimet on vaihdettava useita kertoja vuodessa, mikä voi aiheuttaa yli 10 000 euron vuosikustannukset. Liian alhainen kosteuspitoisuus voi toisaalta aiheuttaa joissakin suodattimissa ongelmia ja heikentää niiden tehokkuutta.

Suoraan prosessilinjassa tehtävät mittaukset

Aiemmin ei ollut muuta mahdollisuutta kuin käyttää biokaasun analyysilaitteita, joilla otettu näyte mitattiin sähkökemiallisilla tai kiinteän aallonpituuden infrapunalaitteilla. Nämä teknologiat edellyttivät kuitenkin usein tehtävää uudelleenkalibrointia, joka on kallista, vaatii paljon työtä ja hankaloittaa laitoksen jatkuvaa olosuhdevalvontaa. Menetelmässä tarvitaan pumppuja ja kaasuputkia, ja lisäksi näyte on kuivattava, jotta ei synny virheitä eikä kondensaation aiheuttamia vaurioita. Näillä mittalaitteilla ei siksi voi mitata näytteen kosteutta. Niinpä myös keräyslaitteiden mittaukset tehdään kuivista näytteistä. Nämä lukemat ovat aina korkeampia kuin suoraan prosessilinjasta tehdyt kostean näytteen mittaukset. Vaisalan MGP261  mittalaitteella mittaukset voidaan tehdä molemmilla tavoilla.

Kylmissä ilmastoissa kerätty näyte voi myös jäätyä näytelinjassa, mikä estää virtauksen ja johtaa virheellisiin tietoihin. Tämä ongelma voidaan korjata Ex-sertifioiduilla lämmitetyillä jälkilinjoilla, mutta ne ovat moniin sovelluksiin liian kalliita.

Kerätyn kaasun sähkökemiallisten analyysilaitteiden ja kiinteää aallonpituutta käyttävien infrapuna-analyysilaitteiden käyttöikä on suhteellisen lyhyt, millä on merkitystä kokonaiskäyttökustannuksia pohdittaessa. Lisäksi tällaisilla laitteilla on lyhyt kalibrointiväli, joten näytejärjestelmää on ylläpidettävä usein. Tämä nostaa käyttökustannuksia.

Vaisalan MGP261-mittalaitteen julkistus oli merkittävä edistysaskel, sillä tämä innovatiivinen mittalaite ratkaisee aiempien keräysteknologioiden ongelmat.

Uusi teknologia

Maailman ensimmäinen suoraan prosessilinjassa toimiva biokaasun analysoinnin monitoimilaite MGP261 käyttää CARBOCAP®-teknologiaa, jota on käytetty monilla muilla teollisuusaloilla vuosien ajan. Tässä laitteessa metaanin, hiilidioksidin ja kosteuden mittaamiseen käytettävä toisen sukupolven CARBOCAP®-teknologia yhdistyy kuitenkin ainutlaatuisella tavalla yhteen pienikokoiseen mittapäähän, joka on Ex-sertifioitu toimimaan suoraan syövyttävissä räjähdysvaarallisissa biokaasuvirroissa. MGP261 myös käynnistyy nopeasti (< 2 minuuttia), mikä sopii hyvin Ex-sertifioidulle mittalaitteelle.

Vaisalan CARBOCAP®-anturissa on sähköisesti viritettävä FPI (Fabry-Pérot-interferometri)  suodatin. Kohdelajin mittaamisen lisäksi mikromekaaninen FPI-suodatin mahdollistaa referenssimittaukset aallonpituudella, jolla absorptiota ei tapahdu. Referenssimittauksissa FPI-suodatin säädetään sähköisesti vaihtamaan kaistanpäästökaista absorptioaallonpituudesta ei-absorboivaan aallonpituuteen. Referenssimittaus kompensoi mahdolliset muutokset valonlähteen voimakkuudessa sekä kontaminaation optisessa polussa, joten anturi on erittäin vakaa myös pitkällä aikavälillä. 

Muut kaasun infrapuna-analyysilaitteiden valmistajat käyttävät mittalaitteissa hehkulamppuja. Vaisala on sen sijaan kehittänyt patentoidun mikrohehkuinfrapunalähteen, joka kuluttaa vähän virtaa, on erittäin vakaa ja jonka käyttöikä on 15 vuotta. 

MGP261 mittaa kosteuden ja hiilidioksidin samalla optisella suodattimella ja metaanin toisessa optisessa kanavassa. Monessa suhteessa ratkaisu yhdistää laboratorion spektrometrin analyysitehon yksinkertaiseen ja kestävään teollisuusprosessin hallintalaitteeseen.

Käyttäjän näkökulmasta teknologia tuo monia hyötyjä, sillä prosessilinjassa tehtävissä mittauksissa voidaan mitata prosessiolosuhteita suoraan ilman vaihtoehtoisiin menetelmiin liittyviä kustannuksia, ongelmia ja viipeitä. Koska laite pysyy vakaana pitkään, huoltoa ei juuri tarvita – vain likainen mittalaitteen suodatin on joskus vaihdettava, ja tämänkin voi yleensä tehdä moottorin huollon yhteydessä. Lisäksi mittalaitteen itsekalibrointitoiminto minimoi käyttökustannukset, sillä teknisen henkilöstön ei tarvitse huoltaa eikä kalibroida laitetta säännöllisesti. Myös CHP-moottorin kunnossapitotarve ja käyttökatkokset vähentyvät luotettavan kosteusvalvonnan avulla, mikä tuo runsaasti säästöjä.

Mittauspisteet

Tämän teknologian käyttötarkoituksia ovat esimerkiksi anaerobisen mädätyksen ja kaatopaikkojen kaasuvalvonta, aktiivihiilisuodatinten valvonta biokaasun käsittelyprosesseissa sekä CHP-moottorien syötön kaasuvalvonta. 

Biokaasulaitosten metaanin, hiilidioksidin ja kosteuden mittauspisteet ovat tyypillisesti ennen mädättämöä ja sen jälkeen, sillä näin mädätysprosessi voidaan optimoida valvomalla CH4:CO2-suhdetta ja säätämällä jätteen syöttönopeutta sen mukaan. Sijoituspaikka voi olla myös lämmönvaihtimen jälkeen, jolloin voidaan mitata kosteus kuivauksen optimoimiseksi. Lisäksi mittauspiste voi olla jo ennen aktiivihiilisuodatinta, jolloin mitataan kosteus suodatuksen optimoimiseksi tai ennen CHP-moottoria, jolloin mitattu kosteus mahdollistaa moottorin suojaamisen ja metaanin valvonta auttaa moottorin suorituskyvyn optimoinnissa. Mittaukset voidaan tehdä myös ennen metaanin jalostuslaitosta, jolloin mittaustuloksia voidaan käyttää prosessin optimointiin.

Maailmanlaajuinen väestönkasvu ja siihen liittyvät jätteiden hallintaongelmat yhdessä kasvihuonepäästöjen pienentämistarpeen vuoksi ovat merkittävä haaste tällä hetkellä. Biokaasuteollisuus on tärkeä osa ratkaisua. Biokaasun tuotanto on orgaaninen prosessi, johon monet tekijät vaikuttavat. Koska Vaisalan MGP261-mittalaitteella voidaan tuotantolinjaa valvoa suoraan, tuotantoprosessi voidaan optimoida pienentämällä käyttökustannuksia ja tehostamalla biokaasulaitoksen toimintaa. Näin jätteestä saadaan enemmän arvoa.