Kaikesta orgaanisesta materiaalista pystyy valmistamaan suuria määriä biokaasua. Biokaasu on ajankohtaista etenkin nykyaikana, jolloin teollisuudesta ja kuluttajien toimista muodostuu kasvavissa määrin erilaista jätettä. Biohajoavan jätteen hajotessa ja mädäntyessä muodostuu biokaasua. Hajoamisprosessin tehostamisella ja biokaasun järkevällä talteenotolla voidaan muodostaa kaupallisesti arvokasta biokaasua, jota voidaan hyödyntää lämmön – ja sähköntuotannossa ja liikennepolttoaineena.
Samalla biokaasutus eli mädätys on ympäristön kannalta kestävin ja taloudellisesti kannattavin jätteenkäsittelymenetelmä verrattaessa sitä muihin vaihtoehtoihin kuten kompostointiin tai jätteenpolttoon. Koko biokaasun tuotanto on luonnon oma tapahtuma, jonka lopputuloksena syntyy biokaasua eli metaania sekä orgaanista kiintoainetta eli mädätysjäännöstä. Suomessa biokaasua tuotetaan pääsääntöisesti kaupunkien ja teollisuuden jätevedenpuhdistamojen biokaasulaitoksella, maatilojen biokaasulaitoksilla, kaatopaikkojen biokaasupumppaamoilla ja kiinteän yhdyskuntajätteen biokaasulaitoksella.
Biokaasun raaka-aineet
Raaka-aineiksi kelpaa melkein mikä vain eloperäinen aine. Eniten käytetyin on varmasti maatiloilta saatava lanta ja peltobiomassa eli energiakasvit, kasvintuotannon sivutuotteet ja jätteet sekä ympäristönhoidolliset kasvit. Valmistukseen käytetään myös yhdyskuntien jätteitä kuten puhdistamo – ja saostuskaivosliete ja biojätettä. Niin ikään teollisuuden jätteet ja sivutuotteet ovat paljon käytettyjä raaka-aineita. Raaka-aineiden hapatuksen tavoite on saada 50 – 70 prosenttista metaania.
Anaerobinen hajoaminen
Anaerobinen hajoaminen tai toisin sanoen mädätys, johon koko biokaasuteknologia perustuu. Prosessin aikana useat eri mikrobit osallistuvat orgaanisen aineen hajottamisen eri vaiheisiin. Hajoamisen ymmärtäminen mahdollistaa prosessinhallinnan käytännössä.
Hajoamiseen osallistuu monia toinen toistaan erilaisempia mikro-organismeja, jotka työskentelevät yhteistyönä ja ovat toisistaan riippuvaisia. Hajoamisprosessin tasainen ja onnistunut eteneminen on tae hyvin toimivalle biokaasureaktorille. Edelliset hajoamisvaiheet tuottavat välituotteita, jotka seuraavan välivaiheen mikrobit käyttävät eivätkä muodosta kertymiä. Erilaisten mikro-organismien yhteistyö tarkoittaa sitä, että ravitsemukselliset ja ulkoiset olosuhteet täytyy olla kunnossa ja kaikille sopivat.
Anaerobisessa hajoamisessa on neljä vaihetta: hydrolyysi, fermentaatio, asetogeneesi ja tärkein eli metaania tuottava metanogeneesi. Metaanin tuottamiseksi edellisen välivaiheen on pakko tuottaa joko asetaatteja tai hiilidioksidia ja vetyä sillä metanogeenit eivät pysty muodostamaan vetyä muista yhdistelmistä.
Tuotantoprosessit
Prosessit toteutetaan kahdessa lämpötilassa: mesofiilisessä eli matalassa lämpötilassa (35-38 C) tai termofiilisessä eli korkeassa lämpötilassa (52-55 C). Termofiilisen käsittelyn hyötynä on käsiteltävän materiaalin nopea hajoaminen. Erityisesti peltokäyttöön tarkoitetun mädätysjäännöksen loppukäytön takia termofiilinen käsittely on ihanteellisempi vaihtoehto. Mesofiilisen käsittelyn etu on sen vakaus ja lopputuloksen tasaisempi laatu.
Märkä – ja kuivaprosessit
Märkäprosessi on perinteisempi biokaasutuotantoprosessi. Se sopii erityisesti materiaaleille, joiden kuiva-ainepitoisuus on matala. Niitä käsitellään tavallisesti jatkuvasekoitteisissa reaktoreissa. Sekoittamisen tavoite on levittää mikrobeja tasaisesti, tasoittaa lämpötilaeroja, estää laskeutumista ja pintalietteen muodostumista ja vapauttaa biokaasukuplat materiaalista. Sekoittaminen voi tapahtua mekaanisella sekoittimella, kaasukuplien tai lietteen kierrätyksen avulla. Märkäprosessin etuja ovat niiden automatisoimisen helppous ja hallittavuus.
Kuivaprosessit taasen ovat nimensä mukaisesti tarkoitettu materiaaleille, joiden kuiva-ainepitoisuus on korkeampi eli 20 % – 40 % välillä (märkäprosessissa sama luku on 10 % – 13 %). Kuivaprosessit voivat olla panosperiaatteella toimivia tai jatkuvatoimisia, sekoittamattomia tai sekoituksella varustettuja ja yksi – tai useampivaiheisia. Kuivaprosessin tasaisen toiminnan edellytyksenä on usein tarvittava käsitellyn materiaalin kierrättäminen reaktoriin tasaisen mikrobikannan ylläpitämiseksi. Kierrätettävän materiaalin osuus voi olla jopa 50 % reaktoriin syötettävästä materiaalista. Kuivaprosessin etuna on sen runsaampi metaanituotanto verrattuna märkäprosessiin, mutta se tarvitsee enemmän valvontaa ja ohjausta.
Panos – ja jatkuvatoimiset prosessit
Maatiloissa käytetyissä biokaasureaktoreissa käytetään useimmiten jatkuvatoimista ja -sekoitteista reaktoria. Tällöin käsiteltävää materiaalia pumpataan reaktoriin ja käsiteltyä materiaalia reaktorista pois säännöllisesti siten että tilavuus reaktorissa pysyy tasaisesti samana. Hyödyt ovat syötön automatisoitavuus ja tasainen kaasuntuotanto. Panosperiaatteella taasen toimitaan kertaluontoisesti eli reaktori täytetään ja tyhjennetään uudella materiaalilla tasaisin väliajoin esimerkiksi neljän viikon välein. Täyttämisen ja tyhjentämisen työläisyydestä huolimatta panostoiminen prosessi on melko vähätöinen. Tosin kaasuntuotanto käynnistyy vasta usean päivän päästä, joten samaan aikaan voi joutua operoimaan monta reaktoria luodakseen tasaista kaasuntuotantoa.
Yksi- ja monivaiheiset prosessit
Biokaasun tuottaminen voi olla niin ikään yksi – tai monivaiheista. Mädäntyminen on itsessään monivaiheinen prosessi, jonka eri vaiheissa eri mikrobit osallistuvat hajottamiseen. Monivaiheisen prosessin osia on mahdollista jakaa eri reaktoreihin, jolloin olosuhteita voidaan pyrkiä säätämään ideaalisiksi ja täten tehostaa tuotantoa.
Biokaasun tuottaminen maatilalla
Biokaasun tuottaminen maatiloilla on kasvava trendi. Tilalle rakennetaan tällöin biokaasureaktori, jonka pääraaka-aine on navetasta saava lietelanta. Lanta siirretään reaktoriin, jossa se viipyy 20-30 päivää. Tämän jälkeen liete pumpataan lietesäiliöön. Reaktorissa liete hygienisoituu ja sitä voidaan käyttää lannoitteina pellolla. Muodostunut biokaasu taasen nousee reaktorin yläosaan, josta se otetaan tehokkaasti talteen ja varastoidaan erilliseen kaasusäiliöön.
Puhdistaminen ja jalostaminen
Reaktoreista saatavaa raakabiokaasua ei voi käyttää sellaisenaan sähkön ja lämmöntuotannossa tai polttoaineena sillä se sisältää mekaanisia osia vaurioittavia ja haitallisia päästöjä muodostavia ainesosia. Puhdistamalla pyritään poistamaan kaasusta haitallisia yhdistelmiä ja nostamaan metaanitasoa. Puhdistus voidaan liittää myös tuotannon yhteyteen, jolloin kaasuntuotanto on kustannusrikkaampaa. Metaanipitoisuutta voidaan yhä edelleen nostaa jalostuksella, jota tehdään erityisesti liikennebiokaasun valmistuksessa. Jalostamalla metaanin energiamäärä kasvaa eikä sen varastointiin tarvita yhtä isoja tiloja. Suomessa myytävä niin biokaasu kuin maakaasukin ovat jalostettuja.