E-metaanin tuotantoa Keski-Suomen tuulivoimapuistoissa?
Kuvitus - Samuli Lahtela
Yhteiskunnan vihreä siirtymä etenee vauhdilla, ja fossiilisia energialähteitä korvataan yhä enemmän uusiutuvalla energialla, kuten tuuli- ja aurinkovoimalla. On kuitenkin toimialoja, joissa fossiilisten polttoaineiden korvaaminen uusiutuvalla energialla on erityisen haastavaa. Vihreä vety ja sen johdannaiset, kuten e-metaani, voivat tarjota ratkaisun näille aloille.
Suomessa biokaasualalla tehdään jo merkittäviä investointeja: esimerkiksi Suomen Lantakaasu Oy rakentaa useita biokaasulaitoksia ja Nivalaan nousee Suomen suurin biokaasulaitos. Nämä esimerkit kertovat alan nopeasta kehityksestä ja kasvavista mahdollisuuksista uusiutuvan metaanin tuotannossa. Jyväskylän ammattikorkeakoulun gH2ADDVA-projektissa visioidaan biokaasutuotannon ja vedyn yhdistämistä Keski-Suomen tuulivoimapuistoihin, jonka tavoitteena on tehostaa metaanintuotantoa ja lisätä uusiutuvan energian käyttöä. Tässä artikkelissa tarkastelemme, miten tämä visio voisi toteutua käytännössä.
Biokaasulaitokset tuottamaan uusiutuvaa metaania
Keski-Suomen e-metaani liiketoimintakonseptin visiossa tuotetaan biokaasulaitoksissa mädättämällä biometaania sekä metanoimalla e-metaania. Biokaasulaitokset sijoittuvat tuulivoimapuistojen yhteyteen, joista saadaan uusiutuvaa energiaa elektrolyysilaitoksien vihreän vedyn tuotantoon. Vety hyödynnettäisiin biokaasulaitoksissa in situ -biometanointiprosessissa tuottamaan e-metaania. Lopputuotteena syntyy nesteytettyä uusiutuvaa metaania, jota voidaan käyttää liikenteessä, teollisuudessa ja meriliikenteessä.
Biometanointi
Uusiutuvalla energialla voidaan elektrolyysin kautta tuottaa vedestä vihreää vetyä. Kun vetyä syötetään biokaasulaitoksen reaktoriin, vety reagoi mikrobien avulla hiilidioksidin kanssa, muodostaen e-metaania. Tätä kutsutaan in situ -biometanointiprosessiksi, joka on kuvattuna piirroksessa 1. Metaania muodostuu Sabatier-reaktion (CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O) kautta, jossa hiilidioksidi yhdistyy vedyn kanssa muodostaen metaania ja vettä [4].
In situ -metanoinnissa tuotetaan e-metaania, joka syntyy normaalin biometaanin muodostuksen lisäksi. Metanoinnilla saadaan siis tehostettua metaanin tuotantoa. Kemiallisesti e-metaani ja biometaani ovat samanlaista kaasua, eivätkä ole keskenään eroteltavissa prosessista erilleen. Hajautettu biometaanin resurssitehokas tuotanto Keski-Suomessa (HABA)-hankkeessa tehtyyn kirjallisuuskatselmukseen perustuen in situ -metanoinnilla oletetaan voitavan nostaa biokaasun metaanipitoisuutta 20 %-yksikköä [1]. Hiilidioksidia syntyy vastaavasti 20 % vähemmän.
Tuotannon kasvumahdollisuudet Keski-Suomessa
Keski-Suomessa biokaasun tuotantomäärä on tällä hetkellä n. 35 GWh/v, pois lukien metsäteollisuuden biokaasun tuotanto. Suunnitteilla oleva lisäyspotentiaali on n. 40 GWh/v. Laitosmäärien kautta arvioituna realistinen lisäyspotentiaali on n. 100 GWh/v, sisältäen yhden suuren, viisi keskikoista ja 12 pientä laitosta, ks. taulukko 1. Lannassa (195 GWh/v) ja peltobiomassassa (184 GWh/v) on paljon hyödyntämätöntä biokaasupotentiaalia.[2]
In situ -metanointia kannattaa tehdä lähtökohtaisesti kokoluokaltaan vain suurilla ja keskikokoisilla biokaasulaitoksilla. Metanointi lämmön ja sähkön tuotantoon (käyttömuotona pienillä laitoksilla) ei ole todennäköisesti kannattavaa, koska mitä todennäköisimmin kaikkea lämpöä ei saada hyödynnettyä [2,3].
Taulukossa 2. on kuvattuna uusien (suuri/keskikokoinen kokoluokka) laitosten tuotantopotentiaali ja metanoimalla saatava lisäys. Metanoimalla voitaisiin metaanintuotantoa tehostaa n. + 30 GWh/v, metaanipitoisuuden noustessa 20 %-yksikköä (CH4 pitoisuus 55 %–>75 %).
Uusiutuvan metaanin tuotannon arvoketju
Arvoketjussa elektrolyysilaitos käyttää tuulivoimasta saatavaa uusiutuvaa energiaa elektrolyysissa hajottamaan puhdistettua vettä happi- ja vetymolekyyleihin. Kaasut erotellaan toisistaan. Sivutuotteena syntyvä happi voidaan hyödyntää teollisuudessa. Elektrolyysissä syntyy hukkalämpöä, joka voidaan hyödyntää biokaasulaitoksen lämmittämiseen ja/tai mädätysjäännöksen jalostukseen. Syntynyttä vihreää vetyä käytetään biokaasulaitoksella in situ -metanointiin. Vety syötetään biokaasulaitoksen substraattiin, jolloin mikrobien kautta vety yhdistyy hiilidioksidin kanssa muodostaen e-metaania. Mädätysprosessin läpi käynyt mädätysjäännös jalostetaan biolannoitteiksi maatiloille.
Biokaasun jalostus loppukäyttöön
Biokaasulaitoksella tuotetaan biokaasua mädättämällä orgaanisia aineita. Raaka biokaasu puhdistetaan mm. rikkivedystä ja muista epäpuhtauksista ja jalostetaan biometaaniksi, poistamalla siitä hiilidioksidi.
Puhdistettu ja jalostettu biometaani nesteytetään, jolloin sen tilavuutta saadaan merkittävästi pienennettyä. Tällöin nesteytettyä metaania voidaan tehokkaasti siirtää ja varastoida alueilla, jossa ei ole käytössä kaasuputkistoa kuten esim. Keski-Suomessa. Kaasua voidaan toimittaa loppukäyttäjille esim. raskaaseen liikenteeseen, jossa se korvaa fossiilisia polttoaineita. Nesteytetty biometaani soveltuu hyvin pitkän matkan kuljetuksiin korkean energiatiheyden takia.
Uusiutuvan metaanin käyttö fossiilisen polttoaineen korvaajana
Biokaasulaitoksissa tuotettava uusiutuva metaani on kemiallisesti lähes täysin vastaavaa kuin maakaasu. Uusiutuva metaani on kuitenkin hiilineutraali energialähde, joten se on kestävämpi ratkaisu fossiiliseen maakaasuun verrattuna.
Taulukon 3. mukaisesti Keski-Suomen uusien biokaasulaitosten uusiutuvalla metaanilla voitaisiin korvata vuosittain yli n. 10 miljoonaa litraa fossiilisia polttoaineita, joiden arvo olisi n. 15 miljoonaa euroa.
SWOT-analyysi e-metaanin liiketoimintakonseptista Keski-Suomessa
Vahvuudet – Uusiutuva metaani on hiilineutraali tuote, jolla voidaan korvata fossiilista maakaasua. – Metaanille on olemassa olevaa infrastruktuuria ja käyttökohteita. – Elektrolyyserin tuottamaa hukkalämpöä voidaan hyödyntää biokaasulaitoksen lämmitykseen ja mädätysjäännöksen jalostukseen. – Maataloudesta tulevia biomassoja voidaan kierrättää takaisin pelloille biolannoitteena. – Ilmastoystävällisille tuotteille ja prosesseille on kasvava kysyntä. | Heikkoudet – Pitkät siirtomatkat sähkölle, vedylle tai syötteille voivat heikentää kannattavuutta merkittävästi. – Konseptin toiminnan aloittaminen vaatii huomattavia investointeja. – In situ -metanointiteknologian valmiusaste (RTL) on vasta 4-5 [5]. – Suomessa ei ole tällä hetkellä vielä laajaa vihreän vedyn tuotantoa tai käyttöä. – Alkuperäisestä energiasta menetetään osa prosessin eri vaiheissa. |
| Mahdollisuudet – Toiminnan käynnistämiseen voi olla mahdollista saada huomattavia summia ulkopuolista rahoitusta. – Toiminnassa on paljon yhteistyömahdollisuuksia. – Hapesta, hiilidioksidista ja biolannoitteista voi saada lisätuloja. – Metaania voidaan käyttää energiavarastona. – Metaania voidaan muuttaa myös sähköksi, jolloin voitaisiin mahdollisesti osallistua sähkön reservimarkkinoihin. | Uhat – Regulaation vaihtelut vaikuttavat merkittävästi liiketoiminnan kannattavuuteen. – Mahdollinen sähkön hinnan nousu heikentäisi tuotannon kannattavuutta. – Sodat ja kriisit voivat vaikuttaa sijoittajien/yrittäjien haluun ottaa riskejä epävakaassa globaalissa tilanteessa. – Jos syötteiden saatavuus heikkenee, voi se merkittävästi vaikuttaa toimintaan. – Tulevaisuudessa toiset teknologiset ratkaisut saattavat osoittautua kannattavammiksi. |
In situ -metanoinnin potentiaali ja hidasteet
Keski-Suomen e-metaani liiketoimintakonseptin visiossa yhdistyvät tuulivoima, elektrolyysi- ja biokaasulaitos, sekä maatalous. Biokaasulaitoksen in situ -metanointi tarjoaa uuden tavan metaanintuotannon tehostamiseen. Keski-Suomen alueella on merkittävä määrä biokaasutuotannon lisäämisen mahdollisuuksia uusien laitosmäärien ja metanoinnin kautta arvioituna.
Hidasteena konseptin käyttöönotolle on in situ -metanointi teknologian kypsymättömyys ja vetytalouden kehittymättömyys. Toiminnan edellytys on halpa sähkö, koska elektrolyysiprosessi kuluttaa huomattavan paljon energiaa. Toiminta tulisi perustaa alueelle, jossa tuulivoiman, laitosten ja syötelähteiden sijoittuminen keskinäisesti on kohtuullisen lähellä toisiaan.
Vision toteutumiseksi tulisi kartoittaa toiminnalle potentiaalisia alueita Keski-Suomessa ja kaavoittaa ne, jolloin hankkeiden eteneminen voisi olla nopeampaa sekä houkuttelevampaa yrityksille. Tarvitaan paikkakohtaista suunnittelua ja konseptin kannattavuuden laskemista. In situ -metanointi teknologian kehittämiseksi kaupalliseen käyttöön tarvitaan erityisesti pitkäaikaisia pilotointikokeita ja skaalaamista ylöspäin kohti täyden mittakaavan tuotantoa.
Kirjoittaja työskentelee asiantuntijana Jyväskylän ammattikorkeakoulun gH2ADDVA- hankkeessa.
Mikä gH2ADDVA-hanke?
Jyväskylän ammattikorkeakoulun vetämä gH2ADDVA-hanke tuottaa tietoa ja ratkaisuja, jotka edistävät vetyteknologian kehittämistä, sen laajempaa käyttöä eri sovelluksissa sekä vihreän energian tuotantoa ja varastointia Suomessa. Projektissa etsitään puhtaita, ympäristöystävällisiä ja vaihtoehtoisia energian tuotantomuotoja sekä uusia materiaaliteknisiä ratkaisuja edistämään Suomen energiaomavaraisuutta ja taklaamaan energian hinnan nousua.
Tutustu hankkeeseen: GH2ADDVA-hanke
Lähteet
1. Lappalainen, M., Kauppinen, J., Rasi, S., & Kiviranta, K. (2023). Biokaasun jalostusarvon parantaminen vetyrikastuksen avulla. Saatavilla: https://cris.vtt.fi/ws/portalfiles/portal/112649239/Biokaasun-jalostusarvon-parantaminen-vetyrikastuksen-avulla.pdf
2. Envitechpolis Oy ja Keski-Suomen liitto (2023). Biokaasun tuotannon vauhdittaminen Keski-Suomessa. Saatavilla: https://keskisuomi.fi/wp-content/uploads/2023/03/Biokaasuntuotannon-vauhdittaminen-Keski-Suomessa.-Keski-Suomen-liitto-Circwaste-hanke.pdf
3. Pyykkönen, V. Metanointi maatilalla -hankkeen tuloswebinaari, Luonnonvarakeskus (Luke), 17.12.2024.
4. Voelklein, M.A., Rusmanis, D. and Murphy, J.D., 2019. Biological methanation: Strategies for in-situ and ex-situ upgrading in anaerobic digestion. Applied Energy, 235, pp.1061–1071. Saatavilla: https://www.researchgate.net/publication/330072457_Biological_methanation_Strategies_for_in-situ_and_ex-situ_upgrading_in_anaerobic_digestion
5. Cazaudehore, C. Peyrelasse, F. Monlau, L. Castel, F. Leonardi, R. Guyoneaud, C. Sambusiti, Optimization of hydrogen dosage for enhanced in-situ bio-methanation, Bioresource Technology Reports, Volume 31, 2025,102245, ISSN 2589-014X, https://doi.org/10.1016/j.biteb.2025.102245.
