Biogas production from energy crops and crop residues

Abstract

Energiantuotantoa varten viljellyt energiakasvit ja erilaiset kasvintuotannon sivutuotteet ja jätteet eli peltobiomassat tarjoavat puhtaan ja kotimaisen uusiutuvan energialähteen. Kasvibiomassa voidaan hyödyntää energiana useilla eri tavoilla, joista yksi on biokaasun tuotanto. Biokaasua voidaan hyödyntää lämmön- ja sähköntuotannossa tai liikenteen polttoaineena fossiilisten polttoaineiden sijasta.Annimari Lehtomäki tutki mahdollisuuksia hyödyntää energiakasveja ja kasvijätteitä biokaasun tuotannossa pohjoisissa oloissa. Tutkimuksessa kartoitettiin Suomen oloissa menestyviä, biokaasun tuotantoon mahdollisesti soveltuvia kasvilajeja, sekä määritettiin niiden kemiallinen koostumus ja biokaasupotentiaali. Lisäksi tutkittiin korjuuajankohdan ja eri varastointimenetelmien vaikutuksia kasveista saatavaan biokaasupotentiaaliin sekä erilaisten reaktoritekniikoiden soveltuvuutta biokaasun tuotantoon kasvibiomassoista.Monivuotiset heinäkasvit ovat yksi tehokkaimpia vihermassan tuottajia pohjoisissa ilmasto-olosuhteissa, niiden tuotantoon tarvittava kalusto ja asiantuntemus ovat olemassa, ja ne ovat osa totuttua kulttuurimaisemaa. Lisäksi nurmiheinää on melko helppoa viljellä ja varastoida. Nurmiheinän ja sokerijuurikkaan naattien varastointi säilörehuntekomenetelmällä varastointilisäaineiden kanssa parantaa biokaasutuottoa noin 20 % verrattuna tuoreista kasveista saatavaan biokaasutuottoon. Nurmiheinän ja sokerijuurikkaan naattien varastointi biokaasureaktorista peräisin olevan mikrobisiirroksen kanssa on tehokas varastointimenetelmä. Tämä voisi olla edullinen vaihtoehto näiden materiaalien varastointiin maatilakohtaisten biokaasulaitosten yhteydessä.Maatilakohtaisia biokaasulaitoksia oli Suomessa vuonna 2004 tiettävästi kuudella maatilalla, ja ne tuottivat vuoden 2004 aikana yhteensä noin 220 000 m3 biokaasua. Viime vuosina Suomessa on toteutettu muutamia sekä maatilakohtaisia että keskitettyjä biokaasulaitoksia, ja useita laitoksia on suunnitteilla. Biokaasun sisältämä metaani on monipuolinen polttoaine, sillä sitä voidaan hyödyntää sekä sähkön- ja lämmöntuotannossa että ajoneuvojen ja työkoneiden polttoaineena. Näin voidaan välttää uusiutumattomien luonnonvaroihin perustuvien polttoaineiden käyttöä. Biokaasuprosessissa tuotettu metaani on useissa elinkaarianalyyseissa todettu yhdeksi energiatehokkaimmista ja ympäristöystävällisimmistä tavoista tuottaa liikenteen biopolttoainetta.

The feasibility of utilising energy crops and crop residues in methane production through anaerobic digestion in boreal conditions was evaluated in this thesis. Potential boreal energy crops and crop residues were screened for their suitability for methane production, and the effects of harvest time and storage on the methane potential of crops was evaluated. Co-digestion of energy crops and crop residues with cow manure, as well as digestion of energy crops alone in batch leach bed reactors with and without a second stage upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) or methanogenic filter (MF) were evaluated. The methane potentials of crops, as determined in laboratory methane potential assays, varied from 0.17 to 0.49 m3 CH4 kg-1 VSadded (volatile solids added) and from 25 to 260 m3 CH4 t-1 ww (tons of wet weight). Jerusalem artichoke, timothy-clover and reed canary grass gave the highest methane potentials of 2 900–5 400 m3 CH4 ha-1, corresponding to a gross energy potential of 28–53 MWh ha-1 and 40 000–60 000 km ha-1 in passenger car transport. The methane potentials per ww increased with most crops as the crops matured. Ensiling without additives resulted in minor losses (0–13%) in the methane potential of sugar beet tops but more substantial losses (17–39%) in the methane potential of grass, while ensiling with additives was shown to have potential in improving the methane potentials of these substrates by up to 19–22%. In semi-continuously fed laboratory continuously stirred tank reactors (CSTRs) co-digestion of manure and crops was shown feasible with feedstock VS containing up to 40% of crops. The highest specific methane yields of 0.268, 0.229 and 0.213 m3 CH4 kg-1 VSadded in co-digestion of cow manure with grass, sugar beet tops and straw, respectively, were obtained with 30% of crop in the feedstock, corresponding to 85–105% of the methane potential in the substrates as determined by batch assays. Including 30% of crop in the feedstock increased methane production per digester volume by 16–65% above that obtained from digestion of manure alone. In anaerobic digestion of energy crops in batch leach bed reactors, with and without a second stage methanogenic reactor, the highest methane yields were obtained in the two-stage process without pH adjustment. This process was well suited for anaerobic digestion of the highly degradable sugar beet and grass-clover silage, yielding 0.382–0.390 m3 CH4 kg-1 VSadded within the 50–55 day solids retention time, corresponding to 85–105% of the methane potential in the substrates. With the more recalcitrant substrates, first year shoots of willow and clover-free grass silage, the methane yields in this process remained at 59–66% of the methane potential in substrates. Only 20% of the methane potential in grass silage was extracted in the one-stage leach bed process, while up to 98% of the total methane yield in the two-stage process originated from the second stage methanogenic reactor. Liquid and solid residues from digestion of grass-clover silage and sugar beet in two-stage leach bed – MF processes were suitable for incorporation to soil as fertiliser and soil-improvement media, whereas in the solid residue from digestion of willow, cadmium concentration exceeded the limit value for use of digestates as fertiliser in arable land.