Power-to-X teknologian hyödyntäminen – vedyn tuotantoa pimeäfermentaatiolla

Globaalisti ilmastonmuutos ja ravinnon puute ovat suuria ongelmia, joihin haetaan kiivaasti ratkaisua. Fossiilisten polttoaineiden käyttäminen lisää hiilidioksidipäästöjä ilmakehään ja näin ollen nopeuttaa ilmastonmuutosta. Vetykaasu (H₂) on lupaava energian varastointi- ja siirtoväline, jolla voi olla merkittävä rooli kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä. Vety on hiilineutraali energian kantaja, sillä sen palamisen lopputuotteena syntyy vain vesihöyryä ja lämpöä. Sillä on myös suuri energiasisältö, 122 kJ/g, joka on noin 2,75 kertaa suurempi kuin hiilivetypolttoaineilla, kuten bensiinillä. Suuri energiasisältö ja vähäinen tai lähes olematon päästöjen muodostuminen käytössä tekevät vedystä potentiaalisen fossiilisten polttoaineiden korvaajan.

(Kuva: Fermentaatiolaitteisto)

Biosfääri-hankkeen yhtenä tavoitteena on selvittää ja demonstroida Pohjois-Savossa alihyödynnettyjä sivuvirtoja biojalostusteknologialla. Kehittämiskohteena on ollut vedyn tuotanto (Power-to-X) pimeäfermentaatiolla biopohjaisille sivuvirroille, lähinnä elintarviketeollisuuden sivuvirroille. Pimeäfermentaatio on otollinen tekniikka uusiutuvan biovedyn tuottamiseksi. Vedyn tuotannossa mikrobiologisesti, mikrobit hajottavat orgaanisen aineksen tuottaen lopputuotteena orgaanisia happoja, hiilidioksidia ja vetyä.

Fermentaatioprosessin raaka-aineen koostumus vaikuttaa vedyn tuotannon tehokkuuteen. Fermentaation tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat myös mikrobit ja niiden aineenvaihdunnan tuottamat metaboliatuotteet. Mikrobien aineenvaihdunta muuttuu olosuhteiden mukaan, joten olosuhteet vaikuttavat myös muodostuviin välituotteisiin. Bioreaktorissa vallitsevilla olosuhteilla on siis merkittävävaikutus fermentaatioon ja fermentaatiolla tuotettavan vedyn saantoon. Säädettäviä olosuhteita vedyn tuotannossa ovat mm. pH, lämpötila, kuormitus, sekoitus ja viipymäaika.

Biovedyn tuotantoa lähdettiin ensimmäisenä testaamaan porkkanalla (kirjallisuusreferenssi 44,8–70,7 ml/gVS) ja kaalilla (kirjallisuusreferenssi 26,3–61,7 ml/gVS) niiden omatessa kirjallisuuden mukaan suurimmat vedyntuotannonpotentiaalit. Keskiarvoinen vedyntuottopotentiaali porkkanalla oli 13,92 ml/gVS ja päiväkohtainen maksimi vedyntuottopotentiaali 34,34 ml/gVS. Kaalin keskiarvoinen vedyntuottopotentiaali oli 12,96 ml/gVS ja päiväkohtainen maksimi vedyntuottopotentiaali 23,64 ml/gVS. Kummankin testattavan syötteen kohdalla päiväkohtaisessa maksimissa päästiin kirjallisuusreferenssi arvojen tasolle.

Biovedyntuotantoa testattiin lisäksi metsäteollisuuden nollakuidulla. Nollakuidulle ei löytynyt referenssiarvoa ja sen tiedettiin sisältävän mikrobiologialle haastavia pitkäketjuisia yhdisteitä. Nollakuidun vedyntuottopotentiaalia tutkittiin kahdella eri kuormituksella. Näistä suuremman kuormituksen fermentorin keskiarvoinen vedyntuottopotentiaali oli 0,0794 ml/gVS ja pienemmän kuormituksen fermentorin keskiarvoinen vedyntuottopotentiaali oli 0,0466 ml/gVS.

Lisää biovedyntuotannon ensimmäisistä kokeista ja tuloksista voi lukea Eevin opinnäytetyöstä.

Kirjoittaja: Maarit Janhunen, tki-asiantuntija, Savonia-ammattikorkeakoulu

17.12.2021