Mikrobiakku muuntaa vedyn metaaniksi

Suomessa kehitetty teknologia mahdollistaa vedyn varastoimisen helposti käytettävänä metaanina, ja samalla hiilidioksidi sidotaan takaisin polttoainekiertoon. Metanoinnin avulla voidaan myös tehostaa uusiutuvien polttoaineiden käyttöä.

Paraisilla Qvidjan kartanossa on kehitetty uudenlainen reaktori, jonka avulla voidaan muuntaa vetyä ja hiilidioksidia metaaniksi suomikrobien avulla. Vety tuotetaan uusiutuvan energian avulla vedestä elektrolyysin avulla, ja sen tuotantoon käytetään uusiutuvia energiamuotoja. Mikrobit muodostavat vedystä ja hiilidioksidista metaania jota voidaan käyttää polttoaineena sellaisenaan sitten kun sille on tarvetta.

Metaanissa on vetyyn verrattuna paljon hyötyjä: sitä käytetään jo polttoaineena eli metaanille on kysyntää. Fossiilinen maakaasu ja uusiutuvista lähteistä valmistettu biokaasu ovat metaania, ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi autojen polttoaineena. Metaani ei myöskään ole samalla tavalla räjähdysaltista kuin vety, ja sitä voidaan varastoida.

Metaani on myös voimakas kasvihuonekaasu, jonka elinikä ilmakehässä on noin kymmenen vuotta. Tällä hetkellä sitä vuotaa ilmakehään fossiilisten polttoaineiden käytön seurauksena sekä esimerkiksi kaatopaikoilta. Sitä valmistetaan myös orgaanisesta aineksesta mädättämällä, ja uusiutuvalla biopohjaisella metaanilla voidaan korvata fossiilista energiaa. Kun metaani palaa, siitä tulee hiilidioksidia ja vettä. Metaani kannattaakin polttaa, sillä hiilidioksidi lämmittää ilmakehää 25 kertaa metaania vähemmän.

Mikrobit korvaavat katalyytin

Hiilidioksidin ja vedyn konversiota metaaniksi kutsutaan Sabatieren reaktioksi. Se voidaan saada aikaiseksi metallikatalyyttien avulla korkeassa lämpötilassa kovan paineen avulla. Mikrobien avulla reaktio saadaan aikaiseksi alhaisemmassa lämpötilassa ja normaalissa ilmanpaineessa. Koska syntynyt metaani voidaan varastoida helposti, voidaan mikrobireaktoria kutsua puhekielessä mikrobiakuksi, joka sitoo energiaa kemiallisesti. Tällä tavalla sähkön hetkellinen ylituotanto, joka johtuu vuorokaudenajan ja vuodenajan vaihteluista, saadaan talteen ilman monimutkaista akkuteknologiaa.

Mikrobiologisen metaaniakun tarina sai alkunsa suolta, jossa elää metaania tuottavia arkeoneja, metanogeenejä. Metanogeenejä elää myös eräiden märehtijöiden elimistöissä sekä muissa anaerobisissa olosuhteissa. Mikrobit eristettiin metaaniakkua varten suosta ja vuosien aikana eliöyhteisö on kehitetty laboratoriossa hyvin tehokkaaksi metaanin tuottajaksi. Osa eliöistä on hydrogenotrofisia eli ne voivat käyttää suoraan vetyä energian lähteenä.

Höökiä häkäpönttöön

Mikrobiakun ominaisuudet ovat parhaimmillaan, kun sillä tehostetaan biopolttoaineiden käyttöä. Koko prosessi koostuu useista vaiheista. Ensin orgaaninen aines muunnetaan kaasuseokseksi rajoitetussa happimäärässä ja kovassa lämpötilassa. Tällä tavalla tuotettiin polttoainetta häkäpöntöissä, joilla korvattiin bensiiniä sota- ja pula-ajan Suomessa. Kaasuttamista kutsutaan pyrolyysiksi.

Pyrolyysireaktiossa syntynyt häkäkaasu, hiilimonoksidi, muunnetaan mikrobien avulla hiilidioksidi ja vedyksi. Tämän jälkeen kaasu muunnetaan mikrobiakulla metaaniksi ja tarvittaessa se voidaan varastoida.

Häkäpönttöautoja markkinoitiin aikanaan iskulauseella ”miksi rikastuttaa öljymaita, kun omat metsät ovat täynnä puuta”. Sama viesti pätee myös biotalouden aikaan, jossa taloudellisten kysymyksten ohessa pyritään ratkaisemaan myös ilmastonmuutokseen liittyvät haasteet. Pyrolyysitekniikan ympäristöystävällisyys kuitenkin riippuu siitä, mitä raaka-ainetta kaasutetaan. Tarkoitukseen sopivat monet jätteet, kuten metsäteollisuuden tuottama sahanpuru.

– Tällä hetkellä kehitämme kaasutusteknologiaa, että voisimme käyttää polttoaineena myös vaikeasti hyödynnettäviä materiaaleja, kuten ligniiniä tai muoveja, Qvidja Kraftin tuotekehitysjohtaja Anni Alitalo sanoo.

Tehoa mädätykseen

Mikrobiakun avulla voidaan myös saada enemmän irti mädättämällä valmistetusta biokaasusta. Raakakaasussa on mukana metaania, hiilidioksidia ja vettä sekä pieninä pitoisuuksina myös muita kaasuja. Jotta kaasu soveltuisi esimerkiksi liikennepolttoaineeksi, kaasuseoksesta on poistettava hiilidioksidia. Mikrobiakun avulla seoksesta voidaan erottaa yli kaksinkertainen määrä polttoaineena käytettävää metaania muihin menetelmiin nähden, eli samasta raaka-aineesta saadaan irti enemmän hyötyä.

Biokaasun tuotantoon voidaan käyttää hyvin monenlaisia lähtömateriaaleja, oikeastaan mitä tahansa, joka mätänee hapettomissa olosuhteissa. Energiana voidaan käyttää esimerkiksi lantaa, suojavyöhykkeiden nurmea, järviruokoa tai vaikka kalanperkuujätettä. Järkevintä on käyttää sellaisia aineita, jotka eivät sovi ruuaksi. Eri polttoaineista voidaan valmistaa eri määriä metaania, esimerkiksi nurmesta sitä saa enemmän kuin lannasta.

– Meillä on valtava määrä materiaalin sivuvirtoja, jotka voitaisiin hyödyntää polttoaineena tehokkaasti. Samalla parantaisimme työllisyyttä ja kansantaloutta sekä lisäisimme energiaomavaraisuutta ja -turvallisuutta, Anni Alitalo sanoo.

Paljon rakennetaan itse

Metaaniakun kehittäminen on vaatinut uudenlaisen rekatorin rakentamista, sillä toisin kuin monissa biologisissa prosesseissa, lähtöaineet ovat kaasumuodossa eivätkä ne liukene veteen erityisen hyvin.

– Kehitystyö on vaatinut todella monen eri alueen osaamista, mutta ennen kaikkea rohkeutta kokeilla uutta. Olemme rakentaneet paljon, koska valmiita ratkaisuja ei ole ollut tarjolla, Anni Alitalo sanoo.

Jopa mittausvälineitä on tarvittaessa tehty itse.

Qvidjassa kehitety energiantuotantotekniikka soveltuu pieneen mittakaavaan ja teknologia mahdollistaa monenlaisten polttoaineiden käytön. Teknologiaa on mahdollista käyttää paikalliseen energiantuotantoon esimerkiksi maatiloilla tai kylissä, joissa sekä biopohjaiset materiaalit että sähkön käyttäjät ovat lähellä eikä luonnonvaroja huku kuljetuksiin. Pienen mittakaavan energiaratkaisuilla on myös paljon kysyntää kehittyvissä maissa.

– Kyllä meillä tarvittaisiin niitä rakentelijapoikia ja -tyttöjä, joilla on lisäksi hyvä luonnontieteellinen osaaminen, ymmärrystä ohjelmoinnista ja ennen kaikkea intoa ja kokeilunhalua, Alitalo sanoo.

Teksti: Hanna Kaisa Hellsten

Juttu on ilmestynyt Naturan numerossa 3/2018.