Vesihiili hankkeessa selvitetään ja demonstroidaan biohiilen valmistusta ja käyttöä muun muassa vedensuodatussovelluksissa ja kasvatusalustana. Demonstraatioiden myötä hanke kartuttaa tietotaitoa biohiilen suodatuskäytöstä kenttäkokeiden kautta samalla parantaen biohiilen valmistukseen perustuvan kiertotalouden liiketoiminnan käynnistymistä. Toimenpiteiden kautta luodaan edellytyksiä biohiilen tuotantoon liittyvän uuden elinkeinotoiminnan muodostumiselle erityisesti haja-asutusalueilla.

Kansallisen biotalousstrategian mukaan tavoitellaan biotalouden arvonlisän kaksinkertaistamista nykyisestään ja biohiilen nähdään tarjoavan tähän suurta potentiaalia. Biohiilestä on tehty vuosien varrella runsaasti selvityksiä, mutta kokonaiskuvaa sen markkinoinnista ja arvonlisäpotentiaalista ei ole. Biohiilituotteiden markkinoiden ymmärrys on vielä heikkoa ja potentiaaliset tarjoajat ja käyttävät eivät vielä kohtaa. Lisäksi on tarpeellista tunnistaa tuotannon esteet ja hahmottaa tuotantoon liittyvät esteet.

Suomessa nähdään merkittävä mahdollisuus integroida biohiilen tuotanto osaksi metsäteollisuuden prosesseja, kaukolämmön tuotantoa (tukemaan energiajärjestelmien joustavuutta) sekä biokaasulaitoksia. Biohiilen kysyntään tukevat kasvavat päästövähennykset sekä tarve vähentää riippuvuutta fossiilisista hiilenlähteistä. Edellytyksenä on kuitenkin markkinakasvu useissa eri loppukäyttösektoreissa.

Biohiilen tuotantotekniikat

Biohiiltä voidaan valmistaa useilla eri tekniikoilla (nopea pyrolyysi, kaasutus ja torrefiointi), mutta kaikkein eniten käytetään hidaspyrolyysiä tai HTC-menetelmää (märkähiilto). Hidaspyrolyysi on yksi tehokkaimmista ja ympäristön kannalta houkuttelevimmista termokemiallisista prosesseista sekä biomassan että jätteiden muuntamiseksi energiatuotteiksi lämmön avulla hapettomissa olosuhteissa. Valmistettua biohiiltä on käytetty jo tuhansia vuosia ja nykyään sitä valmistetaan hidaspyrolyysillä lähinnä maanparannusaineiden lisäksi adsorbentiksi vedenpuhdistukseen sekä biopolttoaineeksi. Biomassan hidaspyrolyysin lämpötilaväli on yleensä 300–650 °C alkaen 300 °C:n lämpötilasta ja nousee prosessin aikana melkein 700 °C:n lämpötilaan. Parhaan mahdollisen hiilisaannin varmistamiseksi suositaan matalaa lämpötilaa ja pitkää haihtumisaikaa, korkeissa lämpötiloissa kaasujen muodostuminen lisääntyy. Hidaspyrolyysin päätuote on biohiili, jota muodostuu noin 30–40 % raaka-aineen massasta. Lisäksi syntyy kaasujae noin 25–35 % ja nestejaetta 25–30 % (koostuu pääasiassa pyrolyysikaasuista kondensoituneesta vedestä, tervasta ja muista yhdisteistä, kuten etikka). Prosessiolosuhteita säätämällä voidaan vaikuttaa näiden jakeiden suhteisiin. Vastaavasti kondensoimattomia kaasuja (vety, hiilidioksidi, häkä ja metaani) voidaan hyödyntää energiakäytössä, biomassan kuivauksessa tai pyrolyysireaktorin lämmityksessä.

Lopputuotteen eli biohiilen laatuun voidaan vaikuttaa useilla tekijöillä, joista keskeisimmät ovat raaka-aineen valinta ja sen esikäsittely, käytetty prosessilämpötila ja -aika. Prosessi olosuhteet määrittävät myös biohiilen hiilipitoisuuden ja -saannon, huokoisuuden ja kemialliset ominaisuudet sekä pyrolyysikaasujen ja -nesteiden muodostumisen määrän. Hidaspyrolyysin ehdoton etu on sen skaalautuvuus eri tuotantomittakaavoihin, joustavuus raaka-aineen suhteen sekä mahdollisuus tuottaa halutun laatuista biohiiltä prosessiolosuhteita muuttamalla. Teknologian operointikustannukset ovat hyvin maltilliset johtuen prosessin automatisoinnista ja omavaraisuudesta. Lisäksi prosessi syntyville jakeille on jo olemassa sovelluskohteet, mutta biohiilen valmistuksen integrointia ulkoiseen lämmöntarpeeseen ei vielä hyödynnetä.

Toinen yleisesti käytössä oleva menetelmä HTC-prosessi on termokemiallinen prosessi, jossa veden läsnä ollessa orgaanisesta raaka-aineesta valmistetaan ruskohiiltä muistuttavaa kiinteää ainetta, jota kutsutaan HTC-hiileksi tai märkähiileksi. Prosessin lämpötila on tyypillisesti 180–250 ⁰C kyllästetyn höyryn paineessa useiden tuntien ajan. HTC-prosessiin soveltuvat monenlaiset biomassat ja se vähentää syötemateriaalin happi- ja vetypitoisuutta. Päätuotteena syntyy kiinteää hiiltä noin 50–80 %, nestefaasia 5–20 % sekä pieni 2–5 % kaasufaasi. Prosessin etuina ovat sen matalat prosessivaatimukset, stabiili ja myrkytön lopputuote sekä soveltuvuus hajautettuihin penimuotoisiin sovelluksiin. HTC-prosessilla on mahdollisuus käsitellä suhteellisen korkean kosteuspitoisuuden omaavia materiaaleja, kuten esimerkiksi lietteitä ilman erillistä kuivausta.

Panostoiminen hiiletin vesihiili hankkeen ratkaisuna

Panostoimisilla biohiilen valmistuslaitteistolla tarkoitetaan laitteita tai laitekokonaisuuksia, joissa tyypillisesti ei prosessiin voida hiiletyksen aikana lisätä hiiletettävää materiaalia. Laitetekniikan myötä tuotantokapasiteetti vaihtelee muutamista kiloista satoihin kiloihin valmista biohiiltä. Prosessin toiminta perustuu ulkoiseen lämmönlähteeseen, joita ovat kaasut, pyrolyysiöljyt, sähkö ja klapit. Käytettävät raaka-aineet asettavat omat vaatimuksena prosessille. Panostoimisissa biohiilen valmistuslaitteessa pyrolysointi toteutetaan useasti sylinterin muotoisessa astiassa, joka on asetettu joko vaaka asentoon tai pystyasentoon. Ongelmaksi yleensä muodostuu kosteiden ja tiiviiden jakeiden pyrolysointi koska materiaali ei pääse sekoittumaan prosessin aikana vaan jää tiiviiksi patjaksi sylinterin pohjalle. Panostoimisten laitteiden toiminta aikaan vaikuttavat hiiletettävän materiaalin määrä ja tarvittavat lämpötilat, jotta riittävä hiiletys lämpötila saavutetaan, on prosessin toimittava moitteettomasti.

Vesihiili-hankkeessa on tavoitteena hankkia biohiilen tuotantoon soveltuva laitteisto, jolla voidaan turvallisesti valmistaa laadukasta biohiiltä oppilaitosympäristössä, vertailla ja selvittää biohiilen tuotannosta aiheutuvia päästöjä sekä selvittää laitteiston soveltuvuutta maatiloille sivuelinkeinoksi. Koska markkinoilta ei löytynyt hankkeen tavoitteisiin soveltuvaa laitteistoa, päätettiin se suunnitella itse. Laitteistotekniikassa päädyttiin panostoimiseen biohiilen valmistuslaitteistoon, joka hyvällä suunnittelulla mahdollistaa myös itse hiiletettävän materiaalin kuivaamisen itse biohiilen valmistuksen lisäksi. Alla on esitetty havainnekuva sylinterin mallisesta panostoimisesta hiilettimestä.

Hiiletin koostuu hieman alta sadan litran kokoisesta sylinterin mallisesta reaktorista, jossa käsittelylämpötila-alue on säädettävissä aina 20 asteesta 700 asteeseen. Lisäksi reaktorissa on lapasekoitus ja sekoituksen suunta on vaihdettavissa. Laaja lämpötilan käsittelyalue mahdollistaa materiaalin kuivaamisen ja sekoitus varmentaa materiaalin tasaisen käsittelyn. Laitteistossa on vielä erillinen yhde tisleiden talteenottoon.

Laitteisto on rakennettu yhteistyössä Varkauden alueen yritysten kanssa; hiiletin on valmistettu Leppävirtalaisella konepajalla Metweldingillä ja sähkö- ja automaatiosta on vastannut Sorsakoskelainen Savon Automation Oy.

Vesihiili hankkeessa on parhaillaan menossa hiilettimen käyttöönotto. Ensimmäisessä vaiheessa laitteistoa testataan materiaalin kuivaamiseen ja seuraavana sen saman materiaalin hiilettämiseen. Hankkeessa on lisäksi hankittu erillinen biohiilen modifiointiin tarkoitettu laitteisto, jolla voidaan käsitellä biohiiltä erilaisin käyttötarkoituksiin, kuten maanparannusaineeksi. Varkauden energiatekniikan tutkimuskeskus pyrkii keskittymään biohiilen tuotannossa kokonaiskuvaan biohiilen tuotannon kannattavuudesta eri lähtömateriaaleista, muodostuvien päästöjen määrästä sekä prosessissa muodostuvan lämmön talteenotosta tai sen jatkohyödyntämisestä.

Vesihiili-hanke on EU:n osarahoittama hanke, jota on rahoitettu Oikeudenmukaisen siirtymän rahastosta (JTF) ja rahoittavana viranomaisena toimii Pohjois-Savon liitto.

---

Kirjoittajat

TKI-asiantuntija Maarit Janhunen

Tutkimusinsinööri Raquel Mier Gonzàlez

Tutkimusinsinööri Janne Ylönen

Tutkimusinsinööri / projektipäällikkö Olli Torvinen

Kaikki kirjoittavat edustavat Savonia-ammattikorkeakoulua.

---

Lähteet

Salo, E., Siipola, V., Raitila, J., Björnström, M. & Karlsson, M., Biohiili osana suomalaista biotaloutta, VTT, 2025

Biotalous, Suomen biotalousstrategia, noudettu lähteestä: www.biotalous.fi

Bioenergia ry, noudettu lähteestä: www.bioenergia.fi/biohiili

---