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.

Energiatekniikan toteutuksessa on kehittämishankkeen rinnalla investointeja, jossa on hankittuna High Temperature HR-ELPI®+ (High Resolution Electrical Low Pressure Impactor) (Kuva 1).

Laiteen toimintaperiaate

ELPI®+ -mittalaitteella voidaan suorittaa reaaliaikaisena hiukkaskokojakauman ja kokonaispitoisuuden mittauksia. ELPI®+ kattaa laajan hiukkaskokojen alueen 6 nm:stä 10 μm:iin käyttäen yhtä mittaustekniikkaa. HT-yksikön ansiosta laitteella voidaan mitata kaasuja 10–180 °C lämpötilassa ilman laimennusta tai näytteen esikäsittelyä. Tämä mahdollistaa tarkat mittaukset myös alhaisilla hiukkaspitoisuuksilla ja ilman näytteen muuntumisriskiä laimennuslaitteistossa. (Dekati 2024)

Mittausprosessi alkaa hiukkasten varauksella tunnetulle tasolle koronavaraajassa. Nämä varatut hiukkaset lajitellaan niiden aerodynaamisen hiukkaskoon mukaan, joka kuvaa hiukkasen käyttäytymistä ilmassa ja vastaa yksikkötiheyden omaavan pallon halkaisijaa, jolla on samat aerodynaamiset ominaisuudet kuin todellisella hiukkasella. Koon luokittelu tapahtuu 14-asteisessa alipaineisessa kaskadi-impaktorissa. Impaktorin ensimmäinen aste toimii esierottimena, poistaen näytteestä hiukkaset, jotka ovat suurempia kuin 10 μm. Viimeinen aste, joka kattaa 6 nm – 16 nm, on suodatinaste, joka kerää hiukkaset, jotka ovat liian pieniä kerääntyäkseen impaktiolla edeltäville asteille. Jokainen aste on sähköisesti eristetty ja varustettu herkällä elektrometrillä, joka mittaa kerättyjen hiukkasten kantaman varauksen. Tuloksena syntyvä virtasignaali on suoraan verrannollinen hiukkasten lukumääräpitoisuuteen ja kokoon. (Dekati 2024)

ELPI®+ -mittalaite luokittelee hiukkaset 14 kokoluokkaan, mutta HR-ELPI®+ -ohjelmiston avulla luokitusta voidaan laajentaa jopa 500 kokoluokkaan, mikä mahdollistaa erittäin yksityiskohtaisen analyysin (Dekati® 2024). Nykyiset sovellukset eivät vaadi kemiallista tai gravimetristä analyysiä, mikä mahdollistaa sintrattujen keräyslevyjen pitkäaikaisen ja huoltovapaan käytön.

Mittausvalmiudet

Kuten aiemmin mainittiin, uuden HT-ELPI®+ -laitteen avulla voidaan mitata korkealämpötilaisia aerosoleja suoraan ilman laimennusta tai näytteen esikäsittelyä. Tämä mahdollistaa suuremman joustavuuden projektien ja kumppaneiden tukemisessa, sillä palvelut voivat nyt kattaa laajan sovellusalueen, kuten palamisprosessien tutkimukset ja päästömittaukset, savukaasun puhdistuslaitteiden kehityksen ja optimoinnin, sekä yleisen hiukkastutkimuksen. Laitteen siirrettävyyden ansiosta mittaukset voidaan suorittaa suoraan asiakaskohteissa.

Vesihiili-hankkeessa ELPI®+ -mittalaitetta käytetään määrittämään biohiilen tuotannon aikana syntyvien aerosolihiukkasten koko ja pitoisuus. Biohiili tuotetaan biomassasta pyrolyysillä korkeissa lämpötiloissa hapettomassa tai vähähappisessa ympäristössä. Hitaassa pyrolyysissä lämpötilat vaihtelevat 300–700 °C:n välillä, kun taas nopeassa pyrolyysissä ne voivat nousta 500–1000 °C:een (Afshar ja Mofatteh 2024). Tämä prosessi tuottaa myös muita sivutuotteita, kuten bioöljyä ja synteesikaasua. Näiden sivutuotteiden myöhempi poltto aiheuttaa päästöjä, jotka riippuvat useista tekijöistä, kuten prosessiolosuhteista ja raaka-aineesta. Tyypillisesti nämä päästöt sisältävät muun muassa hiilidioksidia (CO2), hiilimonoksidia (CO), rikkidioksidia (SO2), typen oksideja (NOx), metaania (CH4) sekä aerosoleja.

ELPI®+ mahdollistaa reaktorin prosessiparametrien, kuten lämpötilan, viipymäajan ja raaka-aineen, vaikutuksen aerosolipäästöihin pyrolyysiprosessin aikana. Tieto on tärkeää reaktorin suorituskyvyn parantamiseksi ja varmistamaa, että biohiilen tuotantojärjestelmät täyttävät ympäristöstandardit. Lisäksi hiukkasten käyttäytymisen ymmärtäminen auttaa kehittämään puhtaampia biohiiliteknologioita ja arvioimaan erilaisten tuotantopolkujen kestävyyttä.

Energiatekniikan palveluihin kuuluu akkreditoitu päästöjenmittaus gravimetrisellä menetelmällä. Tämä menetelmä on standardin SFS-EN 13284-1:2017 mukainen standardireferenssimenetelmä (SRM). Kaasunäytettä otetaan isokineettisesti pääkaasuvirrasta tietyn ajan ja tilavuusmäärän verran. Näytteen hiukkaset kerätään esipunnitulle suodattimelle, ja myös suodattimen yläpuolelle kertyneet hiukkaset otetaan talteen. Suodattimen painon lisäys sekä seinämäkertymien massat edustavat näytekaasun hiukkasia, ja näiden perusteella lasketaan hiukkaspitoisuus.

ELPI®+:n vertaaminen tähän gravimetriseen menetelmään tuo esiin, miten lukumäärään ja massaan perustuvat lähestymistavat eroavat toisistaan, erityisesti hienojen ja ultrapienten hiukkasten kohdalla, joissa massa on hyvin pieni mutta lukumääräpitoisuus suuri. Lisäksi ELPI®+:n tuloksia voidaan verrata laitoksen kiinteiden päästömittalaitteiden tuloksiin sekä gravimetriseen menetelmään laadunvarmistuskeinona, mikä lisää tulosten luotettavuutta.

ELPI®+ koulutus

Dekatin asiantuntijat järjestivät kahden päivän koulutuksen ELPI®+ -laitteesta Riikinvoiman voimalaitoksella, joka tuottaa puhdasta energiaa yhdyskuntajätteestä 54 MW:n kiertoleijukattilalla (Riikinvoima s.a.). Koulutuksen aikana Varkauden Kampuksen Vesihiili-hankkeen tutkimusryhmä sai tietoa aerosolien perusteista, ELPI®+ ja HT-ELPI®+ -laitteiden rakenteesta ja toimintaperiaatteista sekä keskeisistä huoltotoimenpiteistä. Käytännön harjoituksiin kuului HT-ELPI®+ -järjestelmän kokoaminen ja reaaliaikaisten mittausten suorittaminen (Kuva 2).

Koulutuksessa opittiin myös suorittamaan datan analysointia DAT-ohjelmistolla. Seuraavassa kuvaajassa (Kuva 3) on esitetty tyypillinen data mitä laitteelta saadaan, joka havainnollistaa hiukkasmassakonsentraatiojakaumaa mitatuilla halkaisija-alueilla. Koulutus päättyi mittauslaitteiston purkuun ja jälkihuoltoon, mikä varmistaa, että tiimi hallitsee hiukkasanalyysiin tulevissa sovelluksissa.

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

---

Kirjoittajat:

Tutkimusinsinööri Raquel Mier González, Savonia-amk

TKI-asiantuntija Maarit Janhunen, Savonia-amk

Tutkimusinsinööri Janne Ylönen, Savonia-amk

Technical sales specialist Markus Nikka, Dekati Oy

Technical support engineer Paxton Juuti, Dekati Oy

---

Lähteet:

Dekati® 2024. ELPI®+ User Manual Ver 1.7.

Afshar, M. & Mofatteh, S. 2024. Biochar for a sustainable future: Environmentally friendly production and diverse applications. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102433.

Riikinvoima s.a. Briefly in English. https://riikinvoima.fi/briefly-in-english/. Viitattu 12.11.2025.

---