Värmeenergi från halm på lantgårdar

RE-maatila |

Riina Lahtomäki, Seinäjoki yrkeshögskola

Finland hör till de ledande länderna gällande användningen av förnybara energikällor. De viktigaste formerna av förnybar energi i Finland är bioenergi, vattenkraft, vindkraft, jordvärme och solenergi.  De mest använda källorna för bioenergi är trä och träbaserade bränslen. (Uusiutuva energia Suomessa) Det går att utnyttja också andra än träbaserade biobränslen i vårt land. Förbränning av halm på lantgårdar är ett alternativ för produktionen av förnybar energi. Även i vår nationella energi- och klimatstrategi lyfts jordbrukets biomassor fram som råvara för en i framtiden ökande bränsleproduktion. I strategin betonas produktionen och användningen av växter och växtdelar för annat än mat. (Nationella energi- ja klimatstrategin 2013) Förbränning av halm till energi går alltså också väl ihop med de nationella målen.

Närmat har blivit en trend bland konsumenterna under senare år. Konsumenterna har ett växande intresse av att känna till ursprunget för och miljöeffekterna av den mat de äter. Till samma familj av närproducerat som närmaten hör också närenergin. Genom att bränna halm får vi verklig närenergi, då halmen produceras på gårdens egna åkrar som en biprodukt av spannmålsproduktionen. (Pesola 2012)

Arbets- och näringsministeriet har i sin publikation Selvitys energiapolitiikan vaihtoehdoista som ett långsiktigt mål definierat att jordbruk och landsbygden borde vara självförsörjande med energi. Målet är också att de skulle producera energi till försäljning. Samtidigt skulle betydelsen av energiproduktion på jordbruk och hos övriga spridda producenter växa, som en del av det nationella energinätet. (Selvitys energiapolitiikan vaihtoehdoista 2015) Genom lokal energiproduktion kan ny företagsamhet på landsbygden skapas. Samtidigt kan lokala energiresurser, såsom halm och andra åkerbiomassor, utnyttjas.

Tillgänglig halmskörd
Under år 2016 odlades i Finland spannmål på ca 1,1 milj. hektar. Mest odlades foderkorn (ca 408 000 hektar) och havre (ca 330 000 hektar). (Käytössä oleva maatalousmaa ELY-keskuksittain 2016) Det uppkommer ungefär lika mycket halm som korn, dvs. ca 2 000-4 000 kg/ha (Laurila & Saarinen 2014). För förbränning lämpar sig förutom halm från spannmål också halm från ryps och raps. Halmskörden från dessa uppgår till i medeltal 1 945 kg/ha. (Alakangas et al. 2016) Odlingsarealen för ryps och raps uppgick år 2016 i Finland till ca 62 000 hektar (Käytössä oleva maatalousmaa ELY-keskuksittain 2016).

Hur stor skörd som kan bärgas beror på växtlighetens täthet, odlingsväxt och växtsort, geografi, tröskans exakthet och i betydande grad tröskningshöjden (Pahkala & Keskitalo 2006). Om tröskningshöjden är 30 cm, blir 29-53 % av den totala mängden halm kvar på marken. Genom att minska tröskningshöjden till 10 cm ökar den mängd halm som kan bärgas med 14-32 procentenheter. Då tröskningskapaciteten höjs, tröskar man med längre stubb. I det fallet minskar dock den mängd halm som kan bärgas. (Pahkala & Lötjönen 2015) Vid spannmålsförädlingen har trenden gått mot kortare strån och senare sorter. Detta är dock en nackdel, om man vill bärga halm för energiutvinning, eftersom ett kort strå minskar skörden och en senare tröskning förskjuter halmbärgningen till en tidpunkt med mer ostadiga väderförhållanden. (Pahkala & Lötjönen 2015)

Halm används på gårdarna även som torrströ och foder. Av den totala mängden halm behövs ca 20 % som torrströ. Detta varierar dock regionvis med mängden husdjur. (Laurila & Saarinen 2014)

Halm som lämnats kvar på åkern har en förbättrande effekt på markens struktur och biologiska aktivitet. Mängden organiskt material i marken ökar och vattenhushållningen förbättras. En mark i gott skick går att bearbeta och den kvarhåller näringen väl. Det lönar sig inte att bärga halmen varje år. Jordmånen och markens organiska substans och näringshalt avgör, hur ofta halmen kan bärgas. (Laurila & Saarinen 2014) Också exempelvis markens erosionskänslighet, växtföljd och skördenivåer inverkar på hur ofta halmbärgning är möjlig utan att förorsaka problem för markens kondition. Genom att använda stallgödsel som gödselmedel tillförs marken organiskt material. Då kan det vara möjligt att bärga halm från åkern oftare än på gårdar där gödsel inte används som gödselmedel. En exakt definition för hur ofta halm borde bärgas kan alltså inte ges, men i litteraturen har exempelvis vartannat eller vart tredje år uppskattats vara lämpligt. (Pahkala & Lötjönen 2015) På åkrar som ska direktsås kan det dock vara till fördel att bärga halmen. Halmbärgning kan minska sjukdomstrycket och försnabba åkerns upptorkning till såningsskick under våren. (Laurila & Saarinen 2014)

Bärgning och lagring av halm
Vid tidpunkten för bärgning borde fukthalten i den halm som ska brännas vara högst 25 % för att undvika att balarna möglar. Vid tröskningstidpunkten kan halmens fuktighet var klart högre, så några dagars torkning på åkern är i allmänhet av nöden. (Pahkala & Lötjönen 2015) Definierat utgående från nederbördsstatistiken finns det i medeltal 10-12 skördedagar per år. (Pahkala & Keskitalo 2006) En regnig höst kan halmbärgning förhindras på en del eller t.o.m. alla skiften. Att torka halm på konstgjord väg är knappast ekonomiskt lönsamt. Mest sannolikt får man halmen bärgad på skiften med tidigt skördad höstsäd. (Äijäläinen 2016) Vårbärgning av halm är också möjlig, om det inte finns behov för höstplöjning av åkern.

Vid halmbärgningen sker slåttern under tröskningen och efter tröskningen är halmen färdigt i sträng. Om vädret är torrt, behöver halmen inte luftas. Strängarna kan dock behöva kombineras. Den allmännaste metoden för bärgning av halm är balning. Majoriteten av de balpressar som används i Finland är rundbalare. (Laurila & Saarinen 2014) Balarnas täthet varierar. Beroende på hur tät rundbalen har gjorts varierar tätheten mellan ca 80 kg/m3 och 120 kg/m3 . Vid användning av fyrkantsbalare uppnås en täthet på ca 150 kg/m3. (Äijäläinen 2016)

Halm kan skördas också med slag- eller exakthack. I det fallet behövs dock stora mängder lagringsutrymme, eftersom tätheten hos halm som lagras hackad är synnerligen låg. Inpackning i tub kunde vara en alternativ lagringsform för hackad halm. Genom att använda en packningsmekanism går det att packa halmhacket ganska tätt i tuben. Plastkostnaden blir lägre jämfört med inpackning av enskilda balar i plast. Hackad halm kan konserveras också i sträng. Härvid bör strängens placering väljas med omsorg, så att yt- och regnvatten inte kan rinna in i strängen och väta ner halmen. (Knuutila 2006)

Lagringen borde skötas så att halmen inte kan bli våt. Halmbalarna borde gärna förvaras upplyfta från marken, t.ex. på lastpallar, så att markfukten inte kan tränga in. Om gården har tillgång till ett takförsett lagringsutrymme, är det alltid den bästa lagringsplatsen. Att omsorgsfullt täcka in halmbalarna med plast kan också vara en fungerande förvaringslösning. Inlindad i plast hålls halmen torr, men plasten ger upphov till betydande tilläggskostnader. En fuktig halm möglar och blir varm, varvid halmens värmevärde minskar. Arbetare som hanterar mögliga halmbalar blir utsatta för mögeldamm. Att bränna fuktig halm är inte bra heller av den orsaken att det vid förbränningen uppkommer förbränningsprodukter som förorsakar varmkorrosion. (Laurila & Saarinen 2014)

Tätheten kan ökas genom att halmen pressas till briketter eller pellets. På det viset kan halmens täthet ökas till nivån 500-600 kg/m3. Hanteringen av halmen ökar dock kostnaderna. (Laurila & Saarinen 2014) Det allra nyaste inom pelletsproduktionen är Krones mobila pelleteringsmaskin Premos 5000, som inom kort ska introduceras på marknaden. Maskinen kan tillverka pellets direkt från en sträng, varvid balningsskedet helt faller bort. Pellets tillverkade på detta sätt kan användas såväl till energi, till foder som till torrströ. Maskinen kan användas även stående på stället, varvid pelletsproduktion är möjlig året om. I det fallet måste halmen dock balas. Fukthalten i halm som ska pelleteras direkt på åkern får vara högst 16 %. (Premos 5000 2016)

 

Figur 1. Den mobila pelleteringsmaskinen Premos 5000. (Premos 5000 2016)

Halmens egenskaper
Det effektiva värmevärdet i torr halm varierar mellan 16,7 och 17,8 MJ/kg ts beroende på växt. I praktiken innehåller halm alltid fukt, vilket minskar halmens värmevärde. I tabell 1 presenteras värmevärde hos halm av olika växter. (Alakangas et al. 2016)

Tabell 1. Halmens effektiva värmevärde i torrsubstansen och med 20 %:s fukthalt (Alakangas et al. 2016)

I halm av spannmål finns det 4,5-6,5 % aska och i halm av ryps 2,4-2,86 %. Variationen beror på växtsort, växtplats och gödsling. Mest aska finns det i vetehalm. Smältningstemperaturerna för aska från spannmålshalm är lägre. De sämsta smältningsegenskaperna har havrehalm. Askans smältpunkt kan höjas genom att exempelvis bärga halmen sent. (Alakangas et al. 2016) Askan smälter med stor variationsbredd beroende på vilka föreningar den innehåller. I pannan kan askan bilda avlagringar genom att fastna på pannans ytor. Askpartiklarna kan också sintra. (Kuittinen 2012)

Askans kemiska sammansättning varierar med växtens ålder, väderförhållandena, jordmånen och gödslingen. Halmens klor- och alkalihalter kan vara synnerligen höga. Om halmen får ligga på åkern i regn, sjunker klor- och alkalihalterna betydligt. (Alakangas 2016) Då minskar risken för varmkorrosion av pannan.

Halmaska kan användas som gödselmedel, men även om den sprids bara på egna åkrar ska halten av oorganiska skadliga ämnen underskrida de gränsvärden som lagstiftningen uppställer (tabell 2). Kadmium är ofta det grundämne som förhindrar användning av aska som gödselmedel på åkern. Även askans fosforhalt kan begränsa spridning av den på åkern. (Lötjönen, Kouki & Vuorio 2011)

Tabell 2. Maximala halter av skadliga ämnen i askgödsel, då aska används som gödselmedel på åkrar. (Tuhkan käyttö lannoitteena 2016)

Halmenergins pris
Halm uppkommer som en biprodukt vid odling av spannmål, vilket gör att speciella kostnader för etablering av växtsamhällen eller gödsling inte uppstår. Någon extra slåtter behövs inte heller, utan den sker med tröskan. De kostnader som hänför sig till enbart halmen är sålunda bärgning, lagring och transport. Halm kan prissättas på olika sätt. Prissättningen kan basera sig på halmens gödslingsvärde eller på dess förbränningsvärde. (Äijäläinen 2016) På MTT har man uppskattat bärgnings- och lagringskostnaderna för halm vid åkerrenen, då bärgningen görs med egna maskiner. Työtehoseura har också gjort en entreprenadenkät om detta. Enligt dessa skulle den vanligaste bärgningsmetoden, dvs. rundbalning och lagring av balarna i sträng, även vara den förmånligaste. Utfört med egna maskiner skulle priset bli något under 30 euro per ton torrsubstans. Som entreprenad skulle motsvarande bärgnings- och lagringskonstader uppgå till knappt 50 euro per ton torrsubstans. (Lötjönen & Kässi) I ProAgrias bok Energiguide för lantbrukare används priset 40 euro för ett ton halm med 20 % fukthalt (moms 0 %) och nettopriset för halmenergi blir 11 €/MWh. (Kari 2009) I sin artikel i Käytännön Maamies 9/2011 uppger Fredrik Ek att halmens energikostnad är 12 € /MWh med beaktande av verkningsgraden och hävdar att halm är Finlands billigaste bränsle (Ylhäinen 2011).

I en publikation från Statistikcentralen finns energiprisen för värmeproduktion i juni 2016. Priset för energi producerad med stenkol var 32,21 €/MWh (moms 0 %), med naturgas 39,34 €/MWh (moms 0 %), med skogsflis 21,07 €/MWh (moms 0 %) och med frästorv 15,38 €/MWh (moms 0 %).

Som konsumentpris för värmeenergi i juni 2016 angavs för lätt brännolja 81,3 €/MWh (moms 24 %), för hushållsel 116,5 €/MWh (moms 24 %), för träpellets 58 €/MWh (moms 24 %) och för fjärrvärme 77,15 €/MWh (moms 24 %). (Energian hinnat 2016)

Teknologi
För förbränning av halm finns det dels satseldade pannor och dels kontinuerliga. Den satseldade pannan är den förmånligare av dessa och ett enklare alternativ, som inte kräver skild inmatningsutrustning. (Boiler Plants for Farms 1998) De maskiner som behövs för hantering av balarna finns i allmänhet redan och även om den satseldade pannan kräver närvaro, utgör det i allmänhet inget problem på gården.


Figur 2. Pannenhet tillverkad av Overdahl (Kemiön Hake Oy)


Figur 3. Panna för hela balar från insidan (Riina Lahtomäki)


Figur 4. Halmförbränningsanläggning med automatisk matning och balrivare (Boiler plants for farms)

Halm passar bra att bränna uppblandat med andra bränslen. På gårdarna finns det ofta trä, kvistar, stubbar eller papper som kan brännas. Till en jordbruksfastighet lönar det sig därför att välja en panna, där det är möjligt att bränna allt detta. Träets värmevärde är högre än halmens. Därför lönar det sig att bränna ved, då det behövs mycket värme. Övergång från ett bränsle till ett annat eller blandförbränning är möjlig, då man till gården valt en panna som möjliggör förbränning av flera sorters bränslen. (Anttila-Lindeman 2014)

Flisad halm kan också brännas med samma utrustning som man använder för att bränna flis eller torv (Knuutila 2006). I det här fallet kan halmen bärgas från åkern med exempelvis en slaghack och lagras i sträng. Byggkostnaderna för värmeverk som lämpar sig för halmförbränning är beroende av vilken pannmodell som väljs och av om balarna ska brännas hela eller om en separat rivare behövs. Kostnaderna stiger också, om det görs briketter eller pellets av halmen.

Rörflen, vass och skyddszonsgräs i energiproduktionen
Rörflen odlades i Finland år 2016 på 4 500 ha. Rörflen bärgas på våren. Vintern sköljer bort skadliga ämnen, såsom klor och alkalimetaller, från växtbeståndet. Det växtbestånd som bärgas på våren är också mycket torrt. Rörflen ger skördar på 3 000-7 000 kg ts/ha. (Lötjönen et al. 2011). Som växt är rörflenet mångårigt och vinterhärdigt. Det är också långlivat, så växtbeståndet behöver inte förnyas speciellt ofta. Det kan gå t.o.m. 15 år mellan gångerna. Rörflen trivs i nästan alla jordarter. Nysådda växtbestånd är dock känsliga för uttorkning. Också jordpackning är skadligt för växterna. Den första skörden av rörflen bärgas två år efter sådden och de bästa skördarna fås först från mer än treåriga vallar. (Pahkala & Keskitalo 2006)

Rörflenets energiinnehåll är 17,6 MJ/kg ts, dvs. väldigt nära halmens. Då rörflenet skördas på våren, är dess fukthalt endast 10-15 % och kvalitetsegenskaperna goda för energibruk. Rörflen kan brännas uppblandat med träbaserade bränslen. (Pahkala & Keskitalo 2006). Rörflenet väntades bli en betydande åkerenergiväxt i Finland och odlingsarealerna växte snabbt. Intresset för att odla rörflen har dock sjunkit på grund av överutbud och minskad efterfrågan. I förbränningsanläggningar har det lätta rörflenet förorsakat problem, då det har rört sig dåligt i transportörer. I förbränningsanläggningar ska rörflenet blandas med andra bränslen. (Laurila & Saarinen 2014)

Vid södra Finlands havsstränder växer det vass på ett 30 000 ha stort område och dess uppskattade årstillväxt är i medeltal 5 000 kg ts/ha. I den undersökning som Lötjönen et al. (2011) gjorde stannade skörden rejält under det här. Det är ganska utmanande att skörda vass, eftersom det görs under vintern från isen. Då vattnet inte är tillfruset, måste bärgningen göras från flotte. (Lötjönen et al. 2011). Fodervärdet för skyddszonsgräs är dåligt, men det borde ändå slås en gång om året och skörden föras bort. Ett alternativ är att använda skyddszonsgräset för energiproduktion. Skyddszonsgräs kan bärgas på samma sätt som torrhö. Skyddszonerna är ofta smala, små och sluttande, vilket förorsakat speciella problem vid bärgningen, som därför kan ta rätt mycket tid. (Lötjönen et al. 2011)

Källor:

Alakangas, E., Hurskainen, M., Laatikainen-Luntama, J. & Korhonen, J. 2016. Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. [Verkkojulkaisu]. Espoo: Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy. [Hämtat 18.11.2016]. Tillgängligt: http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2016/T258.pdf

Anttila-Lindeman, H. 2014. Olki lisää tilan omavaraisuutta. Maatilan Pellervo 12/2014.

Boiler Plants for Farms. 1998. [Nätpublikation]. Centre for Biomass Technology. [Hämtat 7.12.2016]. Tillgängligt: http://www.videncenter.dk/gule%20halm%20haefte/Gul_Engelsk/halm-UK05.pdf

Energian hinnat. 2. neljännes. 2016. [Nätpublikation]. Helsingfors: Statistikcentralen. [Hämtat 25.11.2016]. Tillgängligt: http://www.stat.fi/til/ehi/2016/02/ehi_2016_02_2016-09-07_fi.pdf

Nationella energi- och klimatstrategin. 2013. [Nätpublikation]. Helsingfors: Arbets- och näringsministeriet. [Hämtat 16.11.2016]. Tillgängligt: http://tem.fi/documents/1410877/2626968/Energia-_ja_ilmastostrategia_2013.pdf/ce0e9b73-f907-454b-b52b-87fa9fa481d2

Knuutila, J. 2016. Täysosuma oljen polttokokeessa kotimaisilla laitteilla. Maatilan Pellervo 5/2006.

Kuittinen, T. 2012. Biopolttoaineiden ominaisuudet. [Kandidatarbete]. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Teknillinen tiedekunta. [Hämtat 22.12.2016]. Tillgängligt: https://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/88854/Biopolttoaineiden%20ominaisuudet.pdf?sequence=1

Käytössä oleva maatalousmaa Ely-keskuksittain. 2016. [Nätpublikation]. Helsinki: Luonnonvarakeskus. Tilastopalvelut. [Hämtat 7.12.2016]. Tillgängligt: http://statdb.luke.fi/PXWeb/pxweb/fi/LUKE/LUKE__02%20Maatalous__04%20Tuotanto__22%20Kaytossa%20oleva%20maatalousmaa/01_Kaytossa_oleva_maatalousmaa_ELY.px/table/tableViewLayout1/?rxid=5390e74f-982c-4498-8448-e6db4f36b0c7

Laurila, J. & Saarinen, J. 17.10.2014. Peltobiomassojen korjuu ja sen ympäristövaikutukset – kohdealueena Varsinais-Suomi ja Satakunta.  [Nätpublikation]. Huittinen: Satafood Kehittämisyhdistys ry. [Hämtat 15.11.2016]. Tillgängligt: http://docplayer.fi/4248792-Peltobiomassojen-korjuu-ja-sen-ymparistovaikutukset-kohdealueena-varsinais-suomi-ja-satakunta.html

Olkikattilat. Utan år [Nätsida]. Kemiö. Kemiön Hake Oy. [Hämtat 14.12.2016]. Tillgängligt: http://www.kimitoflis-kemionhake.com/prodfi_halm.html

Lötjönen, T., Kouki, J. & Vuorio, K. 2011. Korsibiomassojen tuotantoketjut ja energiantuotanto kokopaalikattilalla. MTT Raportti 119. [Nätpublikation]. Jokioinen: MTT. [Hämtat 16.11.2016]. Tillgängligt: http://www.mtt.fi/mttraportti/pdf/mttraportti19.pdf

Lötjönen, T. & Kässi, P. 17.4.2013. Oljen ja vihreän biomassan korjuuketjut ja kustannukset. [Nätpublikation]. Ruukki: Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus. [Hämtat 18.11.2016]. Tillgängligt: http://jukuri.luke.fi/bitstream/handle/10024/481473/Oljen%20ja%20vihre%C3%A4n%20biomassan%20korjuuketjut%20ja%20kustannukset.pdf?sequence=1

Pahkala, K. & Keskitalo, M. 2006. Maatilayrityksen bioenergian tuotanto. Keuruu: Kirjapaino Otava Oy.

Pahkala, K. & Lötjönen, T. 2015. Peltobiomassat tulevaisuuden energiaresurssina. 2. korjattu painos. Helsinki: Luonnonvarakeskus (Luke).

Pesola, T. 2012. Bioenergiantuotanto tarjoaa uutta yrittäjyyttä maatiloille. Maaseudun uusi aika 20 (3) 42-44.

Premos 5000. Mobile pellet harvester. 2016. [Nätsida]. Leeds: Krone UK Ltd. [Hämtat 5.12.2016]. Tillgängligt: http://www.krone-uk.com/english/products/pellet-harvester/premos-5000/

Selvitys energiapolitiikan vaihtoehdoista. 2015. [Nätpublikation]. Helsinki: Työ- ja elinkeinoministeriö. [Hämtat 16.11.2016]. Tillgängligt: (http://tem.fi/documents/1410877/2717655/Selvitys_energiapolitiikan_vaihtoehdoista_2015.pdf/1734e852-b177-40d6-8a17-514515d30745

Tuhkan käyttö lannoitteena. 23.8.2016. [Nätsida]. Helsinki: Elintarviketurvallisuusvirasto Evira. [Hämtat 7.12.2016]. Tillgängligt: https://www.evira.fi/kasvit/viljely-ja-tuotanto/lannoitevalmisteet/tuhkan-kaytto-lannoitteena/

Uusiutuva energia Suomessa. Ei päiväystä. [Nätsida]. Helsinki: Työ- ja elinkeinoministeriö. [Hämtat 16.11.2016]. Tillgängligt: http://tem.fi/uusiutuva-energia

Äijäläinen, T. 2016. Oljen voimalaitospolton teknis-taloudellinen selvitys Suomessa. [Diplomarbete]. Tampereen teknillinen yliopisto. Konetekniikan koulutusohjelma. [Hämtat 18.11.2016]. Tillgängligt: https://dspace.cc.tut.fi/dpub/bitstream/handle/123456789/24149/Aijalainen.pdf?sequence=1&isAllowed=y

 
 
DMS