Ihmeaine BIOHIILI

Teksti: Elina Vuori ja Niina Kangas Kuva: Elina Vuori grafiikka: Niina Kangas

Miten biohiiltä valmistetaan?

Vanhanajan tervanpoltto ja häkäpönttöautot perustuvat samaan menetelmään, jolla biohiiltä valmistetaan tänäkin päivänä. Yleisin tapa valmistaa biohiiltä on hidaspyrolyysi eli kuivatislaus. Prosessissa biomassan lämpötila nostetaan ilman happea 300–700 asteeseen. Prosessi voidaan jakaa kuivaus-, torrefiointi- sekä pyrolyysivaiheisiin.

Pyrolyysi käynnistyy vasta lämpötilan ylittäessä 270 astetta. Pyrolyysissä biomassan rakennekomponentit hajoavat ja kaasuuntuvat hiiltä lukuun ottamatta.

Maanparannukseen käytettävän biohiilen tuottamisen optimilämpötila on Helsingin yliopiston AgriChar-tutkimusryhmää johtavan tutkija Priit Tammeorgin mukaan yleensä 500–600 astetta. Sitä pienemmässä lämpötilassa tuotetun biohiilen ominaispinta-ala ja stabiilin hiilen osuus on pieni, eikä se ole kovin pysyvää maassa. Korkeammissa lämpötiloissa taas ravinteet, kuten kalium ja fosfori, karkaavat pois.

Kiinteä jäljelle jäänyt tuote on 80–90 prosenttia biohiiltä. Prosessissa syntyy myös energiaa, kaasuja, öljyä ja nesteitä. Kaikkia näitä komponentteja voidaan hyödyntää.

– Olennaisinta on, että kaikki biohiilen valmistuksessa syntyvät jakeet saadaan hyödynnettyä. Esimerkiksi prosessissa syntyvä energia voidaan hyödyntää biomassan kuivauksessa ja tisleitä ja öljyjä esimerkiksi kasvinsuojelussa, sanoo Luonnonvarakeskuksen tutkimusprofessori Kari Tiilikkala.

Teknologian tutkimuskeskus VTT:llä tutkitaan märkähiiltoa ja prosessin avulla valmistetun biohiilen ominaisuuksia ja mahdollisia käyttökohteita.

– Märkähiillolla tarkoitetaan prosessia, missä orgaanista ainesta hiilletään itsekehittyvässä paineessa vedessä kohtuullisissa lämpötiloissa, noin 200 asteessa. Menetelmän etuna on, että märkää raaka-ainetta ei tarvitse kuivata, mikä lisää prosessin kustannustehokkuutta, selostaa erikoistutkija Hanne Wikberg VTT:ltä.

Märkähiiltoprosessissa syntyy biohiiltä, joka eroaa kemialliselta rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan pyrolyysissä syntyvästä biohiilestä. Biohiileen jää hiilen lisäksi pieniä pitoisuuksia esimerkiksi happea ja vetyä, sekä mukana tulevia alkuaineita, kuten typpeä tai fosforia.

Meneillään olevassa EU-rahoitteisessa MobileFlip-projektissa VTT tutkii yhteistyössä Luken kanssa eri prosesseilla valmistettujen biohiilien soveltuvuutta muun muassa maanparannukseen ja aktiivihiileksi.

Pyrolyysi- ja märkähiiltolaitteistoja on tarjolla laaja kirjo kotipuutarhamittakaavasta isoihin, jatkuvatoimisiin laitoksiin. Konttikokoiset on helppo viedä raaka-aineen luokse. Esimerkiksi suomalainen Carbofex myy jatkuvatoimisia pyrolyysiin perustuvia karbonisaattoreita biohiilen ja lämmön tuotantoon vaikkapa kasvihuoneen kylkeen pystytettäväksi.

Miten biohiili toimii?

Biohiili on hyvin huokoista ja sen maanparannusvaikutus perustuu ravinteiden ja veden pidätyskykyyn. Tämän lisäksi mikrobit ja pieneliöstö viihtyvät paremmin biohiilellä rikastetussa maaperässä. Biohiili pidättää painoonsa nähden moninkertaisesti vettä.

Valmistusmenetelmä ja -lämpötila sekä valmistuksessa käytettävä raaka-aine vaikuttavat olennaisesti biohiilen ominaisuuksiin. Koska eri raaka-aineista erilaisilla valmistusmenetelmillä syntyneet biohiilet ovat erilaisia, niiden vaikutus maahan riippuu todella paljon biohiilestä, maaperästä ja viljelykasvista. Biohiilestä on todennäköisesti eniten hyötyä sellaisia mailla, joissa on entuudestaan vähän hiiltä, eli esimerkiksi karkeilla kivennäismailla.

– Tietyt biohiilet soveltuvat tiettyihin asioihin, mutta joitakin nyrkkisääntöjä on. Nykyisen tietämyksen nojalla biohiili on paras tunnettu keino hiilen sidontaan maaperään. Parhaat maanparannusvaikutukset on yleensä saatu mailla, joilla on luonnostaan alle yksi prosentti hiiltä. Myös yli viiden prosentin lisäys puupohjaista biohiiltä lisää yleensä kasvualustan vedenpidätyskykyä, biohiilitutkija Priit Tammeorg kertoo.

Tammeorgin AgriChar-tutkimusryhmä tekee Helsingin Viikin koepelloilla pitkän aikavälin seurantaa biohiilen vaikutuksista peltomaan ravinne-, hiili- ja vesitalouteen, sadonmuodostukseen sekä kasvihuonekaasupäästöihin. Kokeet ovat alkaneet jo 2010. AgriChar-ryhmässä tutkitaan myös muita biohiilen käyttökohteita.

Monet maaperän bakteerit viihtyvät hyvin biohiilen pinnoilla. Ja pinta-alaa biohiilessä riittää – grammassa sitä voi olla jopa tuhat neliömetriä.

– Hiili toimii maassa kuin linnunpönttöinä maaperäeliöstölle, sanoo maaperän toimintaan perehtynyt agronomi Robert Streit Yhdysvalloista.

Puhdas biohiili ei välttämättä toimi niin hyvin kuin on toivottu, vaan se yleensä pitää aktivoida fysikaalisesti, kemiallisesti tai biologisesti. Aktivointiin – tai rikastamiseen tai ymppäykseen, kaikkia termejä näkee – voidaan käyttää vaikka lantaa tai mykorritsoja.

– Esimerkiksi rautaoksidilla aktivoitu biohiili pyydystää fosforia ja otsonoitu hiili puolestaan typpeä. Mahdollisimman huokoiseksi valmistettu hiili on paras vedenpidätykseen, selittää toimitusjohtaja Jari Rissanen RPK Hiili Oy:stä Mikkelistä.

Luonnonvarakeskuksessa juuri rikastettuihin biohiiliin liittyvä tutkimus on yksi biohiilitutkimuksen pääpainoalueista.

Biohiileen voidaan ympätä ravinteita ja mikrobeita esimerkiksi kompostissa. Tällä tavalla rikastettu hiili toimii pitkäkestoisena lannoitteena. Maahan saadaan lisättyä loputonta kasvukykyä, josta etenkin monivuotiset kasvit hyötyvät, painottaa Kari Tiilikkala Lukesta.

Mihin biohiiltä voi käyttää?

Biohiilen käyttömahdollisuuksia on valtavasti maanparannuksesta kosmetiikkaan ja turkiseläinten lannan neutraloinnista rakennuseristeeksi. Biohiiltä on alettu tutkia kunnolla vasta kymmenen viime vuoden aikana, joten erilaisten biohiilien käyttömahdollisuudet lisääntyvät jatkuvasti.

Biohiilen yhteydessä mainitaan yleensä aina Etelä-Amerikan intiaanien muinaiset, viljavat Terra preta -maat, joissa tuhansia vuosia vanha hiili on yhä olemassa.

Maanparannus- ja kasvualustakäyttö onkin yksi merkittävimmistä biohiilen käyttötavoista. Biohiili rikastuttaa ja aktivoi maaperäeliöstöä, ja se vaikuttaa monella tavalla. Lannoitusta voidaan vähentää, kasvit eivät ole niin herkkiä maaperässä oleville taudeille, vesi ja ravinteet pysyvät kasvien ulottuvilla hyvin ja maaperän myrkylliset aineet voivat sitoutua biohiileen. Näin viljelykasvien kasvu ja sato paranevat. Biohiili myös estää ravinteita huuhtoutumasta.

Tukholmassa biohiiltä on käytetty jo vuodesta 2009 kaupunkipuiden istutusalustana yhdessä sepelin kanssa. Tulokset ovat olleet erittäin hyviä. Biohiilen käyttö viherrakentamisessa onkin yksi menetelmä, jota Tukholman kaupunki hyödyntää tavoitellessaan hiilineutraaliutta vuoteen 2050 mennessä.

RPK Hiili Oy on toimittanut biohiiltä Tukholmaan jo kuusi vuotta, ja kotimaan markkinoille sitä on mennyt parisen vuotta. Nyt sitä voi ostaa jo S-ryhmän kaupoista viiden litran pussissa. Ammattikäyttöön yritys myy biohiiltä tuhannen litran säkeissä. Säkin hinta on keskimäärin 250 euroa.

Merkittävä on myös biohiilen kyky toimia suodattimena esimerkiksi hulevesikohteissa, biologisissa puhdistimissa tai vaikka laskuojan suulla.

– Meiltä on mennyt biohiiltä esimerkiksi Talvivaaraan, Jari Rissanen RPK Hiilestä sanoo.

Myös Kari Tiilikkala Lukesta hehkuttaa biohiilen erinomaista imukykyä ja ominaisuuksia hulevesien ja muiden valumien hallintaan.

Hiili toimii kuin filtteri. Tutkimuksissa selvitetään parhaillaan, millainen hiili soveltuu parhaiten esimerkiksi fosforin, typen ja veden sidontaan.

Mistä biohiiltä tehdään?

Biohiiltä voidaan tehdä periaatteessa mistä tahansa eloperäisestä aineesta. Ilmastonmuutoksen ja resurssien näkökulmasta järkevintä on käyttää jätteitä tai muuten vaikeasti hyödynnettäviä materiaaleja ja sivuvirtoja. Pohjoismaissa metsä­teollisuuden sivuvirrat ovat varmasti eniten käytetty raaka-aine biohiilen valmistuksessa.

RPK Hiili Oy on valmistanut biohiiltä esimerkiksi sahanpuruista, metsähakkeesta ja pintalaudoista, pääasiassa kuusesta ja koivusta.

– Riippuu siitä, mitä asiakas haluaa, mistä ja minkälaista hiiltä valmistamme. Esimerkiksi raekoko on valittavissa, Jari Rissanen sanoo.

VTT:llä on tutkittu muun muassa panimoista, viiniteollisuudesta ja kasvihuoneista peräisin olevista biomassoista valmistettujen biohiilien ominaisuuksia. Kokeissa on ollut mukana myös pajua, mäntyä ja olkea. Kouvolalainen Pajupojat Oy valmistaa biohiiltä pajusta, josta saatu biohiili on hyvin huokoista johtuen pajun omasta rakenteesta. Näin se sopii erityisen hyvin vedenpidätykseen.

Biohiilen valmistuksessa syntyy energiaa ja muitakin hyödynnettäviä aineita.

Mitä tehdään pyrolyysissä syntyville muille aineille?

Pyrolyysissä syntyvä ylimääräinen energia voidaan hyödyntää esimerkiksi lämmitykseen. Myös kaasu on hyödynnettävissä energiaksi. Lähtömateriaalin nesteet tiivistyvät öljyksi ja tisleiksi, jotka voivat toimia niin polttoaineina, torjunta-aineina kuin lannoitteina. Biohiilen valmistuksessa kasvimateriaalin selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini pilkkoutuvat sadoiksi erilaisiksi hapoiksi ja fenolisiksi yhdisteiksi.

– Tisleitä hyödynnetään jo biohajoavien katteiden käsittelyssä. Esimerkiksi rikkakasvien torjuntaa ajatellen tutkimusten tulokset ovat erittäin lupaavia. Toivottavasti lähitulevaisuudessa voidaan korvata esimerkiksi glyfosaatti tisleillä, Kari Tiilikkala toteaa.

Tisleiden käytössä on kuitenkin vielä paljon tutkittavaa, eikä niitä vielä voida juuri hyödyntää kaupallisesti. Mutta tisleissä on valtavasti potentiaalia.

Miten biohiilen laatua valvotaan?

Lainsäädännössä on niukasti määräyksiä biohiilen laadulle. Koko sanaa biohiili ei löydy esimerkiksi lannoitevalmistelainsäädännöstä, joka koskee myös maanparannusaineita.

Eviran julkaisemasta tyyppinimiluettelosta löytyy määre ”kasviperäinen kasvualustahiili”, jonka Biolan on hakenut 2010. Sen mukaan kasvualusta hiilestä on tuoteselosteessa ilmoitettava esimerkiksi fosfori, typpi, kalium, pH, johtokyky, kosteus sekä haitallisten metallien pitoisuus ja raaka-aineet sekä niiden alkuperä.

– Toistaiseksi biohiilen suhteen ei ole tullut sellaisia kysymyksiä, että olemassa olevien säädösten kanssa ei olisi pärjätty, sanoo päällikkö Olli Venelampi Evirasta.

Eurooppalaiset biohiilen valmistajat ovat laatineet tieteelliseen tutkimukseen perustuvan, Euroopan laajuisen sertifikaatin, The European Biochar Certificate, EBC. Se kertoo biohiilen laadusta muun muassa raskasmetallien ja PAH-yhdisteiden suhteen. Sertifikaatin on hakenut 11 valmistetta viidestä maasta. Suomalaisia yrityksiä ei ole toistaiseksi mukana.

Biolanin hiilituotanto Virossa on jo REACH-rekisteröity. Rekisteröinti vaaditaan vuoden 2018 alkaen biohiiltä tuottavilta laitoksilta, joiden tuotanto on yli tuhat kiloa vuodessa.

Missä biohiiltä on jo käytetty?

Suomessa biohiiltä ei vielä ole käytetty laajasti missään. Lähinnä sitä on levitetty koeluonteisesti pelloille ja viherrakennuskohteisiin. Kiinnostus varsinkin viherrakennuspuolella näyttää nyt olevan kova – varsinkin Keski-Euroopassa ilmassa on jopa hypeä. Biohiili toimii hyvin viherrakentamisen erityiskohteissa – katoilla, kansirakenteilla, katupuilla ja hulevesikohteissa – ja siitä ollaan kiinnostuneita pilaantuneiden maiden puhdistuksessa ja viherryttämisessä.

Biolan lisäsi biohiiltä ensimmäiseen kasvualustaan 2013. Kaksi vuotta on markkinoilla ollut Istutusmulta, johon on lisätty biohiiltä. Tänä keväänä biohiiltä on myös Kesäkukkamullassa. Biolanille biohiili tulee omalta tehtaalta Virosta.

– Hiilellä saatiin korvattua teolliset kastelukiteet vedenpidättäjinä. Tekes-hankkeessa saatujen tulosten ja omien tutkimustemme perusteella biohiilellä on iso vaikutus maan vesitalouteen. Se myös parantaa maan rakennetta ja mikrobien elinmahdollisuuksia, myynti- ja markkinointijohtaja Iikka Helin Biolanilta kertoo.

On varmasti vain ajan kysymys, koska biohiiltä lisätään ammattiviljelyssä käytettäviin rajattuihin kasvualustoihin. Biohiilitutkijoiden tuoreen selvityksen mukaan jopa puolet turvepohjaisen kasvualustan tilavuudesta voisi olla biohiiltä. Rajoittavina tekijöinä on tasalaatuisen biohiilen saatavuus ja vielä paljon turvetta korkeampi hinta.

Suomessa biohiilitutkimusta on tehty muun muassa viljoilla, sokerijuurikkaalla, härkäpavulla ja perunalla. Peltolevityksessä vastaan tulevat käytännön ongelmat: hiilen hinta, sopiva levityskalusto ja maahan muokkaamisen hankaluudet.

– Näen, että merkittävimmät käyttökohteet biohiilelle ovat nyt hulevesikohteet ja erilaiset rajatut kasvualustat. Se sopii myös esimerkiksi marjojen tunneliviljelyyn ja vesistöjen suojeluun ravinnevalumilta, toimitusjohtaja Markku Suutari Pajupojista luettelee.

Myös Kari Tiilikkala povaa biohiilelle vahvaa asemaa puutarhasektorilla – niin harraste- kuin ammattipuolellakin.

Puutarhasektorilla biohiilelle saadaan eniten lisäarvoa. Monivuotiset kasvit hyötyvät sen maanparannusominaisuuksista ja kuluttajat arvostavat sen hiilensidontaan liittyviä ominaisuuksia yhä enemmän.

Kasvien sitomasta hiilestä noin kolmasosa jää biohiileen. Kun biohiili haudataan maahan, hiili on poissa kierrosta tuhansia vuosia.

Miten biohiili sitoo hiiltä ilmakehästä?

Biohiilen yksi iso etu on, että se sitoo hiiltä hyvin pysyvään muotoon. Biohiili onkin yksi lupaavimmista menetelmistä ilmastonmuutoksen torjunnassa.

Kun kasvit yhteyttävät, ne sitovat ilmakehän hiilidioksidia ja kasvavat. Biohiiltä valmistetaan kasveista eli biomassasta, johon hiili on sitoutunut. Voidaan sanoa, että biohiili on kiinteää hiilidioksidia. Stabiilin rakenteensa ansiosta se säilyy esimerkiksi maaperässä jopa tuhansia vuosia muuttumattomana.

Biohiili parantaa maan ominaisuuksia ja näin ollen edesauttaa kasvien kasvua, jolloin ne sitovat parhaassa tapauksessa vieläkin tehokkaammin hiilidioksidia ilmakehästä. Prosessi ikään kuin ruokkii itseään.

Pajupojat Oy:n perimmäisenä ideana on nimenomaan hiilen sidonta. Yritys viljelee hybridipajuja turvetuotannosta vapautuneilla soilla ja joutopelloilla ja tekee pajuista biohiiltä.

– Hyödynnämme ylimääräisiä ravinteita, vajaatuottoisia maapohjia ja paikallisia henkilö- ja koneresursseja. Paju sitoo ilmakehästä 14 tonnia hiiltä hehtaarilla. Biohiilellä saamme siitä reilun kolmasosan maaperään tuhansiksi vuosiksi, tiivistää Markku Suutari Pajupojilta.

Pajupoikien käyttämät risteyspajut kasvavat jopa neljä metriä kesässä, ja korjuukunnossa pelto on kahden vuoden ikäisenä. Hehtaarilta tavaraa tulee 40 irtokuutiota kerralla. Alasleikkauksen jälkeen pajukko versoo uudestaan jopa kymmenen kertaa.

 

Suomen ensimmäinen biohiilityöpaja järjestetään 18. maaliskuuta Siuntiossa. Siellä suunnitellaan myös Suomen Biohiiliseuran perustamista.

Lisätiedot priit.tammeorg@helsinki.fi