Jätevedenpuhdistamo energia- ja hiilikierron solmukohtana

Vety, happi, biogeeninen hiilidioksidi ja hukkalämpö avaavat uuden mahdollisuuden suunnitella tulevaisuuden jätevedenpuhdistamo osaksi Power-to-X-ekosysteemiä. Tulevaisuudessa energialaitosten ja jätevedenpuhdistamojen integraatio voi mahdollistaa energia- ja ainetasevirtojen optimoinnin nykyistä tehokkaammalla tavalla.

Sivuvirrasta raaka-aineeksi

Jätevedenpuhdistamo on perinteisesti nähty ennen kaikkea ympäristöinfrastruktuurina, jonka tehtävänä on poistaa jätevedestä orgaanista ainesta ja ravinteita ennen veden palauttamista ympäristöön. Power-to-X-ekosysteemiin liittyvien tuotantolaitosten myötä näkökulmaa on syytä laajentaa.

Jätevedenpuhdistamo käsittelee jatkuvasti merkittäviä aine-, energia- ja vesivirtoja. Jätevedenkäsittelylaitoksella, joka on toteutettu anaerobisella lietteen mädätyksellä, syntyy puhdistettua jätevettä, lietettä, biokaasua ja biogeenistä hiilidioksidia, samalla kun puhdistusprosessi kuluttaa sähköä, happea ja prosessikemikaaleja. Pääosa laitoksen sähkönkulutuksesta liittyy aktiivilietteen ilmastukseen eli hapen siirtoon biologiseen prosessiin.

Kun samaan kokonaisuuteen yhdistetään uusiutuvalla sähköllä toimiva elektrolyysilaitos ja biogeenisen hiilidioksidin metanointi, voidaan muodostaa järjestelmä, jossa yhden prosessin sivuvirta on toisen prosessin raaka-aine.

Tällainen integraatio on erityisen kiinnostava kokonaan uudessa laitoshankkeessa. Sen sijaan, että elektrolyysilaitos, jätevedenpuhdistamo ja metaanilaitos suunniteltaisiin erillisinä investointeina, koko järjestelmä voidaan optimoida yhteisten veden, hapen, vedyn, hiilidioksidin, metaanin ja ravinteiden sekä lämpö- ja sähköenergiavirtojen ympärille.

Elektrolyysin happi hyötykäyttöön jätevedenpuhdistamolla

Aktiivilieteprosessin ilmastus on jätevedenpuhdistamon merkittävimpiä sähkönkuluttajia. Mikro-organismien tarvitsema happi tuodaan tavallisesti altaisiin ilmastuspuhaltimilla, jolloin suuria määriä ilmaa joudutaan paineistamaan ja siirtämään altaisiin. Ilmastuksen energiankulutuksen pienentäminen on siksi keskeinen osa jätevedenpuhdistuksen energiatehokkuutta. EU:n uudistettu yhdyskuntajätevesidirektiivi korostaa puhdistamoiden energiataseen parantamista ja siirtymää kohti kiertotaloutta. [1]

Elektrolyysissä tilanne kääntyy kiinnostavalla tavalla. Vedyn valmistuksen yhteydessä syntyy väistämättä happea. Jokaista tuotettua vetykiloa kohden syntyy stoikiometrisesti noin kahdeksan kilogrammaa happea ja veden teoreettinen kulutus on noin yhdeksän kilogrammaa vetykiloa kohden. [2]

Tarkastellaan esimerkiksi integroitua laitoskokonaisuutta, johon kuuluu noin 500 000 AVL jätevedenpuhdistamo sekä vedyntuotantolaitos, jossa elektrolyysilaitos käyttää noin 120 GWh sähköä vuodessa. Ominaiskulutuksella noin 55 kWh/kg H₂ vetytehdas tuottaisi vuosittain suuruusluokaltaan 2 180 tonnia vetyä ja 17 500 tonnia happea sekä kuluttaisi teoreettisesti noin 19 600 tonnia puhdasta vettä. Samaan kokonaisuuteen sijoitetun 500 000 AVL:n jätevedenpuhdistamon biologisen käsittelyn hapentarpeeksi voidaan arvioida noin 15 000–18 000 tonnia vuodessa, jolloin mittakaavat hapentuotannon osalta kohtaavat hyvin.

Elektrolyysin sivutuotteena syntyvällä hapella voitaisiin siten kattaa erittäin merkittävä osa jätevedenpuhdistuksen hapentarpeesta. Oikein suunnitellussa happijärjestelmässä tämä puolestaan voisi pienentää perinteisen ilmastuksen sähkönkulutusta arviolta noin 10–12 GWh vuodessa.

Euroopan komission GREENLYSIS-hankkeessa osoitettiin teknisesti, että jätevedestä valmistetulla elektrolyysivedellä voidaan tuottaa yli 95-prosenttista happea ja käyttää sitä biologisessa käsittelyssä. Tutkimuksissa elektrolyysihapen hyödyntämisen on myös arvioitu parantavan vetyhankkeen taloudellista tulosta. [3, 4] Samalla happi muuttuu vähäarvoisesta sivutuotteesta jätevedenpuhdistamon arvokkaaksi käyttöhyödykkeeksi.

Lietemädätyksen hiilidioksidi voidaan palauttaa metaaniksi

Toinen keskeinen yhteys syntyy jätevesilietteen anaerobisessa mädätyksessä. Mädätyksessä muodostuva biokaasu sisältää tyypillisesti noin 60–70 prosenttia metaania ja 30–40 prosenttia hiilidioksidia. Suurilla jätevedenpuhdistamoilla mädätys on vakiintunut tapa stabiloida lietettä ja ottaa sen energia talteen. [5] Tavallisessa biokaasun jalostuksessa hiilidioksidi erotetaan metaanista, minkä jälkeen se voidaan vapauttaa ilmakehään tai ottaa talteen muuhun käyttöön.

Vedyn saatavuus mahdollistaa myös kolmannen vaihtoehdon, hiilidioksidi voidaan muuttaa takaisin metaaniksi katalyyttisellä tai biologisella metanointiprosessilla. Sabatier-reaktiossa hiilidioksidi reagoi vedyn kanssa suhteessa CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O. Katalyyttisessä metanoinnissa korkea CO₂-konversio edellyttää sopivaa lämpötilaa, kaasujen puhtautta ja hallittua H₂/CO₂-suhdetta. Biokaasun rikkipitoiset epäpuhtaudet on poistettava katalyytin suojaamiseksi. [6, 7] Näin biokaasun sisältämän hiilen energiakäyttöastetta voidaan parantaa olennaisesti.

Esimerkkikokoluokassa 500 000 AVL:n jätevedenpuhdistamon lietemädätyksen alkuperäinen metaanintuotanto voidaan arvioida noin 25 GWh:iin vuodessa. Kun raakabiokaasun oletetaan sisältävän noin 65 prosenttia metaania, prosessissa muodostuisi samalla suuruusluokaltaan 2 600–2 700 tonnia biogeenistä hiilidioksidia vuodessa.

Tämän hiilidioksidin metanointi tarvitsee noin 480 tonnia vetyä vuodessa. Tuloksena syntyy noin 13 GWh lisää metaania, jolloin laitoksen metaanintuotanto voisi nousta noin 25 GWh:sta 38 GWh:iin vuodessa. Kasvu olisi yli 50 prosenttia ilman, että jätevedenpuhdistamolle tarvitsee tuoda lisää orgaanista raaka-ainetta.

Suurin osa vedystä jää muuhun käyttöön

Metanointi ei käyttäisi kaikkea 120 GWh/a elektrolyysilaitoksen tuottamaa vetyä. Alustava vuosittainen tase on seuraava:

Integroidun laitoksen vuosittainen tase

Taulukon luvut ovat konseptitason laskelmia. Elektrolyysin massatase perustuu veden elektrolyysin stoikiometriaan ja ominaiskulutukseen 55 kWh/kg H₂. Metanoinnin luvut perustuvat Sabatier-reaktioon, 65 til-%:n metaanipitoisuuteen raakabiokaasussa ja 500 000 AVL:n laitokselle oletettuun 25 GWh/a:n alkuperäiseen metaanintuotantoon. Laitoskohtainen mitoitus edellyttää tunti- ja kuukausitason kuormitus-, kaasu- ja lämpötietoja.

Muuhun käyttöön jäisi siten noin 1 700 tonnia vetyä vuodessa, jonka energiasisältö on noin 57 GWh. Vety voidaan käyttää esimerkiksi teollisuudessa, liikenteessä tai hyödyntää lisämetaanintuotannossa, jos laitokselle on mahdollista toimittaa lisää biogeenistä hiilidioksidia.

Koko jäljelle jäävän vetymäärän metanointi vaatisi noin 9 000–9 500 tonnia CO₂:ta vuodessa jätevedenpuhdistamon oman hiilidioksidivirran lisäksi. Tämä avaa kiinnostavan näkökulman alueelliseen hiilidioksidiekosysteemiin: samaan kokonaisuuteen voidaan kytkeä esimerkiksi muita biokaasulaitoksia, bioetanolituotantoa tai biomassan energiakäytön hiilidioksidivirtoja.

Hukkalämmöstä puhdistamon lämmönlähde

Integraation kolmas merkittävä synergia liittyy lämpöön. Matalan lämpötilan elektrolyysissä osa sähköenergiasta päätyy lämpövirraksi, joka on johdettava pois elektrolyyseristä. Tutkimusten mukaan lämpö voidaan hyödyntää esimerkiksi kaukolämmössä, mutta kannattavuus riippuu lämpötilatasosta, käyttöasteesta, lämpöpumpun tarpeesta ja siirtoetäisyydestä. [8, 9] Kaikkea lämpöä ei voida teknisesti tai taloudellisesti ottaa talteen, mutta 120 GWh/a elektrolyysikokonaisuudessa käyttökelpoisen prosessilämmön määrä voi esisuunnittelutasolla olla noin 25–35 GWh vuodessa.

Myös metanointi tuottaa lämpöä. Tarkastellussa kokonaisuudessa metanoinnista voisi olla talteen otettavissa noin 2 GWh vuodessa korkeammalla lämpötilatasolla. Prosessilämmön hyödyntäminen on jätevedenpuhdistamon näkökulmasta erittäin merkittävä integraatioetu.

500 000 AVL:n laitoksen lietemädätyksen lämmöntarpeeksi voidaan alustavasti arvioida noin 8–11 GWh/a ja rakennusten sekä prosessitilojen lämmitystarpeeksi muutamia gigawattitunteja vuodessa. Elektrolyysin ja metanoinnin lämpöpotentiaali voi näin ollen riittää sekä mädätysprosessin että puhdistamon tilojen lämmitykseen.

Keskimääräisessä esimerkkitaseessa prosessilämpöä saadaan talteen noin 30 GWh/a. Mädättämöt tarvitsevat noin 9–10 GWh/a, rakennusten ja prosessitilojen lämmitys noin 4–5 GWh/a, ja lämmönjakelussa kuluu lisäksi jonkin verran energiaa. Jäljelle voisi jäädä vielä noin 10–15 GWh/a ylijäämälämpöä.

Ylijäämälämpö voidaan hyödyntää esimerkiksi läheisessä kaukolämpöverkossa, lietteen kuivauksessa tai lämpöpumpun avulla korkeammalla lämpötilatasolla. Uudessa laitoshankkeessa lämpöverkko voidaan suunnitella alusta lähtien tätä varten. Tämä on merkittävä etu verrattuna tilanteeseen, jossa elektrolyysilaitos lisätään myöhemmin olemassa olevan puhdistamon yhteyteen.

Kokonaisuus edellä

Tällaisen hankkeen olennaisin suunnitteluperiaate on järjestelmätason optimointi. Jos kolme kokonaisuutta kilpailutetaan ja suunnitellaan erillisinä laitoksina, suuri osa integraatiohyödyistä voidaan menettää jo ennen rakentamisen alkamista.

Suunniteltaessa tulevaisuuden jätevedenpuhdistamoja ja niiden sektori-integraatiota vedyn tuotantoon, suunnittelun lähtökohdaksi kannattaa ottaa laitosten yhteinen energia- ja massatase.

• Sähköstä tuotetaan vetyä, happea ja lämpöä.
• Happea hyödynnetään jäteveden biologisessa käsittelyssä.
• Jätevedestä syntyy puhdistettua vettä ja lietettä.
• Lietteen mädätyksessä syntyy metaania, biogeenistä hiilidioksidia ja ravinnepitoista mädätettä.
• Hiilidioksidista ja vedystä jalostetaan metaania.
• Prosessilämpö ohjataan mädätykseen, lietteen kuivaukseen, rakennusten lämmitykseen sekä mahdolliseen ulkoiseen lämpöverkkoon.

Näin tuotantolaitokset eivät ole rinnakkaisia saarekkeita, vaan yksi integroitu prosessikokonaisuus.

Varastot ja ohjaus tuovat joustavuutta

Suunnittelussa on samalla ratkaistava muun muassa hapen turvallinen käyttö jätevedenpuhdistuksessa, kaasujen välivarastointi, elektrolyysin ja jätevedenpuhdistuksen erilaisten käyttöprofiilien yhteensovittaminen sekä vedyn, metaanin ja lämmön lopulliset käyttökohteet.

Myös energiavarastojen merkitys kasvaa. Jätevedenpuhdistamon hapentarve on suhteellisen jatkuva, mutta elektrolyyseriä voidaan haluta käyttää sähkön hinnan ja uusiutuvan sähköntuotannon mukaan. Happi- ja vetyvarastot, laitokseen integroitu aurinkovoiman tuotanto ja sähkövarasto mahdollistavat tuotannon ja kulutuksen entistä joustavamman ohjauksen ja voivat olla osa järjestelmän taloudellista optimointia.

Tulevaisuuden jätevedenpuhdistamo voi olla alueellisen energiatalouden keskus

Tarkastelussa käytetty esimerkki 500 000 AVL:n jätevedenpuhdistamon ja 120 GWh/a vedyntuotannon integroidusta laitoskokonaisuudesta havainnollistaa aine- ja energiataseita valitussa Suomen mittakaavassa suurimmassa mittaluokassa. Noin 120 GWh sähköä vuodessa käyttävä elektrolyysilaitos voisi tuottaa samalla lähes koko jätevedenpuhdistamon tarvitseman hapen.

Tuotetulla vedyllä voitaisiin hyödyntää mädätyksessä syntyvä biogeeninen hiilidioksidi ja kasvattaa metaanintuotantoa noin 50 prosenttia. Elektrolyysin ja metanoinnin lämpö voisi puolestaan kattaa mädättämöiden ja laitoksen rakennusten lämmöntarpeen ja osaltaan vähentää laitoksen oman metaanin käyttöä lämmitykseen.

Kyse ei siis ole ainoastaan vihreän vedyn tuotannosta. Kyse on kokonaisuudesta, jossa vesihuolto, uusiutuva sähkö, vety, biokaasu, biogeeninen hiilidioksidi, happi ja lämpö kytketään yhteen.

Parhaimmillaan jätevedenpuhdistamo voi muuttua merkittävästä energiankuluttajasta alustaksi, joka mahdollistaa uusiutuvien polttoaineiden tuotantoa, hiilen kierrätystä ja teollisia symbiooseja.

Uusissa laitoshankkeissa mahdollisuus on erityisen suuri. Kun integraatio huomioidaan jo konsepti- ja esisuunnitteluvaiheessa, laitosalue, prosessit, putkistot, energiaverkot, varastointi ja sähkönsyöttö voidaan optimoida yhtenä kokonaisuutena.

Tulevaisuuden jätevedenpuhdistamo ei välttämättä ole vain paikka, jossa jätevesi puhdistetaan. Se voi olla alueellinen veden, hiilen ja uusiutuvan energian kiertotalouden solmukohta.

Lähteet

[1] Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi (EU) 2024/3019 yhdyskuntajätevesien käsittelystä, 27.11.2024. EUR-Lex. https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2024/3019/2024-12-12/eng

[2] Panchawadkar, D. 2024. Review of opportunities to valorise the oxygen generated from water electrolysis. KTH Royal Institute of Technology. TRITA-CBH-GRU-2024:286.

[3] Euroopan komissio, CINEA LIFE Programme. GREENLYSIS, LIFE08 ENV/E/000118: Hydrogen and oxygen production via electrolysis powered by renewable energies to reduce environmental footprint of a WWTP.

[4] Hönig, F., Rupakula, G. D., Duque-Gonzalez, D., Ebert, M. & Blum, U. 2023. Enhancing the Levelized Cost of Hydrogen with the Usage of the Byproduct Oxygen in a Wastewater Treatment Plant. Energies 16, 4829. https://doi.org/10.3390/en16124829

[5] Kleyböcker, A. & Schneider, J. 2020. Biogas production via anaerobic digestion of sewage sludge and co-substrates. Water Europe Marketplace / NextGen.

[6] Nieß, S., Armbruster, U., Dietrich, S. & Klemm, M. 2022. Recent Advances in Catalysis for Methanation of CO₂ from Biogas. Catalysts 12, 374. https://doi.org/10.3390/catal12040374

[7] Agrawal, D. & Singh, S. A. 2025. Techno-Economic Analysis of Biogas Upgrading via CO₂ Methanation for Sustainable Biomethane Production. ChemEngineering 9, 114. https://doi.org/10.3390/chemengineering9050114

[8] Saranpää, V. 2024. Electrolyser waste heat utilization in district heating applications: techno-economic optimization study. Aalto-yliopisto.

[9] Tommasini, D., Marx, N., Wimmer, Y., Reuter, S. & Kauko, H. L. P. 2025. Electrolysis waste heat utilization for district heating: A Norwegian case study. Smart Energy 20, 100207. https://doi.org/10.1016/j.segy.2025.100207

Artikkelin määrälliset arviot ovat FCG:n laatimia konseptitason laskelmia edellä esitetyillä oletuksilla. Ne eivät ole laitoskohtaisia mitoitusarvoja tai investointipäätöksen perusteeksi tarkoitettuja ennusteita.

Tero Pyrhönen

Asiakkuus- ja projektijohtaja

etunimi.sukunimi@fcg.fi

+358 40 821 4538

Lähetä viesti