Vetyä syntyy luonnostaan biologisessa mädätysprosessissa hajoamistuotteena ja se on yhdessä hiilidioksidin kanssa tärkeä osa metanoitumista. Vedyn määrä joko rajoittaa tai lisää mädätysprosessin metaanintuottoa. Keskimäärin normaalissa biokaasuprosessissa syntyy metaania 50–70 % ja hiilidioksidia 30–50 %. Lisäksi biokaasu sisältää pieniä määriä muita yhdisteitä kuten esimerkiksi rikkivetyä. (Kylmäläinen, 2015, s. 17.) In-situ -metanoinnissa biologiseen mädätyspatjaan tuodaan ulkopuolista vetyä eli sitä vedytään, jotta biologisen mädätysprosessin metanogeenit muodostaisivat hiilidioksidista ja vedystä tavanomaista mädätysprosessia enemmän kaupallisesti arvokasta metaania. Biologisen metanoinnin kokonaisreaktio vastaa Sabatier’n reaktiota, mutta reaktio tapahtuu mikrobien välityksellä. Tarjoamalla prosessiin lisävetyä saadaan mädätyksessä syntyvä, reagoimatta jäänyt hiilidioksidi muunnettua mikrobien avulla metaaniksi ja siten hyötykäyttöön. Tällöin hiilidioksidipäästöt alenevat ja metaanipitoisemmalla biokaasulla voidaan korvata fossiilista polttoainetta. Tällä on biokaasun tuottajille tuloja lisäävä vaikutus. (Lappalainen, 2023; Voelklein, 2019; Yörüklü, 2025.)
In-situ -metanoinnin ympäristöystävällisyysarvot lisääntyvät entisestään, kun biologisen in-situ -metanoinnin lisävety tuotetaan vihreästi. Biokaasutuottajan on mahdollista tuottaa vetyä oman laitoksen yhteydessä tai hyödyntää toisaalla tuotettua ja varastoitua vihreää vetyä. Lisäksi on mahdollista kytkeä ex-situ -metanointi tuotetun kaasun jatkojalostukseen. Tehokkuus, lisäjalostusarvo ja ilmastovaikutukset ovat tekijöitä, jotka ovat edistäneet biologisen in-situ -metanoinnin tutkimusta sekä teknisten ratkaisujen kehitystyötä ja tätä työtä tehdään edelleen. Laboratoriotulokset hallituissa olosuhteissa ovat lupaavia, mutta niiden viemistä pienen tai suuren mittakaavan laitosreaktoriin on hidastanut käytännössä toimivan ja turvallisen teknologian puuttuminen, mikrobien kyky sopeutua lisävetyyn sekä prosessitasapainon epävakaus laitosolosuhteissa. (Lahtela, 2026; Lappalainen, 2023; Reinikka, 2026; Voelklein, 2019; Yörüklü, 2025.)
Vuodesta 2021 Jyväskylän ammattikorkeakoulussa on toteutettu erilaisia pilot-kokoluokan, vetypainoitteisia mädätyskokeita. Märkämädätys on ollut ensisijainen menetelmä HABA-, Metanointi maatilalla- ja gH2Addva-hankkeissa. Lisäksi keväällä 2025 toteutettiin vetypainotteinen kuivamädätyskoe gH2Addva-hankkeessa. Ydinajatuksena on ollut seurata metanoitumista, kaasuntuottoa, tuotekaasun koostumusta ja vedyn vaikutusta mädätysprosessin toimintaan ja löytää järkeviä teknisiä ratkaisuja in situ -metanoinnin haasteisiin. Kokonaisuuteen on olennaisesti kuulunut erilaisten sensoreiden hyödyntäminen mädätysprosessin tarkkailussa sekä sensoreiden/reaktorin etävalvonta ja -käyttö. Alusta asti tavoitteena on ollut turvallinen, yksinkertainen, edullinen, helposti integroitava ja tarkempaan prosessin seurantaan kykenevä vedynsyöttölaitteistokokonaisuus olemassa oleviin biokaasureaktoreihin.
Vedytetäänkö? Kyllä. Potentiaalia on, mutta vedytys ei ehkä vielä ole jokaiselle maatilalle sopiva laatuvarma menetelmä ja pääsy sellaiseksi vaatii vielä pitkäjänteistä kehitystyötä. Tässä artikkelissa pureudutaan toteutettuihin in-situ -metanointikokeiden koetuloksiin ja kokemuksiin.
Vedyn syöttö
Vedyn syöttöä testattiin kolmessa eri kokeessa: 1. mikrosumutus, 2. nanokupla (märkä) ja 3. nanokupla (kuiva). Kokeissa vetyä syötettiin reaktoreihin kahdella eri tekniikalla ja kolmella eri tavalla. Taulukkoon 1 on koottu näiden pilotointikokeiden tärkeimmät parametrit. Ensimmäinen koejakso (kuvio 1) pohjautui HABA-hankkeen (Lappalainen ym., 2023) kokemuksiin metanoinnista. Näissä kokeissa vety virtasi vapaasti mikrokokoluokan kuplia muodostavien sinttereiden läpi. Kokeiden pohjalta havaittiin, että vetyä vapautui tuotekaasuun runsaasti vedyn syötön yhteydessä eli vety kulki sellaisenaan mädätyspatjan läpi kohti tuotekaasua. Konversiota tapahtui 9–22 % syötettyyn vetyyn nähden. Mitä enemmän vetyä syötettiin, sitä enemmän sitä vapautui sellaisenaan tuotekaasuun. Näiden kokemuksien pohjalta Metanointi maatilalla -hankkeessa (Jämsén, 2024) muutettiin kaasun syöttöä, jolloin vedyn syöttömäärät voitiin teknisesti laskea HABA-hankkeen syöttömääristä. Vedyn syöttö alkoi jo heti reaktorin ylösajon yhteydessä, jolloin mikrobikanta altistui koko koeajan lisävedylle. Ylösajon jälkeen vedyn virtaus vakiinnutettiin (n. 10 ml/min).
Toinen koejakso (kuvio 2) perustui vedyn nanokuplittamiseen nesterejektiin kavitaatioon perustuvalla EOD Europe nanokuplageneraattorilla erillisessä kuplitusyksikössä, joka rakennettiin gH2Addva-hankkeessa. Tämä koejakso toteutettiin heti ensimmäisen koejakson jälkeen. Teknisesti ei ollut mahdollista syöttää kuplitettua nesterejektiä kuin pelkästään mädätysprosessin alkuosaan. Mikrosumutuskokeisiin nähden vedyn syöttömäärä puolittui (100 l/vk -> 50 l/vk).
Kolmas koejakso (kuvio 3) toteutettiin panostoimisessa kuivamädätysreaktorissa. Nanokuplitusyksikkö liitettiin kuivamädätysreaktorin perkolaatiosäiliöön ja yksikkö oli osa mädätysprosessin nestekiertoa. Ennen kokeita nanokuplitusyksikköä jatkokehitettiin märkämädätyskokeiden pohjalta. Tämä mahdollisti tarkemmat vetysyötöt (taulukko 2), jolloin vedyn määrää kuplituksen yhteydessä kyettiin säätämään halutuksi. Kuplitus toteutettiin arkipäivisin kerran päivässä.
Nanokuplituksen aikana vedyn määrää pyrittiin hallitsemaan mittaamalla kuplituksen yhteydessä vedyn vapautumista. Kuplitus lopetettiin, kun saavutettiin rejektinesteeseen kyllästymispiste. Tätä seurattiin kannettavalla biokaasuanalysaattorilla. Nanokuplittamalla erillisessä yksikössä vedyn vaaratekijät, kuplituslämpötilat ja ympäristö olivat hallittavissa.
Taulukko 1. Pilotointikokeiden koejärjestelyt
| Koe | 1. Mikrosumutus | 2. Nanokupla, märkä | 3. Nanokupla, kuiva |
|---|---|---|---|
| Reaktori | Tulppavirtaus (5 m³), jatkuvatoiminen | Tulppavirtaus (5 m³), jatkuvatoiminen | Panos |
| Prosessi | Märkämädätys, mesofiilinen | Märkämädätys, mesofiilinen | Kuivamädätys, mesofiilinen |
| Syöte | Seos (TS 10-11 m-%) (naudan liete + kuivaheinä) | Seos (TS 10-11 m-%) (naudan liete + kuivaheinä) | Säilönurmi (TS 31,1 m-%), Perkolaationeste (TS 1,7 m-%) |
| Tavoite | Vedyn konversio metaaniksi ja vähäinen H₂-pitoisuus tuotekaasussa | Vedyn maltillinen syöttö, vähäinen H₂-pitoisuus tuotekaasussa ja turvallinen metanointi | Puhtaan peltobiomassan turvallinen metanointi ja vähäinen H₂-pitoisuus tuotekaasussa |
| H₂-syöttö | H₂-syöttö (n. 100 l/vk) suoraan reaktorin alaosasta mädätepatjaan. Vety kulki sinttereiden läpi tasaisena sumuna kammioihin (K1- K3). Syöttö aloitettiin heti kokeen alussa. | H₂-sitoutus (50 l/vk) perkolaationesteeseen nanokuplittamalla. Kuplitettu H₂-perkolaationeste syötettiin syklittäin rejektinestekierron kautta kammioon 1. Rejektinestetekierto oli osa automatisoitua mädätysprosessia. Koe oli jatko-osa mikrosumutuskokeelle. | H₂-sitoutus perkolaationesteeseen nanokuplittamalla. Kuplitusyksikkö oli osa rejektinestekiertoa. Rejektinesteen nanokuplitus toteutettiin päivittäin. Kuplitettu H₂-perkolaationeste syötettiin reaktoriin mädätepatjan päälle, arkisin kerran päivässä. Metanointi aloitettiin koeviikolla 3. |
| Koeaika | 8 vk, sisältäen ylösajon (6 vk) | 4 vk, sisältäen muutostyöt (1 vk) | n. 8 vk |
| Vuodenaika | Syys-lokakuu, 2024 | Marras-joulukuu, 2024 | Syys-marraskuu, 2025 |
Taulukko 2. Vedyn syöttö koeviikoittain.
| Koeviikko | H₂-syöttö |
|---|---|
| 1 | 0 |
| 2 | 0 |
| 3 | 25,11 l/vk |
| 4 | 35,40 l/vk |
| 5 | 75,38 l/vk |
| 6 | 211,29 l/vk |
| 7 | 106,06 l/vk |
| 8 | 115,92 l/vk |
Vedyn syöttö vaatii tasaiset olosuhteet
Tehtyjen kokeiden pohjalta havaittiin, että reaktorin, linjaston sekä vedynsyötön olosuhteet on syytä vakioida turvallisuuden sekä tasaisen kaasuntuoton vuoksi. Erityisesti altistuessaan kylmälle prosessi keskeyttää mikrobien kaasuntuotannon välittömästi ja mikrobien puskurointikyky ulkoisille vaikutuksille heikkenee merkittävästi. Vedyn syöttö on myös herkkä lämpötilavaihteluille. Haluttu vetypitoisuus voi muuttua ulkoisen lämpötilavaihtelun vaikutuksesta aiheuttaen mädätysprosessiin häiriöitä. Molemmissa edellä mainituissa tapauksissa mikrobien toipuminen kestää viikkoja. Lisäksi lämpötilavaihteluun perustuvat muutokset vedyn syötössä voivat aiheuttaa merkittävän ja äkillisen turvallisuusriskin etenkin, jos vedyn syöttö toteutetaan mikrosumutustekniikalla.
Olosuhteiden ja vakioidun vedyn syötön vaikutus mikrobien toimintaan havaittiin rajuimmillaan märkämädätyskoejaksojen välissä vedyn syötön keskeyttämisen aikana muutostöiden vuoksi (kuvio 4). Mikrobien puskurointikyky heikkeni heti ja prosessi hapottui ja samalla metaanintuotto sekä kokonaiskaasuntuotto (Jämsén, 2024; 2026) laski merkittävästi. Nanokuplituskokeen koeaika oli liian lyhyt korjaamaan tilannetta, minkä vuoksi mikrobit eivät ehtineet palautua täydelliseen metaanintuottokyvykkyyteen suunnitellun toisen koejakson aikana. Tällä oli heijastava vaikutus sekä kokeiden kokonaismetaanipitoisuuteen että -kaasuntuottoon.
Kuivamädätyskoejaksolla (kuvio 5) mikrobien olosuhteet pysyivät melko hyvällä tasolla. Ailahtelut, etenkin metanointikokeessa johtuivat joko reaktorin jäätymisestä, sääolosuhteiden muutoksista tai vedyn syötöstä. On täysin mahdollista, että heikko kaasuntuotto (Jämsén, 2026, s. 23) metanointikokeen aikana johtui lisävedystä, joka mahdollisesti esti mikrobien toimintaa. Tämä voi selittyä kahdella eri tavalla. Joko mikrobit eivät lisävedyn takia kyenneet toimimaan toivotusti tai kuivamädätysprosessin toiminta estyi täysin pakastumisen takia jo ennen vedyn syötön aloitusta ja mädätysprosessi ei käynnistynyt toivotusti. Toisaalta kokeen lopussa mikrobien hyvinvointi on kaikesta huolimatta palautunut hyvälle tasolle, vaikka vedyn määrää on lisätty merkittävästi.
Maltillinen määrä vetyä riittää
Pilotointikokeissa havaittiin, että lisätty vety vaikuttaa metaanipitoisuuteen ja maltillisella vetymäärällä voidaan saavuttaa haluttu lisähyöty kustannustehokkaasti.
Vedyn määrä näyttäisi vaikuttavan eniten panos-tuotos-suhteeseen eli siihen, kuinka paljon lisättyä vetyä karkaa sellaisenaan tuotekaasuun ja kuinka paljon sitä sitoutuu metaaniksi. Ensimmäinen havainto tästä tehtiin mikrosumutuskoejaksojen aikana, jossa vetyä vapautui selvästi vähemmän tuotekaasuun (alle 0,5 %, Kuvio 6) kuin HABA-hankkeen (Lappalainen, 2023) aikana (jopa 15 %). Mikrosumutuskokeessa (kuvio 6) syötetyn vedyn määrää (l/vrk) vähennettiin noin 52-kertaisesti HABA-hankkeen vetymäärästä. Toinen selkeä havainto nähtiin märkämädätyskoejaksoilla (kuvio 6), jossa metaanipitoisuus oli puolet pienemmällä vetymäärällä samassa suurusluokassa nanokuplituskoejakson lopussa kuin mikrosumutuskoejaksolla. Nanokupla mahdollisesti viipyy pidempään märkämädätyspatjassa kuin mikrokupla ja on näin ollen kauemmin mikrobien hyödynnettävissä, tai nanokupla on riittävän pieni ja mikrobit kykenevät nappaamaan vedyn siitä helpommin käyttöönsä. Kolmas selkeä havainto havaittiin muutostöiden yhteydessä, sillä vedyn syötön katkaisu laski välittömästi tuotekaasun metaanipitoisuutta. Tämä tuki edellisiä havaintoja. Alimmillaan metaanipitoisuus muutostöiden aikana oli n. 50 ± 2 % minuuttidatan perusteella. Nanokuplituskokeen käynnistyessä ja vedyn syötön uudelleen aloitus palautti metaanikaasupitoisuuden 62 ± 2 % minuuttidatan perusteella seitsemän vuorokauden kuluessa. Metaanipitoisuuden kasvu oli n. 20 ± 2 % lisävedyn ansiosta. Muutos oli samassa suuruusluokassa kuin Lahtelan (2026) mainitsema, HABA-hankkeen laskelmiin pohjautuva teoreettinen metaanipitoisuuden kasvu (20 %) lisävedyllä.
Kuivamädätyskokeissa (kuvio 7) havaittiin, että metaanipitoisuuden suhteellinen kasvu oli korkeampi metanointi- kuin kontrollikokeessa koko kokeen ajan. Metaanipitoisuus oli samaa suuruusluokkaa (19,7 %) kuin ennustettu laskennallinen odotusarvo (20 %) kuten taulukossa 3 on esitetty. Metanointikokeen kaasu oli puhtaampaa kuin kontrollikokeessa, vaikka kaasuntuotto oli kontrollikoetta pienempi (Jämsén, 2026, s. 23) ulkoisten olosuhteiden tai kokeeseen sopimattoman kuivamädätysmenetelmän vuoksi.
Taulukko 3. Kuivamädätyskoejaksojen kokonaismetaanipitoisuudet sekä laskennallinen metaanipitoisuuden odotusarvo lisävedytykselle.
| Kuivamädätyskoejakso | CH₄ vol-%, keskiarvo | Kasvu % |
|---|---|---|
| Kontrollikoe | 44,1 | |
| Metanointikoe | 52,8 | 19,7 |
| Laskennallinen odotusarvo metanointikokeelle | 52,9 | 20,0 |
Rikkivety voi yllättää
Märkämädätyskoejaksoilla rikkivetypitoisuudet (kuvio 6) pysyivät maltillisina ja tavanomaisina. Sen sijaan kuivamädätyskokeiden metanointikoejaksoilla rikkivetyä (kuvio 7) syntyi poikkeuksellisen paljon raaka-aineeseen nähden. Rikkivetyjen läsnäolo havaittiin myös aistinvaraisesti reaktoriympäristössä.
On mahdollista, että kuivamädätepatjalle pumpattu vetyrejektineste sitoutuu tehokkaammin nestemäisten sulfidien kanssa kuin konvertoituu metaaniksi. Havaintojen perusteella näyttäisi siltä, että kuivamädätys ei ole sopiva prosessi lisävedyn syöttämiseen.
Vetyä on vaikea todentaa
Kaikissa mädätyskokeissa vedyn kulkeutumista pyrittiin seuraamaan joko manuaalisesti tai jatkuvatoimisesti. Keskeisimmät havainnot märkämädätyskoejaksojen ajalta olivat, että mikrosumutettu vety vapautui herkemmin tuotekaasuun kuin nanokuplitettuun sitoutettu vety. (Jämsén, 2024.) Kuivamädätyskokeiden aikana vetypitoisuuksia ei kyetty luotettavasti mittaamaan.
Mittaaminen osoittautui myös haasteelliseksi. Joko mittareiden mittausalueet eivät riittäneet pienien pitoisuuksien havaitsemiseen tai analysaattoreiden kennot eivät kestäneet olosuhteita eikä lisävedyn läsnäoloa. Vedyn sitoutumista ja vedyn vapautumista ei voida aukottomasti todentaa tehtyjen metanointikokeiden pohjalta. Kokeiden osalta tärkeimmäksi tulokseksi nousi juuri vetytaseen mittaamisen haasteet. Kehitystyötä tarvitaan vielä, jotta voidaan turvallisesti ja luotettavasti mitata vedyn kulkeutumista mädätysprosessissa ja optimoida saadun tiedon pohjalta lisävedyn määrää biokaasun tuotannossa.
Lisäarvoa uusilla vihreillä vetyteknologioilla energiantuotantoon, siirtoon ja hyödyntämiseen (gH2ADDVA)
Projektissa kehitämme uudistuvalle teollisuudelle puhtaita, ympäristöystävällisiä ja vaihtoehtoisia uusiutuvan energian tuotantomuotoja, uusia materiaaliteknisiä ratkaisuja sekä tekoälymenetelmiä ja -työkaluja arvoketjumallien luontiin. Projekti edistää osaltaan Suomen energiaomavaraisuutta ja yritysverkostoitumista sekä taklaa energian hinnan nousua.
Hankkeen kokonaisbudjetti on lähes 1,8 miljoonaa euroa. Projekti on Euroopan unionin osarahoittama oikeudenmukaisen siirtymän rahastosta (JTF). Projekti toteutetaan ajanjaksolla 1.1.2024 – 30.6.2026.
