Biopolttoaineseoksen poltosta aiheutuvien ongelmien arviointityökalu.

Biopolttoaineiden erityispiirteitä ovat alhainen lämpöarvo, korkea kosteuspitoisuus ja suuri haihtuvien aineiden määrä. Lisäksi biopolttoaineiden tuhkat sisältävät runsaasti alkaleja. Näistä ominaisuuksista seuraa ongelmia, jotka on otettava huomioon biopolttoainetta polttavan voimalaitoksen suunnittelussa ja käytössä. Diplomityössä selvitetään biopolttoaineiden poltosta aiheutuvat ongelmat ja niiden syyt sekä kehitetään työkalu, jonka avulla voidaan arvioida biopolttoaineseoksen polton ongelmien syntymistä. Arviointi tapahtuu biopolttoaineseoksen ominaisuuksien perusteella. Kattilassa vallitsevien, polton aikaisten olosuhteiden vaikutusta syntyviin ongelmiin ei tässä työssä tarkastella. Kun lähtötiedoista lasketut, ongelmien synnyn kannalta olennaiset polttoaineseoksen ja sen tuhkan ominaisuudet tunnetaan, verrataan niitä työssä koottuihin raja-arvoihin. Jos laskettu arvo on suurempi kuin rajaksi asetettu arvo, on todennäköistä, että kattilassa esiintyy ongelmia. Suurimmat ongelmat biopolttoaineiden leijupoltossa ovat likakerrostumien muodostuminen lämpöpinnoille, leijukerroksen sintraantuminen ja agglomeroituminen sekä lämpöpintojen korkealämpötilakorroosio. Raja-arvoina käytetään sekä tutkimustuloksina saatuja että käytännön kokemuksiin perustuvia arvoja. Raja-arvoja määritettäessä on huomioitu niiden soveltuvuus tarkastelun kohteena olevalle voimalaitokselle, jonka tyyppi ja kokoluokka vaikuttavat käytettäviin raja-arvoihin. Työkalu tukee keskikokoisen biovoimalaitoksen, jossa palaminen tapahtuu kerrosleijukattilassa, tuotteistusprosessia. Työkalua käytetään voimalaitoksen tuotteistuksessa optimaalisen polttoaineseoksen etsimiseen, riskienhallintaan sekä konseptikehitykseen. Lisäksi työkalua tullaan käyttämään valmiin tuotteen myyntiin ja markkinointiin.

Sähköntuotannon kannattavuus pienissä biopolttoainekattilalaitoksissa

Tässä diplomityössä selvitettiin sähköntuotannon kannattavuus pienissä biopolttoaineita käyttävissä laitoksissa. Työ jaettiin kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa tarkasteltiin turbiini-investoinnin kannattavuutta Punkavoima Oy:n kattilalaitoksella. Toisessa osassa tutkittiin sähkön ja lämmön yhteistuotannon mahdollisuutta pienillä laitoksilla, joissa lämpökuorma muodostuu pienen kunnan kaukolämpöverkon mukaan. Punkavoima Oy tuottaa prosessihöyryä Finnforest Oyj:n Punkaharjun tehtaille ja kaukolämpöä Punkaharjun taajamaan. Uusi 30 MWth tehoinen kattilalaitos, jota ei varustettu turbiinilaitoksella, otettiin kaupalliseen käyttöön toukokuussa 2002.Tarkastelun kohteena oli 3 erilaista turbiinivaihtoehtoa. Mahdollinen tehtaiden höyrykuorman muutos otettiin myös huomioon. Toisessa osassa tutkittiin pienten laitosten soveltuvuutta lämmön ja sähkön yhteistuotantoon. Tarkastelun kohteena olleet vaihtoehdot olivat: ORC- prosessi (Organic Rankine Cycle), Novel- voimalaitos (puun kaasutus), Wärtsilä BioGrate- voimalaitos sekä höyrykone.

Biopolttoaineiden käyttö mikroturbiineissa

Työssä tutkittiin suoran ja epäsuoran mikroturbiiniprosessin toimintaa. Lisäksi työssä on kerrottu tarvittavista biopolttoaineista, apulaitteista sekä suurnopeustekniikasta.

Biopolttoaineilla toimiva Stirling-voimalaitos

Stirling-moottori on ns. kuumailma moottori, joka toimii kaasun lämpötilaeron avulla. Kuumailma moottorin erityispiirteitä on laitteen ulkopuolella tapahtuva palaminen, josta lämpö johdetaan moottorille. Yleensä polttoaineena on käytetty vähän likaavaa polttoainetta esim. maakaasua mutta fossiilisten polttoaineiden kallistumisen ja niistä aiheutuvien päästöjen vuoksi niiden korvaaminen biopolttoaineella on tullut ajankohtaiseksi aiheeksi. Biopolttoaineiden likaavuuden takia niillä ei kuitenkaan voida lämmittää Stirling-moottoria suoraan vaan tarvitaan ylimääräinen lämmönsiirrin. Tämä diplomityö suoritettiin Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle ja sen tarkoituksena oli tutkia juuri tähän laitteistoon suunnitellun, Stirling-moottorin ja polttokammion välisen lämmönsiirtimen suoritusarvoja ja likaantumista. Lisäksi työssä tutkittiin lämmönsiirtimeltä Stirling-moottorille menevien ilmaputkien lämpöhäviöitä. Työssä tultiin siihen tulokseen, että tämän tyyppinen lämmönsiirrin on suoritusarvoiltaan keskiverto kaasu-kaasu lämmönsiirrintä parempi ja ei likaannu erityisen nopeasti. Lämpöhäviöt olivat toisaalta merkittävämmässä asemassa kuin likaantuminen. Suurista lämpötiloista johtuva eristeiden lämmöneristyskyvyn heikkeneminen tai lämmönsiirtimen vuoto aiheutti merkittäviä lämpöhäviöitä.

Fractionation of wood hydrolysate by ultrafiltration membranes at high temperature

Ultrafiltration (UF) is already used in pulp and paper industry and its demand is growing because of the required reduction of raw water intake and the separation of useful compounds from process waters. In the pulp and paper industry membranes might be exposed to extreme conditions and, therefore, it is important that the membrane can withstand them. In this study, extractives, hemicelluloses and lignin type compounds were separated from wood hydrolysate in order to be able to utilise the hemicelluloses in the production of biofuel. The performance of different polymeric membranes at different temperatures was studied. Samples were analysed for total organic compounds (TOC), lignin compounds (UV absorption at 280 nm) and sugar. Turbidity, conductivity and pH were also measured. The degree of fouling of the membranes was monitored by measuring the pure water flux before and comparing it with the pure water flux after the filtration of hydrolysate. According to the results, the retention of turbidity was observed to be higher at lower temperature compared to when the filtrations were operated at high temperature (70 °C). Permeate flux increased with elevated process temperature. There was no detrimental effect of temperature on most of the membranes used. Microdyn-Nadir regenerated cellulose membranes (RC) and GE-Osmonics thin film membranes seemed to be applicable in the chosen process conditions. The Polyethersulphone (NF-PES-10 and UH004P) and polysulphone (MPS-36) membranes used were highly fouled, but they showed high retentions for different compounds.

Integration of a Bioethanol Process to a Pulp Mill

Tässä diplomityössä tutkittiin puuhakkeen esihydrolyysi- ja hakkuujätteen hydrolyysiprosessien integroimista sellutehtaaseen bioetanolin tuottamiseksi. Tällaisesta ns. biojalostamosta luotiin WinGEMS-simulointiohjelmalla simulointimalli, jonka avulla tutkittiin bioetanoliprosessin vaikutusta sellutehtaan massa- ja energiataseisiin sekä alustavaa biojalostamon kannattavuutta. Simuloinnissa tarkasteltiin kolmea eri tapausta, joissa mäntysellun tuotannon ajateltiin olevan 1000 tonnia päivässä ja hakkuujätettä käytettävän 10 % tarvittavan kuitupuun määrästä: 1) Puuhakkeen esihydrolyysi ja hakkuujätteen hydrolyysi etanolin tuottamiseksi 2) Puuhakkeen esihydrolyysi, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi 3) Ei esihydrolyysiä, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi Verrattuna tapaukseen 3, puun kulutus kasvaa 16 % esihydrolysoitaessa puuhake ennen keittoa tapauksissa 1 ja 2. Kasvaneella puun kulutuksella tuotetaan tapauksessa 1 149 tonnia etanolia ja 240 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tapauksessa 2 tuotetaan 68 tonnia etanolia ja 460 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tämä tuottaisi vuotuista lisäkassavirtaa 18,8 miljoonaa euroa tapauksessa 1 ja 9,4 miljoonaa euroa tapauksessa 2. Hydrolyysin tuoteliuoksen, hydrolysaatin, haihduttaminen sekä hydrolyysiprosessien orgaanisten jäännöstuotteiden haihduttaminen ja polttaminen kasvattavat haihduttamon ja soodakattilan kuormitusta. Verrattuna tapaukseen 3, tapauksissa 1 ja 2 haihduttamon vaiheiden määrä on kasvatettava viidestä seitsemään ja tarvittavat lämmönsiirtopinta-alat lähes kaksinkertaistettava. Soodakattilan kuormitus kasvaa 39 % tapauksessa 1 ja 26 % tapauksessa 2.

Knowledge Map of Research on Biofuels

This work highlights and analyzes the citations and co-citations by different authors, countries and institutions in series of researches on biofuel. These relations represent a knowledge map which shows the areas of research by different countries and authors. The contributions of different institutions were also shown. With this knowledge map developed, areas of research that still need more attention as well as the most important studies were highlighted. The software used for this analysis is Citespace which is developed by Chaomei Chen. Sources of information are articles retrieved from ISI Web of Science. Biofuel as a renewable form of energy is discussed. Its sources, types, methods of production, effects, market, and producers were discussed. Also plans and strategies that aim at boosting world biofuel market were listed as well as recent researches on it. Knowledge mapping, its types and methods as well as the method and software used for the analysis were also discussed.

Research of wood fuel market in Ukraine and the Republic of Belarus

The goal of the present work was to describe the wood fuel market of Ukraine and the Republic of Belarus, to estimate wood fuel potential and to research opportunities of wood fuel trading. Nowadays the wood waste, wood residues and by-products are becoming more and more potential raw materials for energy production. Against the background of unstable prices of traditional energy sources and environmental degradation, European States are planning to get 12% of energy from alternative sources already in 2010. Wastes of wood-working and agricultural productions are such sources. At present time the most popular wood biofuels are wood pellets, briquettes, wood chips and logs. Ukraine and the Republic of Belarus have a rather big potential of wood fuel resources. But wood fuels markets of these countries are on the entry level and quite disorganized. There is almost no domestic usage of wood biofuel. All produced pellets, briquettes as well as wood chips and logs go to the export, but the volumes are not high at present time. Ukraine and the Republic of Belarus have a very suitable geographical location. The most promising directions of wood fuel trading are developed wood fuel markets of Northern countries, Austria, Germany as well as actively developing markets of Poland and Hungary. At the long distance truck and sea transportation are the most appropriate. At a short distance cheap transportation by rail is more suitable. Thereby export is a potential opportunity for development of wood fuel production and in the future for usage in the researched countries.

Sustainability of palm oil production and opportunities for Finnish technology and know-how transfer

The global demand for palm oil is growing, thus prompting an increase in the global production particularly in Malaysia and Indonesia. Such increasing demand for palm oil is due to palm oil’s relatively cheap price and versatile advantage both in edible and non-edible applications. Along with the increasing demand for palm oil, particularly for the production of biofuel, is a heated debate on its sustainability. Ecological degradation, climate change and social issues are among the main sustainability issues pressing the whole palm oil industry today. Clean Development Mechanism (CDM) projects fulfilling the imperatives of the Kyoto Protocol are starting to gain momentum in Malaysia as reflected by the increasing registration of CDM projects in the palm oil mills. Most CDM projects in palm oil mills are on waste-to-energy, cocomposting, and methane recovery with the latter being the most common. The study on greenhouse gases (GHG) in the milling process points that biogas collection and energy utilisation has the greatest positive effect on GHG balance. On the other hand, empty fruit bunches (EFB) end-use as energy and high energy efficiency of the mill have the least effect on GHG balance of the mill. The range of direct GHG emissions from the palm oil mill is from 2.5 to 27 gCO2e/MJCPO, while the range of GHG emissions with all indirect and avoided emissions included is from -9 to 29 gCO2e/MJCPO. Comparing this GHG balance result with that of the EU RES-Directive suggests a further check on the values and emissions consideration of the latter.

Euroopan unionin kestävyyskriteerien soveltuvuus liikenteen biopolttoaineiden kasvihuonekaasuvaikutusten arviointiin

Euroopan unioni on niin sanotussa RES-direktiivissä asettanut tavoitteet uusiutuvan energian käytön lisäämiseksi 10 %:iin liikenteen energian kulutuksesta kaikissa jäsenmaissa vuoteen 2020 mennessä. Eräs näistä uusiutuvan energian muodoista on biopolttoaineet. Tässä työssä testataan RES-direktiivissä esitettyä laskentamenetelmää biopolttoaineiden tuotannon ja käytön kasvihuonekaasupäästöjen arviointiin. Esimerkkitapauksena on yhdyskuntien ja teollisuuden jätemateriaalia raaka-aineena käyttävän jäte-etanoliprosessin ja siihen yhdistetyn sähköä ja lämpöä tuottavan CHP-laitoksen päästölaskenta. Laskennan yhteydessä käy ilmi RES-direktiivin laskentamenetelmän tulkinnanvaraisuus. Laskentamenetelmän perusteella järjestelmäraja voidaan asettaa usealla eri tavalla, jolloin saadut päästövähennystulokset vaihtelevat huomattavasti eri tulkintavaihtoehtojen välillä. Jäte-etanolin tapauksessa tulokset ovat myös hyvin riippuvaisia jätemateriaalille määritellystä päästökertoimesta. Laskennan perusteella voidaankin sanoa, että RES-direktiivin laskentamenetelmällä saadut päästövähennystulokset biopolttoaineille ovat hyvin epävarmoja ja riippuvat sekä laskennan lähtöoletuksista että direktiivin tulkintatavasta. RES-direktiivin laskentamenetelmää voidaan myös pitää hyvin suppeana lähestymistapana biopolttoaineiden kasvihuonekaasuvaikutusten arviointiin. Tarkastelua tehdään suppealla järjestelmärajalla ja esimerkiksi biopolttoaineketjujen aiheuttamat epäsuorat ilmastovaikutukset jäävät huomioimatta. RES-direktiivin laskentamenetelmä perustuu perinteiseen staattiseen elinkaariarviointiin eli syytarkasteluun eikä sovellu arvioimaan muutosta. Ilmastomuutoksen hillinnän haastavuuden ja kiireellisyyden vuoksi biopolttoaineiden ilmastovaikutuksia tulisi kuitenkin arvioida myös laajemmin muutostarkasteluna, ja verrata biopolttoaineiden avulla saatuja päästövähennyksiä muilla keinoin saavutettuihin päästövähennyksiin. Näin voitaisiin paremmin arvioida sitä, mitkä keinot soveltuvat parhaiten nopeiden päästövähennysten saavuttamiseen.

Kierrätyspolttoaineiden käyttö leijukerrospoltossa vetykaasun kanssa

Tämä diplomityö on tehty Leppäkosken Energia Oy:n ja Kemira Chemicals Oy:n yhteisyritys FC Energia Oy:lle. FC Energia Oy suunnittelee rakentaa uutta bio-vetyvoimalaitosta Sastamalaan. Voimalaitoksella tuotettaisiin Kemira Chemicals Oy:n ylijäämävedystä ja biopolttoaineista sähköä, kaukolämpöä ja prosessihöyryä. Ympäristölupaa on haettu hakkeen, turpeen ja kierrätyspuun poltolle vetykaasun kanssa. Voimalaitoksen kattilan toiminta perustuu kuplivaan leijukerrostekniikkaan. Diplomityössä selvitettiin, mitä muutoksia kierrätyspolttoaineiden käyttö vaatii leijukerrospoltossa verrattuna hakkeen ja turpeen polttoon. Kierrätyspolttoaineena käytetään hyvälaatuista kierrätyspuuta. Kierrätyspuun käytössä sovelletaan jätteenpoltto-asetusta. Jätteenpolttoasetus määrää tiukemmat päästöjen raja-arvot rinnakkaispoltolle kuin hakkeen ja turpeen poltolle sekä jatkuvatoimiset savukaasujen mittauslaitteet. Rinnakkaispolton hiukkasmaisten päästöjen tiukempi raja-arvo vaatii tehokkaamman sähkösuodattimen. Lisäksi kierrätyspuuta käytettäessä tulistimen materiaaliin tulee olla kestävämpää, mikä aiheuttaa huomattavan lisäinvestoinnin. Työn päätavoitteena oli selvittää, onko kierrätyspuun käyttö taloudellisesti kannattavaa. Oletetulla kierrätyspuun hinnalla 10 €/MWh kierrätyspuuta polttavan voimalaitoksen takaisinmaksuaika on sama kuin haketta polttavan laitoksen ja vuoden lyhyempi kuin turvetta polttavan laitoksen. Tulokseksi saatiin, että rinnakkaispoltto käyttö on taloudellisesti kannattavaa hakkeenpolttoon nähden jos kierrätyspuun hinta on alle 11,2 €/MWh. Kierrätyspuun polttoon liittyy toiminnallinen riski, koska vastaavanlaisia rinnakkaispolttolaitoksia ei ole aiemmin rakennettu.

Arinakattilan lämmönsiirron laskentamallin kehittäminen

Kattilalaitosten polttoaineen syötössä ilmenevät häiriöt ja biopolttoaineiden laatuvaihtelut aiheuttavat epävakaata palamista ja tekevät prosessin hallinnasta vaikeampaa. Polttoaineen laatuvaihtelut vaikuttavat koko prosessiin ja näkyvät lopulta myös höyryntuotannossa. Kompensoinnilla pyritään estämään häiriöiden suuret vaikutukset höyryn tuotantoon. Tarkoituksena on saada kattilan toiminta ja tehon tuotanto tasaisemmaksi ja helpommin hallittavaksi. Tässä diplomityössä tarkastellaan polttoaineen ominaisuuksien, säteilylämmönsiirron sekä säätöjen vaikutusta toisiinsa ja merkitystä kattilan toiminnan kannalta. Työssä muodostetaan säteilylämmönsiirron laskentamalli arinakattilan tulipesälle käyttäen hyväksi hyvin sekoittuneen tulipesän menetelmää. Menetelmällä voidaan määrittääsavukaasujen keskimääräinen lämpötila tulipesässä, lämpövirta tulipesän seiniin tai poltossa vapautuva lämpöteho. Mallin avulla voidaan paremmin ymmärtää prosessin käyttäytymistä polttoaineen laadun muuttuessa sekä helpottaa ja nopeuttaa kattilan käyttäytymisen ennustamista. Laskentamalli tehtiin Excel –laskentaohjelmaan, jossa se testataan. Verifioinnin jälkeen malli on tarkoitus siirtää toimimaan apros –simulointiympäristöön.

Biopolttoaineiden lisäämismahdollisuudet kaukolämmön tuotannossa pienen kokoluokan tuotantolaitoksissa Lahden seudulla

Tämä diplomityö on tehty IMMU-hankkeeseen, jossa selvitetään konkreettisia keinoja ilmastonmuutoksen hillintään Lahden seudulla. Diplomityössä tarkastellaan mahdollisuuksia lisätä biopolttoaineita pienen kokoluokan kaukolämmön tuotantolaitoksissa. Teoria osuuden pohjalta luodaan skenaariot Nastolaan ja Vääksyyn (Asikkala). Skenaarioissa tarkastellaan biopolttoaineiden lisäämisen vaikutuksia kasvihuonekaasu- ja hiukkaspäästöihin käyttämällä elinkaariarviointimenetelmää. Taloudellisia seikkoja tarkastellaan laskemalla takaisinmaksuaikoja eri biolaitosratkaisuille nettonykyarvomenetelmällä. Tutkimuksen tuloksena saatiin, että kasvihuonekaasupäästöt tuotannon elinkaaren ajalta vähenevät eniten tuottamalla kaukolämmön perustuotanto Nastolassa ja Vääksyssä bio-CHP-laitoksella haketta polttamalla. Kiinteitä biopolttoaineita poltettaessa tulevat kuitenkin suurimmat hiukkaspäästöt, mikä vaikuttaa asuinympäristön viihtyvyyteen tuotantolaitoksen läheisyydessä. Bio-CHP-laitoksen investointikustannukset ovat suurimmat ja takaisinmaksuaika pisin. Nastolan kulutusperusteisiä päästöjä pystytään vähentämään eniten investoimalla biolämpölaitokseen tai bio-CHP-laitokseen. Päästöjä Nastolassa pystyttäisiin kyseisillä investoinneilla vähentämään enimmillään 6,4 %. Lahti energian kokonaispäästöjä pystyttäisiin enimmillään vähentämään noin 1,6 %. Johtopäätöksenä tutkimuksesta voidaan sanoa, että kasvihuonekaasupäästöjä pystytään vähentämään investointien avulla. Toiset ratkaisut ovat vain kalliimpia kuin toiset. Lisäksi kiinteitä biopolttoaineita käytettäessä jotkut poltto-ominaisuudet voivat heiketä esim. verrattuna maakaasun polttoon. Biopolttoaineiden lisäämisellä kuitenkin päästään irti riippuvuudesta fossiilisiin polttoaineisiin kuten öljyyn ja maakaasuun. Investointeja tehdessä on vaikea sanoa suoraan, mikä vaihtoehto on paras tapa tuottaa kaukolämpöä. Investointipäätöksiä tehdessä päätökseen vaikuttaa se, mitä tuotannon ominaispiirteitä painotetaan eniten.

Effect of forest-based biofuels production on carbon footprint, Case: Integrated LWC paper mill

International energy and climate strategies also set Finland’s commitments to increasing the use of renewable energy sources and reducing greenhouse gas emissions. The target can be achieved by, for example, increasing the use of energy wood. Finland’s forest biomass potential is significant compared with current use. Increased use will change forest management and wood harvesting methods however. The thesis examined the potential for integrated pulp and paper mills to increase bioenergy production. The effects of two bioenergy production technologies on the carbon footprint of an integrated LWC mill were studied at mill level and from the cradle-to-customer approach. The LignoBoost process and FT diesel production were chosen as bioenergy cases. The data for the LignoBoost process were obtained from Metso and for the FT diesel process from Neste Oil. The rest of the information is based on the literature and databases of the KCL-ECO life-cycle computer program and Ecoinvent. In both case studies, the carbon footprint was reduced. From the results, it can be concluded that it is possible to achieve a fossil-fuel-free pulp mill with the LignoBoost process. By using steam from the FT diesel process, the amount of auxiliary fuel can be reduced considerably and the bark boiler can be replaced. With a choice of auxiliary fuels for use in heat production in the paper mill and the production methods for purchased electricity, it is possible to affect the carbon footprints even more in both cases.