Liikennebiokaasun jakelu Mikkelin seudulla: teknologia-, kustannus- ja kannattavuustarkastelu

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tarkastella biokaasun liikennekäyttöön tarvittavia teknologisia ratkaisuja ja tehdä kustannusvertailua erilaisten jakeluvaihtoehtojen välillä Mikkelin ympäristön case-tapauksessa. Työn teoriaosassa on esitelty teknologisia vaihtoehtoja liikennebiokaasun jakelulle sekä eri teknologioiden kustannuksia. Tietämys eri teknologiavaihtoehdoista ja niiden hinnoista on muodostettu kirjallisuuskatsauksen, asiantuntijahaastatteluiden sekä saatujen tarjousten perusteella. Työn empiriaosassa on tarkasteltu kolmen eri jakeluskenaarion kustannuksia käyttäen elinkaarikustannuslaskentaa, sekä toimintoperusteista kustannuslaskentaa. Liikennebiokaasun jakelun kustannuksiksi työn case-tapauksissa saatiin jakelutavasta riippuen 0,37 €/kg – 1,02 €/kg (2,64 snt/kWh – 7,29 snt/kWh). Edullisin vaihtoehto liikennebiokaasun jakeluun on työn perusteella myydä tuotettu kaasu tuotantolaitoksella. Jos kaasua siirretään tankattavaksi tytärasemalle, on vaihtoehtoina paineistettu kaasu siirtokontein, nesteytetty kaasu trailerilla tai putkisiirto. Halvin siirtokeino tämän työn skenaarioissa oli kaasun putkisiirto.

Modelling the super-equilibria in thermal biomass conversion : applications and limitations of the constrained free energy method

Bioenergi ses som en viktig del av det nu- och framtida sortimentet av inhemsk energi. Svartlut, bark och skogsavfall täcker mer än en femtedel av den inhemska energianvändningen. Produktionsanläggningar kan fungera ofullständigt och en mängd gas-, partikelutsläpp och tjära produceras samtidigt och kan leda till beläggningsbildning och korrosion. Orsaken till dessa problem är ofta obalans i processen: vissa föreningar anrikas i processen och superjämviktstillstånd är bildas. I denna doktorsavhandling presenteras en ny beräkningsmetod, med vilken man kan beskriva superjämviktstillståndet, de viktigaste kemiska reaktionerna, processens värmeproduktion och tillståndsstorheter samtidigt. Beräkningsmetoden grundar sig på en unik frienergimetod med bivillkor som har utvecklats vid VTT. Den här så kallade CFE-metoden har tidigare utnyttjats i pappers-, metall- och kemiindustrin. Applikationer för bioenergi, vilka är demonstrerade i doktorsavhandlingen, är ett nytt användingsområde för metoden. Studien visade att beräkningsmetoden är väl lämpad för högtemperaturenergiprocesser. Superjämviktstillstånden kan uppstå i dessa processer och det kemiska systemet kan definieras med några bivillkor. Typiska tillämpningar är förbränning av biomassa och svartlut, förgasning av biomassa och uppkomsten av kväveoxider. Också olika sätt att definiera superjämviktstillstånd presenterades i doktorsavhandlingen: empiriska konstanter, empiriska hastighetsuttryck eller reaktionsmekanismer kan användas. Resultaten av doktorsavhandlingen kan utnyttjas i framtiden i processplaneringen och i undersökning av nya tekniska lösningar för förgasning, förbränningsteknik och biobränslen. Den presenterade metoden är ett bra alternativ till de traditionella mekanistiska och fenomenmodeller och kombinerar de bästa delarna av både. --------------------------------------------------------------- Bioenergia on tärkeä osa nykyistä ja tulevaa kotimaista energiapalettia. Mustalipeä, kuori ja metsätähteet kattavat yli viidenneksen kotimaisesta energian kulutuksesta. Tuotantolaitokset eivät kuitenkaan aina toimi täydellisesti ja niiden prosesseissa syntyy erilaisia kaasu- ja hiukkaspäästöjä, tervoja sekä prosessilaitteita kuluttavia saostumia ja ruostumista. Usein syy näihin ongelmiin on prosessissa esiintyvä epätasapainotila: tietyt yhdisteet rikastuvat prosessissa ja muodostavat supertasapainotiloja. Väitöstyössä kehitettiin uusi laskentamenetelmä, jolla voidaan kuvata nämä supertasapainotilat, tärkeimmät niihin liittyvät kemialliset reaktiot, prosessin lämmöntuotanto ja tilansuureet yhtä aikaa. Laskentamenetelmä perustuu VTT:llä kehitettyyn ainutlaatuiseen rajoitettuun vapaaenergiamenetelmään. Tätä niin kutsuttua CFE-menetelmää on aiemmin sovelluttu onnistuneesti muun muassa paperi-, metalli- ja kemianteollisuudessa. Väitöstyössä esitetyt bioenergiasovellukset ovat uusi sovellusalue menetelmälle. Työ osoitti laskentatavan soveltuvan hyvin korkealämpöisiin energiatekniikan prosesseihin, joissa kemiallista systeemiä rajoittavia tekijöitä oli rajallinen määrä ja siten super-tasapainotila saattoi muodostua prosessin aikana. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat biomassan ja mustalipeän poltto, biomassan kaasutus ja typpioksidipäästöt. Työn aikana arvioitiin myös erilaisia tapoja määritellä super-tasapainojen muodostumista rajoittavat tekijät. Rajoitukset voitiin tehdä teollisiin mittauksiin pohjautuen, kokeellisia malleja hyödyntäen tai mekanistiseen reaktiokinetiikkaan perustuen. Tulevaisuudessa väitöstyön tuloksia voidaan hyödyntää prosessisuunnittelussa ja tutkittaessa uusia teknisiä ratkaisuja kaasutus- ja polttotekniikoissa sekä biopolttoaineiden tutkimuksessa. Kehitetty menetelmä tarjoaa hyvän vaihtoehdon perinteisille mekanistisille ja ilmiömalleille yhdistäen näiden parhaita puolia.

Hiilidioksidin käsittely P2G prosessia varten

Power-to-Gas (P2G) tarkoittaa sähköenergian muuttamista kaasuksi. Kyse on konseptista, jossa uusiutuvaa energiaa varastoidaan kaasuun kemialliseksi energiaksi. Siinä tuotettava kaasu on joko vetyä tai metaania. Metanoinnissa muodostetaan hiilidioksidista ja vedystä kemiallisella prosessilla metaania, joka voidaan syöttää maakaasuverkkoon. Hiilidioksidin laadulle tässä prosessissa ei ole selkeitä ohjeita. Tässä työssä on tavoitteena selvittää miten hiilidioksidin laatu vaikuttaa metanointiprosessiin ja miten sitä tulee käsitellä tätä prosessia varten. Selvitetään myös mahdollisia hiilidioksidinkäsittelymenetelmiä, sekä lyhyesti talteenotto- ja kuljetustapojen vaikutuksia niihin. Esitetään kirjallisuudesta löytyviä arvioita hiilidioksidin käsittelyn kustannuksille.

Puun kemiallinen koostumus ja sen uuteaineiden analysointi

Tämä kandidaatintyö jakaantuu teoriaosuuteen ja kokeelliseen osaan. Teoriaosuudessa käsitellään puun kemiallista koostumusta, jossa keskitytään erityisesti puun uuteaineisiin. Puun uuteaineista käsitellään erityisesti hartsihappoja, koska ne ovat taloudellisesti arvokkaita yhdisteitä. Teoriaosuudessa esitellään puun uuteaineille eri analyysimenetelmiä kaasu- ja nestekromatografialla sekä kapillaarielektroforeesilla. Analyysimenetelmät ovat koottu tieteisartikkeleista, joissa on tutkittu ja analysoitu puun uuteaineita. Työn kokeellisessa osuudessa analyysilaitteeksi valittiin kapillaarielektroforeesi (CE). Tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla voisi analysoida puun uuteaineista hartsi- ja rasvahappoja. Kapillaarielektroforeesille testattiin viittä erilaista menetelmää. Referenssinäytteinä työssä käytettiin oleiinihappoa ja abietiinihappoa. Yhdellä testatuista menetelmistä saatiin analysoitua oleiinihappoa referenssinäytteistä, mutta mahdollisesti myös abietiinihappoa. Tässä menetelmässä CE:n puskuriliuoksena käytettiin 50 mM boraattia + 100 mM natriumlauryylisulfaattia. Menetelmässä näytteen injektioaika oli 10 sekuntia ja CE:n sähköjännite oli 25 kV. Menetelmä oli toimiva 1000 mg/L liuoksilla, joiden pH oli nostettu 9-10 natriumhydroksidilla. Menetelmän haittapuolena on se, että alle 200 mg/L:n kantaliuoksilla CE:llä ei voitu analysoida oleiini- ja abietiinihappoa. Menetelmä ei siis sovellu esimerkiksi sellaisten näytteiden analysointiin, jossa oleiini- ja abietiinihappo pitoisuudet ovat hyvin pienet (alle 200 mg/L).

Analysis of Phase Separator Design Criteria Using Computational Fluid Dynamics

Gravitational phase separation is a common unit operation found in most large-scale chemical processes. The need for phase separation can arise e.g. from product purification or protection of downstream equipment. In gravitational phase separation, the phases separate without the application of an external force. This is achieved in vessels where the flow velocity is lowered substantially compared to pipe flow. If the velocity is low enough, the denser phase settles towards the bottom of the vessel while the lighter phase rises. To find optimal configurations for gravitational phase separator vessels, several different geometrical and internal design features were evaluated based on simulations using OpenFOAM computational fluid dynamics (CFD) software. The studied features included inlet distributors, vessel dimensions, demister configurations and gas phase outlet configurations. Simulations were conducted as single phase steady state calculations. For comparison, additional simulations were performed as dynamic single and two-phase calculations. The steady state single phase calculations provided indications on preferred configurations for most above mentioned features. The results of the dynamic simulations supported the utilization of the computationally faster steady state model as a practical engineering tool. However, the two-phase model provides more truthful results especially with flows where a single phase does not determine the flow characteristics.

Molecular patterns behind immunological and metabolic alterations in lysinuric protein intolerance

Lysinuric protein intolerance (LPI) is a recessively inherited disorder characterised by reduced plasma and increased urinary levels of cationic amino acids (CAAs), protein malnutrition, growth failure and hyperlipidemia. Some patients develop severe immunological, renal and pulmonary complications. All Finnish patients share the same LPIFin mutation in the SLC7A7 gene that encodes CAA transporter y+LAT1. The aim of this study was to examine molecular factors contributing to the various symptoms, systemic metabolic and lipid profiles, and innate immune responses in LPI. The transcriptomes, metabolomes and lipidomes were analysed in whole-blood cells and plasma using RNA microarrays and gas or liquid chromatography-mass spectrometry techniques, respectively. Toll-like receptor (TLR) signalling in monocyte-derived macrophages exposed to pathogens was scrutinised using qRT-PCR and the Luminex technology. Altered levels of transcripts participating in amino acid transport, immune responses, apoptosis and pathways of hepatic and renal metabolism were identified in the LPI whole-blood cells. The patients had increased non-essential amino acid, triacylglycerol and fatty acid levels, and decreased plasma levels of phosphatidylcholines and practically all essential amino acids. In addition, elevated plasma levels of eight metabolites, long-chain triacylglycerols, two chemoattractant chemokines and nitric oxide correlated with the reduced glomerular function in the patients with kidney disease. Accordingly, it can be hypothesised that the patients have increased autophagy, inflammation, oxidative stress and apoptosis, leading to hepatic steatosis, uremic toxicity and altered intestinal microbe metabolism. Furthermore, the LPI macrophages showed disruption in the TLR2/1, TLR4 and TLR9 pathways, suggesting innate immune dysfunctions with an excessive response to bacterial infections but a deficient viral DNA response.

Optimization of a steel plant utilizing converted biomass

Inom nära framtid kan det vara ekonomiskt lönsamt att investera i träbaserad biomassa-användning inom stålproduktion. En förutsättning är att biomassans bränsle-egenskaper förbättras genom en sorts förkolning, närmare sagt långsam pyrolysering. Som biomassakälla duger skogsrester och dylikt. Nyttan med att använda biomassa är att man reducerar fossila CO2-utsläpp och på så vis minskar på den globala uppvärmningen; detta kräver dock att återplantering görs för att fånga de frigjorda CO2-utsläppen som härstammar från biomassans skörd, transport, processering och förbränning. En investering i en pyrolyseringsanläggning integrerad i ett stålverk kan vara lönsam ifall utsläppskatten är över 20 € per ton CO2 då biomassakostnaden är 40 € per ton torr substans. Detta är dock inte fallet i dagens läge och i Finland är dessa avgifter beroende av politiska beslut på Europeisk nivå. Det kunde dock vara av politiskt intresse att stödja biomassa-användningen inom stålindustrin eftersom detta skulle skapa nya arbetsplatser såväl inom själva stålindustrin som inom skogsindustrin och möjligen även inom kemi-industrin, beroende på hur de resulterande pyrolysprodukterna (träkol, gas och bio-oljor) utnyttjas. Med tanke på att närmare en femtedel av alla CO2-utsläpp härstammande från industrin kommer från stålindustrin så är det uppenbart att mera miljövänligare alternativ kommer att krävas i framtiden. Lähitulevaisuudessa voi olla taloudellisesti kannattavaa käyttää puuperäistä biomassaa teräksen valmistuksessa. Tämä vaatii kuitenkin sen, että biomassa läpikäy eräänlaisen hiillostuksen, eli pyrolyysin, ja tässä tapauksessa, hitaan pyrolyysin. Biomassalähteeksi kelpaavat esimerkiksi hakkuujätteet ja muu puujäte. Hyöty biomassankäytöstä syntyy siitä, kun se osittain korvaa perinteisesti käytettyjä fossiilisia polttoaineita, jolloin fossiiliset hiilidioksidipäästöt vähenevät ja tällöin myös vaikutus ilmaston lämpenemiseen vähenee. Edellytyksenä on tietysti se, että uusia puita ja kasveja istutetaan, jotta biomassan keräyksestä, kuljetuksesta, käsittelystä sekä poltosta vapautunut hiilidioksidi saadaan jälleen talteen. Arvion mukaan pyrolyysiyksikön integroiminen terästehtaaseen tulee taloudellisesti kannattavaksi, kun hiilidioksidivero nousee yli 20 € per tonni, kun biomassan hinnaksi on arvioitu 40 € per tonni kuiva-ainesta. Kyseinen hintataso ei ole tällä hetkellä voimassa ja Suomen tilanne tässä asiassa on vahvasti kytköksissä Euroopan tasolla tehtäviin päätöksiin. Aihe voisi kuitenkin olla poliittisella tasolla kiinnostava ja taloudellisen tuen arvoista, koska biomassan käyttö loisi lisää työpaikkoja niin terästeollisuudessa kuin puuteollisuudessakin ja mahdollisesti myös kemianteollisuudessa, riippuen siitä miten erinäisiä pyrolyysituotteita (puuhiili, kaasu ja bio-öljy) hyödynnettäisiin. Ottaen huomioon, että terästeollisuus maailmanlaajuisesti vastaa noin viidesosasta kaikista teollisuudesta peräisin olevista hiilidioksidipäästöistä on päivänselvää, että ympäristöystävällisemmille vaihtoehdoille on tarvetta tulevaisuudessa.