Potential for Greenhouse Gas Emission Reductions by Using Biomethane as a Road Transportation Fuel

The aim of this thesis is to study whether the use of biomethane as a transportation fuel is reasonable from climate change perspective. In order to identify potentials and challenges for the reduction of greenhouse gas (GHG) emissions, this dissertation focuses on GHG emission comparisons, on feasibility studies and on the effects of various calculation methodologies. The GHG emissions calculations are carried out by using life cycle assessment (LCA) methodologies. The aim of these LCA studies is to figure out the key parameters affecting the GHG emission saving potential of biomethane production and use and to give recommendations related to methodological choices. The feasibility studies are also carried out from the life cycle perspective by dividing the biomethane production chain for various operators along the life cycle of biomethane in order to recognize economic bottlenecks. Biomethane use in the transportation sector leads to GHG emission reductions compared to fossil transportation fuels in most cases. In addition, electricity and heat production from landfill gas, biogas or biomethane leads to GHG reductions as well. Electricity production for electric vehicles is also a potential route to direct biogas or biomethane energy to transportation sector. However, various factors along the life cycle of biomethane affect the GHG reduction potentials. Furthermore, the methodological selections have significant effects on the results. From economic perspective, there are factors related to different operators along the life cycle of biomethane, which are not encouraging biomethane use in the transportation sector. To minimize the greenhouse gas emissions from the life cycle of biomethane, waste feedstock should be preferred. In addition, energy consumption, methane leakages, digestate utilization and the current use of feedstock or biogas are also key factors. To increase the use of biomethane in the transportation sector, political steering is needed to improve the feasibility for the operators. From methodological perspective, it is important to recognize the aim of the life cycle assessment study. The life cycle assessment studies can be divided into two categories: 1.) To produce average GHG information of biomethane to evaluate the acceptability of biomethane use compared to fossil transportation fuels. 2.) To produce GHG information of biomethane related to actual decision-making situations. This helps to figure out the actual GHG emission changes in cases when feedstock, biogas or biomethane are already in other use. For example directing biogas from electricity production to transportation use does not necessarily lead to additional GHG emission reductions. The use of biomethane seems to have a lot of potential for the reduction of greenhouse gas emissions as a transportation fuel. However, there are various aspects related to production processes, to the current use of feedstock or biogas and to the feasibility that have to be taken into account.

Hakkuutähteestä valmistetun pyrolyysiöljyn elinkaaren kasvihuonekaasupäästöt

Kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi ja uusiutuvan energian käytön lisäämiseksi EU:ssa on säädetty direktiivi uusiutuvan energian käytön edistämisestä(RES-direktiivi). Direktiivissä annetaan ohjeet biopolttoaineiden ja bionesteiden kasvihuonekaasuvaikutusten laskemiseen. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, täyttääkö hakkuutähteistä valmistettu pyrolyysiöljy RES-direktiivin asettamat määrälliset vaatimukset kasvihuonekaasujen päästövähennykselle silloin, kun pyrolyysiöljyllä korvataan raskasta polttoöljyä lämmöntuotannossa. Laskenta suorittiin direktiivin ohjeiden mukaan. Lisäksi työssä pohdittiin laskentamenetelmän soveltuvuutta pyrolyysiöljyn ilmastovaikutusten arviointiin yleisesti. Laskennassa huomioitiin raaka-aineen tuotannosta, jalostuksesta sekä kuljetuksesta ja jakelusta aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt. Päästöt laskettiin ensin oletusarvoilla, jonka jälkeen suoritettiin todennäköisyyspohjainen herkkyystarkastelu valituille parametreille. Herkkyystarkastelun tuloksista huomattiin, että päästövähennys riippuu pääasiassa kahdesta tekijästä: maaperän hiilitaseen muutoksesta aiheutuvista päästöistä ja pyrolyysiprosessin tarvitseman lämmön tuotantoon käytetyistä polttoaineista. Eniten tuloksiin vaikutti kuitenkin se, oletettiinko pyrolysaattori ja kattila tarkastelussa erillisiksi yksiköiksi (tapaus 1) vai kokonaisuudeksi (tapaus 2). Tulosten perusteella näyttää siltä, että pyrolyysiöljyn käyttö lämmöntuotannossa raskaan polttoöljyn sijasta johtaa päästövähennyksiin. Saatuja tuloksia ei kuitenkaan voida pitää ennusteina pyrolyysiöljyn todellisista ilmastovaikutuksista, koska elinkaariarviointiin liittyy monia epävarmuuksia. RES-direktiivin laskentaohjeet esimerkiksi järjestelmärajausten muodostamisesta ja päästöjen kohdentamisesta ovat epätarkat. Tästä syystä direktiiviä on mahdollista tulkita usealla eri tavalla, jolloin toisistaan poikkeavat tulokset voivat silti olla kaikki direktiivin mukaisesti laskettuja. Jotta liika tulkinnanvaraisuus ei aiheuttaisi ongelmia, olisi RES-direktiivin laskentaohjetta hyvä tarkentaa.

Reduction of Greenhouse Gas Emissions in North-West Russia - Finnish Business Opportunities

Tutkimus suomalaisten yritysten liiketoimintamahdollisuuksista hiilidoksidipäästöjen vähentämisen parissa Luoteis-Venäjällä.

Greenhouse gas emissions from peat and biomass-derived fuels, electricity and heat — Estimation of various production chains by using LCA methodology

More discussion is required on how and which types of biomass should be used to achieve a significant reduction in the carbon load released into the atmosphere in the short term. The energy sector is one of the largest greenhouse gas (GHG) emitters and thus its role in climate change mitigation is important. Replacing fossil fuels with biomass has been a simple way to reduce carbon emissions because the carbon bonded to biomass is considered as carbon neutral. With this in mind, this thesis has the following objectives: (1) to study the significance of the different GHG emission sources related to energy production from peat and biomass, (2) to explore opportunities to develop more climate friendly biomass energy options and (3) to discuss the importance of biogenic emissions of biomass systems. The discussion on biogenic carbon and other GHG emissions comprises four case studies of which two consider peat utilization, one forest biomass and one cultivated biomasses. Various different biomass types (peat, pine logs and forest residues, palm oil, rapeseed oil and jatropha oil) are used as examples to demonstrate the importance of biogenic carbon to life cycle GHG emissions. The biogenic carbon emissions of biomass are defined as the difference in the carbon stock between the utilization and the non-utilization scenarios of biomass. Forestry-drained peatlands were studied by using the high emission values of the peatland types in question to discuss the emission reduction potential of the peatlands. The results are presented in terms of global warming potential (GWP) values. Based on the results, the climate impact of the peat production can be reduced by selecting high-emission-level peatlands for peat production. The comparison of the two different types of forest biomass in integrated ethanol production in pulp mill shows that the type of forest biomass impacts the biogenic carbon emissions of biofuel production. The assessment of cultivated biomasses demonstrates that several selections made in the production chain significantly affect the GHG emissions of biofuels. The emissions caused by biofuel can exceed the emissions from fossil-based fuels in the short term if biomass is in part consumed in the process itself and does not end up in the final product. Including biogenic carbon and other land use carbon emissions into the carbon footprint calculations of biofuel reveals the importance of the time frame and of the efficiency of biomass carbon content utilization. As regards the climate impact of biomass energy use, the net impact on carbon stocks (in organic matter of soils and biomass), compared to the impact of the replaced energy source, is the key issue. Promoting renewable biomass regardless of biogenic GHG emissions can increase GHG emissions in the short term and also possibly in the long term.

Mitigation possibilities to Greenhouse gas emissions from power production in India

Global warming is assertively the greatest environmental challenge for humans of 21st century. It is primarily caused by the anthropogenic greenhouse gas (GHG) that trap heat in the atmosphere. Because of which, the GHG emission mitigation, globally, is a critical issue in the political agenda of all high-profile nations. India, like other developing countries, is facing this threat of climate change while dealing with the challenge of sustaining its rapid economic growth. India’s economy is closely connected to its natural resource base and climate sensitive sectors like water, agriculture and forestry. Due to Climate change the quality and distribution of India’s natural resources may transform and lead to adverse effects on livelihood of its people. Therefore, India is expected to face a major threat due to the projected climate change. This study proposes possible solutions for GHG emission mitigation that are specific to the power sector of India. The methods discussed here will take Indian power sector from present coal dominant ideology to a system, centered with renewable energy sources. The study further proposes a future scenario for 2050, based on the present Indian government policies and global energy technologies advancements.

The effects of location, feedstock availability, and supply-chain logistics on the greenhouse gas emissions of forest-biomass energy utilization in Finland

Forest biomass represents a geographically distributed feedstock, and geographical location affects the greenhouse gas (GHG) performance of a given forest-bioenergy system in several ways. For example, biomass availability, forest operations, transportation possibilities and the distances involved, biomass end-use possibilities, fossil reference systems, and forest carbon balances all depend to some extent on location. The overall objective of this thesis was to assess the GHG emissions derived from supply and energy-utilization chains of forest biomass in Finland, with a specific focus on the effect of location in relation to forest biomass’s availability and the transportation possibilities. Biomass availability and transportation-network assessments were conducted through utilization of geographical information system methods, and the GHG emissions were assessed by means of lifecycle assessment. The thesis is based on four papers in which forest biomass supply on industrial scale was assessed. The feedstocks assessed in this thesis include harvesting residues, smalldiameter energy wood and stumps. The principal implication of the findings in this thesis is that in Finland, the location and availability of biomass in the proximity of a given energyutilization or energy-conversion plant is not a decisive factor in supply-chain GHG emissions or the possible GHG savings to be achieved with forest-biomass energy use. Therefore, for the greatest GHG reductions with limited forest-biomass resources, energy utilization of forest biomass in Finland should be directed to the locations where most GHG savings are achieved through replacement of fossil fuels. Furthermore, one should prioritize the types of forest biomass with the lowest direct supply-chain GHG emissions (e.g., from transport and comminution) and the lowest indirect ones (in particular, soil carbon-stock losses), regardless of location. In this respect, the best combination is to use harvesting residues in combined heat and power production, replacing peat or coal.

The Possibility of Greenhouse Gas Mitigation in Ethiopian Cement Industry

Cement industry significantly associated with high greenhouse gas (GHG) emissions. Considering the environmental impact, particularly global warming potential, it is important to reduce these emissions to air. The aim of the study is to investigate the mitigation possibility of GHG emissions in Ethiopian cement industry. Life cycle assessment (LCA) method used to identify and quantify GHG emissions during one ton of ordinary portland cement (OPC) production. Three mitigation scenarios: alternative fuel use, clinker substitution and thermal energy efficiency were applied on a representative gate-to-gate flow model developed with GaBi 6 software. The results of the study indicate that clinker substitution and alternative fuel use play a great role for GHG emissions mitigation with affordable cost. Applying most energy efficient kiln technology, which in turn reduces the amount of thermal energy use, has the least GHG emissions reduction intensity and high implementation cost comparing to the other scenarios. It was found that the cumulative GHG emissions mitigation potential along with other selected mitigation scenarios can be at least 48.9% per ton of cement production.

Kestävän kehityksen näkökulmien huomioiminen kunnan energiaratkaisussa

Diplomityön tavoitteena on tuottaa informaatiota kunnalliseen päätöksentekoon, jonka avulla kestävän kehityksen näkökulmia voidaan huomioida kunnan energiaratkaisusta päätettäessä. Yhtenä työn lähtökohtana on ollut myös uusi EU-direktiivi, jonka mukaan ympäristönäkökohtia voidaan huomioida julkisten hankintojen tarjouspyyntömenettelyssä valintaperusteena. Tarkastelun kohteena oli kokoluokaltaan 0,5–3 MW:n aluelämpölaitokset sekä polttoaineiden tuotantoketjut. Työssä vertailtavat polttoaineet olivat metsähake, raskas polttoöljy, kevyt polttoöljy ja turve. Diplomityössä on perehdytty kestävän kehityksen käsitteeseen ja muodostettu sen mukaan ekologiselle, sosiaaliselle ja taloudelliselle näkökulmalle kunnallisen energiaratkaisun indikaattoreita. Empiirisessä osassa käsitellään kestävän kehityksen näkökulmien muodostumista Enon energiaosuuskunnan toimintaan perustuen. Käytettävät kestävän kehityksen näkökulmien mukaiset indikaattorit ovat polttoaineen tuotannosta ja käytöstä aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt, polttoaineen tuotannon työllisyysvaikutukset sekä energian hinnan muodostuminen osuuskunnan asiakkaille. Tässä diplomityössä tarkastelluilla kestävän kehityksen indikaattoreilla mitattuna, metsähakkeen käytöllä energiantuotannossa on positiivinen vaikutus niin kunnan kasvihuonekaasutaseessa, työllisyystilanteessa sekä myös enemmän kuluttajaystävällinen asema, lämmön hinnan vakauden ansiosta, kuin muilla työssä käsiteltävillä polttoaineilla. Polttoaineen tuotantoketjun osalta metsähakkeelle saatiin tuotannon ja käytön aiheuttamaksi kasvihuonekaasupäästöksi 2,9–4,2 g CO2-ekv/MJ. Tulos perustuu Enon energiaosuuskunnan polttoaineen hankinnassa käytössä oleviin keskimääräisiin etäisyyksiin metsäkuljetuksessa (250 m) ja kaukokuljetuksessa (15 km). Tuotannon ja käytön aiheuttamat kasvihuonekaasupäästöt olivat raskaalla polttoöljyllä 88,2 g CO2-ekv/MJ, kevyellä polttoöljyllä 85,0 g CO2-ekv/MJ ja turpeella 104,0–108,1 g CO2-ekv/MJ. Metsähakkeen osalta polttoaineen tuotannon osuus koko tarkastellun energiaketjun kasvihuonekaasupäästöistä oli noin 43–57 %. Enon energiaosuuskunnan tapauksessa vuoden 2005 odotetulla toiminta-asteella metsähakkeella tuotetun lämmön tuotantoketjun kasvihuonekaasupäästöt ovat noin 160 t CO2-ekv. Kevyellä polttoöljyllä tuotetun lämmön tuotantoketjun kasvihuonekaasupäästöt olisivat noin 3700 t CO2-ekv sekä turpeen (50 %) ja metsähakkeen (50 %) seoskäyttöön perustuvalla ketjulla noin 2300–2400 t CO2-ekv. Samaisella toiminta-asteella työllisyysvaikutukset ovat käytettäessä metsähaketta 2,2–8,6 htv, raakaöljyä 0,12 htv ja turvetta 1,4–1,6 htv. Metsähakkeen käyttö aluelämpölaitosten pääpolttoaineena takaa myös vakaan hintakehityksen osuuskunnan asiakkaille.

Governmental Measures to Enhance the Finnish Innovation System to Respond to the Challenge of Mitigating Climate Change

Climate innovations, that cover both technological applications and process and service innovations, play a key role in climate change mitigation. The purpose of this study was to examine how the Finnish innovation system could be enhanced with governmental measures so that the diffusion of climate innovations could be speeded up. During the study, it became evident that the governmental measures need to support the whole innovation chain, which comprises of research, development, demonstration and deployment. Only this can lead to the successful birth and diffusion of low carbon innovations. The study found that the strengths of the Finnish innovation system are research and development, and the current national innovation policies strongly support these activities. However, these have been emphasised at the expense of the demonstration and deployment. Consequently, the biggest bottlenecks in the Finnish innovation landscape are the lack of pilot and demonstration projects and slow commercialisation, thus the high price of the innovation. To meet with the challenge, the government should firstly promote strict greenhouse gas emission reduction targets. This would boost up the innovation activities, which would also lower the prices of the innovations. To speed up the commercialisation process, measures that stimulate the domestic market, such as feed-in-tariffs and public procurements, are needed. Special attention should also be paid to the measures that could shift the traditional closed innovation chain towards open innovation. This means that the product development should involve experts from several fields such as the user and marketing experts to speed up the commercialisation. In addition, efficient innovation co-operation between both private and public sector is essential. Finally, as the domestic resources are not adequate for producing all the innovations needed, the domestic innovation activities should be focused on a few sectors, and at the same time promote efficient import policies.

Keskitetyn lämmöntuotannon kehittämismahdollisuudet Lahden seudulla ilmastonmuutoksen näkökulmasta

Tämä diplomityö on tehty Aalto yliopiston Teknillisen korkeakoulun Lahden keskuksen IMMU-hankkeeseen. Teoriaosassa tarkastellaan kaukolämmityksen nykytilannetta ja sen tulevai-suuteen vaikuttavia tekijöitä. Työssä on tarkasteltu Lahti Energia Oy:n Kymijärven voimalaitosalueen kehittämismahdollisuuksia vuosina 2012 ja 2016. Vertailukohtana käytetään nykytilannetta vuoden 2009 tiedoilla. Työssä on selvitetty voimalaitosalueen elinkaaren aikaisia kasvihuonekaasupäästöjä ja niiden muutoksia mahdollisten uusien voimalaitosinvestointien myötä. Vuonna 2012 alueelle rakennetaan kiinteää polttoainetta käyttävä kaasutusvoimalaitos jolloin nykyisen laitoksen käyttö ja samalla kivihiilen käyttö vähenee huomattavasti. Tässä työssä vuoden 2016 skenaariossa alueelle ajatellaan rakennettavan kolmas voimalaitos, maakaasukäyttöinen kaasukombiturbiini. Tarkasteluissa energiantuotantomäärien oletetaan pysyvän nykytilanteen suuruisina. Työssä tarkasteltujen skenaarioiden perusteella alueen yhdistetyn kaukolämmön- ja sähköntuotannon (CHP) päästöjä voitaisiin vähentää vuonna 2012 noin 20 % ja vuonna 2016 noin 30 % nykytilanteesta. Esitettyjen investointien riskinä on sopivan polttoaineen saatavuus ja riittävyys. Lisäksi työssä tarkasteltiin kaasutusvoimalaitoksen ja kaasukombiturbiinin takaisinmaksuaikoja. Kierrätyspolttoaineen hinnan kallistuminen hinnasta 5 €/MWh hintaan 15 €/MWh vaikutti kaasutusvoimalaitoksen takaisinmaksuaikaan yhdeksällä vuodella. Kaasukombiturbiinin takaisinmaksuaika piteni tämän hetkiseen maakaasun hintaan 27 €/MWh verrattuna päästöoikeuden lisäkustannus 6 €/MWh huomioiden kahdeksan vuotta. Takaisinmaksuaikaan vaikuttaa muun muassa polttoaineen hinta ja laitoksen huipunkäyttöaika.

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.

Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.