Pienen mittakaavan CHP-laitokset osana hiilineutraalia maaseutuyhteiskuntaa

Maapallon ilmasto lämpenee koko ajan kasvihuonekaasujen määrän lisääntyessä ilmakehässä. Merkittävin ihmisten aiheuttama päästöjen lähde on fossiilisten polttoaineiden käyttö energiantuotannossa ja liikenteessä, jonka vuoksi on tärkeää lisätä uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää esimerkkialueena olevan maaseutuyhteiskunnan mahdollisuutta olla energiaomavarainen ja materiaalikierroiltaan suljettu, jos alueen tarvitsema sähkö ja lämpö tuotettaisiin paikallisilla biomassavaroilla kahdella rinnakkaisella pienen mittakaavan CHP-laitoksella. Tarkastellut laitokset olivat anaerobisen mädätyksen ja polttokennojen yhdistelmä sekä termisen käsittelyn ja ORC-prosessin yhdistelmä. Työssä tehdyt laskelmat osoittivat, että esimerkkialue saisi tuotettua omilla biomassavaroillaan tarvitsemastaan sähköstä 75 % ja lämmöstä 90 % esimerkkilaitosten avulla. Laskelmissa ei kuitenkaan huomioitu kesä- ja talvikuukausien välistä eroa lämmön kulutuksessa, jonka vuoksi molemmat laitokset eivät voisi toimia koko ajan täydellä teholla. Lisäksi tuotetun lämmön hyötykäyttöä rajoittaa riittävän laajan kaukolämpöverkon puuttuminen esimerkkialueelta. Nykyisen kaukolämpöverkon avulla saataisiin hyödynnettyä vain kolmasosa ORC-prosessilla tuotetusta lämpöenergiasta. Laskelmat osoittivat myös, että alueen kasvihuonekaasupäästöt pienenisivät 21 % eli noin 6 000 hiilidioksidiekvivalenttitonnia vuodessa, jos suurin osa energiasta tuotettaisiin omista biomassavaroista CHP-laitosten avulla ja mädätyksen seurauksena syntyvä reaktorijäännös korvaisi kemiallisten lannoitteiden käytön.

Energia- ja ilmastotoimenpiteiden käynnistäminen pk-yrityksissä

Tämän diplomityön tarkoituksena oli kehittää toimintamalli pk-yritysten energia- ja ilmastotoimenpiteiden käynnistämiseksi HINKU-kunnissa. Esimerkkiyrityksenä työssä toimi Tehomet Oy:n Parikkalan tehdas. Työssä tutustuttiin ensimmäisenä erilaisiin jo olemassa oleviin toimintamalleihin, hiilijalanjäljen laskentastandardeihin sekä erilaisiin mahdollisuuksiin hiilineutraaliuden saavuttamiseksi. Lisäksi Tehomet Oy:n Parikkalan tehtaalta kerättiin tarvittavaa tietoa yrityksen ja tuotteen hiilijalanjälkien laskentaa varten. Kerätyn tiedon ja jo olemassa olevien standardien ja toimintamallien pohjalta kehitettiin toimintamalli, johon sisältyy laskentataulukko, jonka avulla yritykset voivat laskea hiilijalanjälkensä ja tunnistaa kasvihuonekaasupäästöjen merkittävyyden liiketoimintansa kehittämisen näkökulmasta. Tehomet Oy:n valmistaman puupylvään hiilijalanjälki pieneni merkittävästi, kun laskennassa huomioitiin hiilen sitoutuminen tuotteeseen sekä tuotteen käytöstä poisto. Parikkalan tehtaan tapauksessa suurin yksittäinen kasvihuonekaasujen päästölähde on sähkönkulutus. Energiankulutuksen kannalta merkittävin säästökohde olisi mitä todennäköisimmin teholtaan liian suuresta kompressorista luopuminen. Kasvihuonekaasupäästöjen hiilineutraaliksi saattamiseksi mahdolliset toimenpiteet olisivat tässä tapauksessa hiilivapaan sähkön ostaminen tai päästöjen kompensoiminen ostamalla päästöoikeuksia. Toimintamallin todellinen toimivuus nähdään tulevaisuudessa, kun sitä päästään testaamaan laajemmalti eri aloilla toimiviin yrityksiin.

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.

The role of nuclear power in the future energy system

Currently widely accepted consensus is that greenhouse gas emissions produced by the mankind have to be reduced in order to avoid further global warming. The European Union has set a variety of CO2 reduction and renewable generation targets for its member states. The current energy system in the Nordic countries is one of the most carbon free in the world, but the aim is to achieve a fully carbon neutral energy system. The objective of this thesis is to consider the role of nuclear power in the future energy system. Nuclear power is a low carbon energy technology because it produces virtually no air pollutants during operation. In this respect, nuclear power is suitable for a carbon free energy system. In this master's thesis, the basic characteristics of nuclear power are presented and compared to fossil fuelled and renewable generation. Nordic energy systems and different scenarios in 2050 are modelled. Using models and information about the basic characteristics of nuclear power, an opinion is formed about its role in the future energy system in Nordic countries. The model shows that it is possible to form a carbon free Nordic energy system. Nordic countries benefit from large hydropower capacity which helps to offset fluctuating nature of wind power. Biomass fuelled generation and nuclear power provide stable and predictable electricity throughout the year. Nuclear power offers better energy security and security of supply than fossil fuelled generation and it is competitive with other low carbon technologies.

Sinfoniaorkesterin hiilijalanjälki. Case: Sinfonia Lahti

Diplomityön tavoitteena on selvittää sinfoniaorkesterin toiminnan merkittävimmät kasvihuonekaasupäästölähteet sekä kuinka kasvihuonekaasupäästöjä voidaan vähentää ja/tai kompensoida niin, että voidaan saavuttaa hiilineutraalius. Tavoitteena on myös tutkia sinfoniaorkesterin vaikutusmahdollisuudet sen sidosryhmiin. Tuloksia tarkastellaan myös globaalissa mittakaavassa, jolloin nähdään millainen vaikutus sinfoniaorkestereiden hiilineutraaliudella olisi ilmastonmuutoksen hillinnässä. Diplomityössä esitetään ensin hiilijalanjälkilaskentaa ja musiikkiteollisuutta yleisesti, jonka jälkeen selvitetään case-tutkimuksena Sinfonia Lahden hiilijalanjälki. Hiilijalanjälkilaskenta perustuu Sinfonia Lahden antamiin tietoihin, minkä lisäksi hyödynnetään diplomityön yhteydessä tehtyjen kyselyjen tuloksia. Kyselyjen tarkoituksena on selvittää sekä Sinfonia Lahden henkilöstön että yleisön matkustustottumuksia. Sinfonia Lahden henkilöstölle järjestettiin myös workshop, jossa tutustuttiin tarkemmin ilmastonmuutokseen. Hiilineutraalius saavutetaan selvittämällä toiminnasta aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt. Tämän jälkeen toimintaa muutetaan vähäpäästöisemmäksi ja lopuksi jäljelle jäävät kasvihuonekaasupäästöt kompensoidaan. Vaikka Sinfonia Lahden merkittävimmät kasvihuonekaasupäästölähteet ovat liikenne sekä energiankulutus, päästövähennyksiä tulee tehdä pysyvästi kaikista mahdollisista toiminnoista. Erityisen tärkeää on saada sidosryhmät osallistumaan sinfoniaorkesterin asettamiin vähennystavoitteisiin. Kompensoinnilla on merkittävä rooli hiilineutraaliuden saavuttamisessa. Tällä hetkellä maailman sinfoniaorkesterit eivät aktiivisesti pyri hiilineutraaliin toimintaan.

The role of nuclear and other conventional power plants in the flexible energy system

This thesis reviews the role of nuclear and conventional power plants in the future energy system. The review is done by utilizing freely accesible publications in addition to generating load duration and ramping curves for Nordic energy system. As the aim of the future energy system is to reduce GHG-emissions and avoid further global warming, the need for flexible power generation increases with the increased share of intermittent renewables. The goal of this thesis is to offer extensive understanding of possibilities and restrictions that nuclear power and conventional power plants have regarding flexible and sustainable generation. As a conclusion, nuclear power is the only technology that is able to provide large scale GHG-free power output variations with good ramping values. Most of the currently operating plants are able to take part in load following as the requirement to do so is already required to be included in the plant design. Load duration and ramping curves produced prove that nuclear power is able to cover most of the annual generation variation and ramping needs in the Nordic energy system. From the conventional power generation methods, only biomass combustion can be considered GHG-free because biomass is considered carbon neutral. CFB combusted biomass has good load follow capabilities in good ramping and turndown ratios. All the other conventional power generation technologies generate GHG-emissions and therefore the use of these technologies should be reduced.

Screening of power to gas projects

The purpose of this thesis was the screening of power to gas projects worldwide and reviewing the technologies used and applications for the end products. This study focuses solely on technical solutions and feasibility, economical profitability is excluded. With power grids having larger penetrations of intermittent sources such as solar and wind power, the demand and production cannot be balanced in conventional methods. Technologies for storing electric power in times of surplus production are needed, and the concept called power to gas is a solution for this problem. A total of 57 projects mostly located in Europe were reviewed by going through publications, presentations and project web pages. Hydrogen is the more popular end product over methane. Power to gas is a viable concept when power production from intermittent sources needs to be smoothed and time shifted, when carbon free fuels are produced for vehicles and when chemical industry needs carbon neutral raw materials.

Techno-Economic Assessment of LNG and Diesel Production and Global Trading Based on Hybrid PV-Wind Power Plants and PtG, GtL and PtL Technologies

With growing demand for liquefied natural gas (LNG) and liquid transportation fuels, and concerns about climate change and causes of greenhouse gas emissions, this master’s thesis introduces a new value chain design for LNG and transportation fuels and respective fundamental business cases based on hybrid PV-Wind power plants. The value chains are composed of renewable electricity (RE) converted by power-to-gas (PtG), gas-to-liquids (GtL) or power-to-liquids (PtL) facilities into SNG (which is finally liquefied into LNG) or synthetic liquid fuels, mainly diesel, respectively. The RE-LNG or RE-diesel are drop-in fuels to the current energy system and can be traded everywhere in the world. The calculations for the hybrid PV-Wind power plants, electrolysis, methanation (H2tSNG), hydrogen-to-liquids (H2tL), GtL and LNG value chain are performed based on both annual full load hours (FLh) and hourly analysis. Results show that the proposed RE-LNG produced in Patagonia, as the study case, is competitive with conventional LNG in Japan for crude oil prices within a minimum price range of about 87 - 145 USD/barrel (20 – 26 USD/MBtu of LNG production cost) and the proposed RE-diesel is competitive with conventional diesel in the European Union (EU) for crude oil prices within a minimum price range of about 79 - 135 USD/barrel (0.44 – 0.75 €/l of diesel production cost), depending on the chosen specific value chain and assumptions for cost of capital, available oxygen sales and CO2 emission costs. RE-LNG or RE-diesel could become competitive with conventional fuels from an economic perspective, while removing environmental concerns. The RE-PtX value chain needs to be located at the best complementing solar and wind sites in the world combined with a de-risking strategy. This could be an opportunity for many countries to satisfy their fuel demand locally. It is also a specific business case for countries with excellent solar and wind resources to export carbon-neutral hydrocarbons, when the decrease in production cost is considerably more than the shipping cost. This is a unique opportunity to export carbon-neutral hydrocarbons around the world where the environmental limitations on conventional hydrocarbons are getting tighter.

Datahubin merkitys jakeluverkonhaltijalle case: Vantaan Energia Sähköverkot Oy

Tavoitteena oleva hiilineutraali energiantuotanto muokkaa sähköntuotannosta sykkivämpää ja vaatii kulutuksen sopeutumista siihen. Tämä synnyttää tarpeen kansallisia markkinoita laajemmille sähkön vähittäismarkkinoille ja vaatii kuluttajilta aktiivisempaa roolia markkinoilla. Pohjoismaiset kantaverkkoyhtiöt ovat alkaneet valmistella pohjoismaisia sähkömarkkinoita sähkön vähittäiskaupan avaamiselle. Sähkön vähittäiskaupan avautuminen eri maiden välillä vaatii kansallisten markkinamenetelmien yhtenäistämistä varsinkin taseselvityksen ja tiedonvaihdon osalta. Tässä työssä tutkitaan Suomessa vuonna 2019 käyttöönotettavan keskitetyn tiedonvaihtojärjestelmän, Datahubin, vaikutuksia jakeluverkonhaltijalle. Vaikutuksia tarkastellaan Vantaan Energia Sähköverkot Oy:n näkökulmasta. Työssä kartoitetaan jakeluverkonhaltijan nykyisiä liiketoiminnan pääprosesseja ja niihin liittyvää tiedonvaihtoa eri markkinaosapuolten kanssa prosessien toteutuksessa. Lisäksi työssä esitellään jakeluverkonhaltijan nykyisten liiketoiminnan pääprosessien toteuttaminen Datahubissa. Jakeluverkonhaltijan liiketoiminnan nykyisiä pääprosesseja ja tiedonvaihtoa verrataan Datahubin kautta suoritettaviin prosesseihin. Työssä todettiin Datahubin korjaavan jakeluverkonhaltijan liiketoiminannan nykyisissä pääprosesseissa havaittuja ongelmia ja mahdollistavan prosessien tehostamisen. Datahub ei sinällään muuta nykyisiä jakeluverkonhaltijan liiketoimintaprosesseja merkittävästi, mutta mahdollistaa prosessien kehittämisen markkinoiden muutoksen mukana. Datahubin kokonaisvaltainen hyödyntäminen on toimijoiden itsensä käsissä, niiltä osin, kun sähkömarkkinalaki ei velvoita tiettyyn toimintamalliin. Jakeluverkonhaltijan liiketoimintaprosessien osalta suurin muutos kohdistuu jakeluverkonhaltijan taseselvitykseen, joka siirtyy kokonaisuudessaan Datahubin tehtäväksi. Datahub tulee kaventamaan jakeluverkonhaltijan roolia markkinapaikalla ja siksi jakeluverkonhaltijoiden tulisi kartoittaa liiketoiminnan laajentamisen tarvetta ja mahdollisuuksia tulevaisuudessa.

Variation in soil organic carbon and thickness of soil horizons within a boreal forest stand - effect of trees and implications for sampling

Summary