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.

Elinkaariarviointi ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tavoitteiden asettamisen tukena

Diplomityössä tutkittiin elinkaariarvioinnin ja sillä saatavien tulosten käyttöä ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tukena. Työn alussa kuvaillaan niitä asioita, jotka yhdistävät yrityksen ympäristöasioihin. Työn aikana suoritettiin kahden yritysten tuotteille elinkaariarvioinnit. Näistä tutkimuksista saatuja käytännön kokemuksia on käytetty diplomityössä. Pääpainopiste käytännön kokemuksissa oli itse elinkaariarvioinnin tekemisessä esille tulleissa seikoissa sekä tulosten tulkinnassa ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tavoitteiden asettamisen näkökulmasta. Ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tavoitteet ovat: materiaali- ja energiakulutuksen vähentäminen, kierrätettävyyden parantaminen, tuotteen käyttöiän pidentäminen ja ympäristölle haitallisten raaka-aineiden välttäminen. Jokaisella ympäristömyötäisen tuotesuunnittelun tavoitteella on oma erityispiirteensä, joka on huomioitava elinkaariarviointia käytettäessä. Työn aikana havaittiin, että erityinen huomio on kiinnitettävä lähtötietojen keruuvaiheeseen. Vielä nykyään on vaikea saada, etenkin alihankkijoilta, kaikkia tarvittavia inventaariotietoja. Tähän elinkaariarvioinnin suorittamisen kannalta ratkaisevaan vaiheeseen, on kaikkien osapuolten kiinnitettävä tulevaisuudessa huomiota. Myös tulosten tulkintaan kiinnitettiin huomioita. Merkittävien tekijöiden ja niihin vaikutusmahdollisuuksien havaitseminen on tärkeä osa tavoitteiden asettamista. Hyvin perusteltujen tavoitteiden asettamisen edellytys on kattavat ja luotettavat elinkaariarvioinnin tulokset. Nämä taas edellyttävät riittävän laajoja, laadukkaita ja yhdenmukaisia lähtötietoja, joita vielä nykyään on harvoin saatavilla.

Integration of Economics into Life Cycle Assessment in the Finnish Pulp and Paper Industry

Taloudellisen laskennan yhdistäminen elinkaariarviointiin (LCA) on alkanut kiinnostaa eri teollisuuden aloja maailmanlaajuisesti viime aikoina. Useat LCA-tietokoneohjelmat sisältävät kustannuslaskentaominaisuuksia ja yksittäiset projektit ovat yhdistäneet ympäristö- ja talouslaskentamenetelmiä. Tässä projektissa tutkitaan näiden yhdistelmien soveltuvuutta suomalaiselle sellu- ja paperiteollisuudelle, sekä kustannuslaskentaominaisuuden lisäämistä KCL:n LCA-ohjelmaan, KCL-ECO 3.0:aan. Kaikki tutkimuksen aikana löytyneet menetelmät, jotka yhdistävät LCA:n ja taloudellista laskentaa, on esitelty tässä työssä. Monet näistä käyttävät elinkaarikustannusarviointia (LCCA). Periaatteessa elinkaari määritellään eri tavalla LCCA:ssa ja LCA:ssa, mikä luo haasteita näiden menetelmien yhdistämiselle. Sopiva elinkaari tulee määritellä laskennan tavoitteiden mukaisesti. Työssä esitellään suositusmenetelmä, joka lähtee suomalaisen sellu- ja paperiteollisuuden erikoispiirteistä. Perusvaatimuksena on yhteensopivuus tavanomaisesti paperin LCA:ssa käytetyn elinkaaren kanssa. Menetelmän yhdistäminen KCL-ECO 3.0:aan on käsitelty yksityiskohtaisesti.

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.

Tarkkuuselektroniikkatuotteen elinkaariarviointi tuotesuunnittelun tueksi

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia tarkkuuselektroniikkatuotteen ympäristönäkökohtia elinkaariarvioinnin avulla. Työn osana tehtiin elinkaariarviointi (LCA) kahdelle tarkkuuselektroniikkatuotteelle. LCA:ssa keskityttiin elinkaaren kehdosta-asiakkaalle-vaiheisiin. Työn tavoitteena oli tuottaa määrällistä ja laadullista tietoa valittujen tuotteiden ympäristövaikutuksista. Selvitys tehtiin yrityksen tuotesuunnittelun tueksi. LCA:n inventaarioanalyysiin kerättiin prosessikohtaista tietoa selvityksen aikana. Myös kaupallista LCA-ohjelmaa ja sen tarjoamia tietopankkeja hyödynnettiin elinkaariarvioinnin toteuttamisessa. Teoriaosassa esitellään LCA-menetelmä. Lisäksi tarkastellaan elinkaariarviointiin liittyviä tuotekohtaisia ympäristökysymyksiä. Työssä eritellään myös yleisesti tarkkuuselektroniikkatuotteen eri osien elinkaareen vaiheita ja niihin liittyviä ympäristönäkökohtia. Kokeellisessa osassa kuvataan kahdelle tuotteelle tehtyä LCA-tapaustutkimusta. Elinkaariarvioinnin inventaariotiedon lähteet kuvataan. Inventaarioanalyysin ja vaikutusarvioinnin avulla tuodaan esille tuotteiden ympäristökuormaan merkittävimmin vaikuttavat prosessit ja elinkaaren vaiheet. Lisäksi tarkastellaan miten tapaustuotteiden ympäristökuormaa voitaisiin pienentää kahden esimerkin avulla. Lopuksi annetaan suosituksia jatkotoimenpiteistä tuotesuunnitteluun ja tiedonkeruuseen.

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.

Uudisrakennusalueen lämmitysratkaisujen valinta – tulevaisuuden haasteet ja niihin vastaaminen

Matalaenergiarakentaminen asettaa uudenlaisia haasteita ja mahdollisuuksia lämpöenergian tuotannolle. Lämmitysjärjestelmien mitoitustehot eivät laske samassa suhteessa kuin lämmitysenergiankulutus, mikä suosii alhaisia investointeja muuttuvien kulujen kustannuksella. Työssä tutkittiin viittä vaihtoehtoista tapaa tuottaa kohdealueen rakennuskannan vuotuinen lämpöenergiantarve. Kohdealue koostui pääasiallisesti matalaenergiakerrostaloista. Neljä vaihtoehtoa perustui kaukolämpöön ja yksi matalaenergiaverkkoon varustettuna kiinteistökohtaisilla lämpöpumpuilla. Lähialueen jätevedenpuhdistamolle sijoitettu keskitetty lämpöpumppuratkaisu muodostui kokonaiskustannuksiltaan edullisimmaksi vaihtoehdoksi tuottaa kohdealueen rakennuskannan lämpöenergiantarve. Haketta polttoaineenaan käyttävä pien-CHPlaitos omasi vastaavasti pienimmän hiilijalanjäljen, mutta oli kustannusrakenteeltaan epäedullinen. Kohdealue ja vaihtoehtoiset lämmitysjärjestelmät mallinnettiin GaBi 4.3 elinkaarimallinnusohjelmistolla vaihtoehtojen hiilijalanjälkien selvittämiseksi.

Kemikaalien ja aineiden käyttöön liittyvä lainsäädäntö tuotteiden elinkaaren eri vaiheissa ja sen vaikutukset suomalaisten teknologiateollisuusyritysten liiketoiminnan kehittämiseen

Työn tavoitteena oli tuottaa tietoa ja esimerkkejä siitä, miten suomalaisten teknologiateollisuusyritysten tulisi suhtautua kemikaalilainsäädännön vaatimuksiin. Aihetta tarkasteltiin elinkaari- ja toimitusketjunäkökulmasta ja mallinnettiin erilaisia toimitusketjuja. Lisäksi tarkasteltiin yritysten lainsäädäntöosaamiseen vaikuttavia tekijöitä uuden nk. tietoisuuskolmiomallin avulla. Käytännössä aihetta havainnollistettiin kolmen esimerkkisäädöksen, REACH- ja CLP-asetuksen ja RoHS-direktiivin, sekä neljän esimerkkiyrityksen ja -tuotteen avulla. Yritysten tehtäviä esimerkkituotteen toimitusketjussa ja yritysten tietoisuutta esimerkkisäädösten vaatimuksista tarkasteltiin kyselyn avulla. Tulokseksi saatiin, että yritysten lainsäädäntöosaamisen ja -tietoisuuden tasoon vaikuttavat erityisesti lainsäädännön seurantaan käytetyt resurssit ja verkostoituminen. Kemikaalilainsäädäntö edellyttää yrityksiltä tuotteen elinkaaren hallintaa sekä siihen liittyvien ainevirtojen ja toimitusketjun hallintaa. Tuotteet on kyettävä pilkkomaan raaka-aineisiinsa ja yritysten on tunnistettava toimitusketjurooleihinsa liittyvät velvoitteet. On tiedostettava paitsi esimerkkisäädösten, myös muun, alati lisääntyvän kemikaali- ja ympäristösääntelyn vaatimukset, joihin on yrityksissä syytä varautua riittävin resurssein.

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.

Teurasjätteiden jalostaminen liikennepolttoaineiksi

Työssä määritettiin luokan 2 eläinperäisistä sivutuotteista liikennekäyttöön tuotettujen biodieselin ja biometaanin elinkaaren aikaiset kasvihuonekaasupäästöt ja tuotantoprosessien energiankulutukset perustuen kirjallisuuslähteistä saatuihin lähtötietoihin. Tätä kautta tutkittiin yhdistelmäprosessia, jossa tuotetaan molempia polttoaineita ja selvitettiin onko tällaisella tuotantotavalla mahdollista vähentää päästöjä ja parantaa polttoaineiden tuotannon energiatehokkuutta. Kasvihuone-kaasupäästöjen laskentamenetelmä pohjautuu direktiivissä 2009/28/EY annettuun ohjeistukseen ja eri kasvihuonekaasupäästöjen karakterisointi IPCC:n sadan vuoden tarkastelumalliin. Käytännön laskenta suoritettiin standardien SFS-EN ISO 14040 ja 14044 määrittelemän elinkaariarviointiselvityksen muodossa. Työssä käytetyn laskentamenetelmän ja tarkasteluun valittujen tuotanto-teknologioiden perusteella lasketut tulokset osoittavat, että yhdistelmäprosessilla ei saavuteta suurempia päästövähenemiä eikä parempaa energiatehokkuutta kuin nykyisin käytössä olevilla tuotantotavoilla. Tulokset ovat kuitenkin hyvin herkkiä laskennassa tehtyjen oletusten ja käytettyjen lähtötietojen vaihtelulle sekä valittujen laskentamenetelmien muutoksille. Suurin päästöjä ja energiankulutusta aiheuttava yksittäinen tekijä on kaikissa tuotejärjestelmissä luokan 2 sivutuotteiden esikäsittelyssä vaadittavaan steri-lointiin tarvittavan lämmön tuotanto. Tutkituissa tuotejärjestelmissä lämpö tuotetaan kokonaan tai osittain fossiilisilla polttoaineilla. Kasvihuone-kaasupäästöjä olisi mahdollista alentaa merkittävästi siirtymällä lämmön tuotannossa kokonaan uusiutuviin polttoaineisiin. Sterilointi on lain edellyttämä käsittelytapa ja siksi energiankulutusta on vallitsevissa olosuhteissa hyvin vaikea pienentää merkittävästi.

Toimintaohjeiston laatiminen HSY:n jätehuollon elinkaarimallinnuspalveluiden hankkimiseksi

Elinkaariarviointi on menetelmä, missä tuotejärjestelmän aikaiset syötteet ja tuotteet koostetaan yhteen ja tuloksena saadaan sen ympäristökuormitus. Elinkaariarviointi on päätöksentekoa tukeva työkalu. Jätelain kokonaisuudistuksen myötä elinkaariarvioinnin käyttö tullee lisääntymään kuntavastuullisessa jätehuollossa. Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä HSY:n jätehuollon tavoitteena on rakentaa elinkaarimalli, jonka avulla voidaan selvittää koko toiminnan aiheuttama ympäristökuormitus ja taloudelliset vaikutukset. HSY:n jätehuolto on päättänyt toteuttaa elinkaarimallin rakentamisen konsulttityönä. Työn tavoitteena on ollut laatia toimintaohjeisto HSY:n jätehuollon elinkaarimallinnuspalveluiden hankkimiseksi. Elinkaarimalli voidaan tehdä kaupallista ohjelmistoa käyttämällä. Tähän selvitykseen on valittu arvioitavaksi kolme elinkaariarvioinnin työkalua: EASEWASTE, WRATE ja GaBi 4.4. Ohjelmistojen ominaisuuksia on arvioitu kirjallisuuden ja haastattelun perusteella. Työssä on laadittu kriteeristö näiden ohjelmistojen arviointiin. Kirjallisuuden perusteella on selvitetty elinkaariarvioinnin soveltamiskohteet kuntavastuullisessa jätehuollossa. HSY:n jätehuollon elinkaariarvioinnin soveltamiskohteet ja mallinnustarpeet on tunnistettu haastattelemalla HSY:n jätehuollon asiantuntijoita. HSY:n jätehuollolle rakennettavan mallin päivittämistä, käyttöä ja kehittämistä tulisi hallita HSY:n jätehuollon toimesta. Kaikki työssä arvioidut ohjelmistot soveltuvat HSY:n jätehuollon tunnistamien mallinnustarpeiden laskentaan. Elinkaarimallinnuspalveluiden toimintaohjeistolla pyritään varmistamaan HSY:n jätehuollon tarpeisiin soveltuvan mallin hankinta ja jatkotoimenpiteiden suunnittelu.

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.

Importance of considering food waste in the development of sustainable food packaging systems

Meeting the needs of both present and future generations forms the foundation of sustainable development. Concern about food demand is increasing alongside the continuously growing population. In the pursuit of food security preventing food waste is one solution avoiding the negative environmental impacts that result from producing food unnecessarily. Packages offer one answer to preventing food waste, as they 1) preserve and protect food, 2) introduce the user to the correct way to handle and use the food and package and 3) allow the user to consume the food in its entirety. This thesis aims to enhance the sustainability of food packages by giving special emphasis to preventing food waste. The focus of this thesis is to assist the packaging designer in being able to take into account the requirements for the sustainability of food packages and to be able to integrate these requirements into the product development process. In addition, life cycle methods that can be used as a tool in the packaging design process or in assessing the sustainability of finished food-packaging combinations are evaluated. The methods of life cycle costing (LCC) and life cycle working environment (LCWE) are briefly discussed. The method of life cycle assessment (LCA) is examined more thoroughly through the lens of the literature review of food-package LCA case studies published in the 21st century in three relevant journals. Based on this review and on experiences learned from conducting LCAs, recommendations are given as to how the LCA practitioner should conduct a food packaging study to make most of the results. Two case studies are presented in this thesis. The first case study relates the results of a life cycle assessment conducted for three food items (cold cut (ham), sliced dark bread (rye) and Soygurt drink) and the alternative packaging options of each. Results of this study show that the packaging constitutes only 1–12 % of the total environmental impacts of the food-packaging combination. The greatest effect is derived from the food itself and the wasted food. Even just a small percentage of wasted food causes more environmental impacts than does the packaging. The second case study presents the results of LCC and LCWE analysis done for fruit and vegetable transport packages. In this thesis, the specific results of the study itself are not the focus, but rather the study methods and scope are analysed based on how these complement the sustainability assessment of food packages. This thesis presents reasons why prevention of food waste should be more thoroughly taken into account in food packaging design. In addition, the task of the packaging designer is facilitated by the requirements of sustainable food packaging, by the methods and step-by-step guidance on how to integrate sustainability issues into the design process, and by the recommendations on how to assess the sustainability of food packages. The intention of this thesis is to express the issues that are important in the field of the food packaging industry. Having recognised and implemented these issues, businesses can better manage the risks that could follow from neglecting these sustainability aspects.

Comparative lifecycle assessment on organic and conventional carrots – case: Carrots from South-Savo and imported carrots from Italy

Organic farming is perceived to be an environmental friendly method of food production, thus assumed to be an alternative means of minimizing food-based environmental footprints. However, lower yield and unproductive years in organic crop rotation raise questions of whether it is really an environmentally friendly farming practice. Thus, the aim of this thesis was to examine the carbon footprint and energy demands of organic carrots cultivated and sold in South-Savo, Finland and compare them with those of local and imported conventional carrots using lifecycle assessment (LCA) as a method. From the investigation, it was found that organic carrots produced in South-Savo have the lowest GHG emissions and energy demand. The GHG emissions of local organic, local conventional and imported conventional carrots were found to be 4g CO2 eq. kgcarrots-1, 142g CO2 eq. kgcarrots-1 and 280 g CO2 eq. kgcarrots-1, respectively. On the other hand, energy demand for those carrots was found to be 1,33 MJ, 1,88 MJ and 3,68 MJ kgcarrots-1. Furthermore, it was also found that local organic carrots would have approximately similar GHG emissions as conventional counterpart if soil carbon stock change was excluded from the study.

Utilization of steelmaking waste materials for production of calcium carbonate (CaCO3)

The steel industry produces, besides steel, also solid mineral by-products or slags, while it emits large quantities of carbon dioxide (CO2). Slags consist of various silicates and oxides which are formed in chemical reactions between the iron ore and the fluxing agents during the high temperature processing at the steel plant. Currently, these materials are recycled in the ironmaking processes, used as aggregates in construction, or landfilled as waste. The utilization rate of the steel slags can be increased by selectively extracting components from the mineral matrix. As an example, aqueous solutions of ammonium salts such as ammonium acetate, chloride and nitrate extract calcium quite selectively already at ambient temperature and pressure conditions. After the residual solids have been separated from the solution, calcium carbonate can be precipitated by feeding a CO2 flow through the solution. Precipitated calcium carbonate (PCC) is used in different applications as a filler material. Its largest consumer is the papermaking industry, which utilizes PCC because it enhances the optical properties of paper at a relatively low cost. Traditionally, PCC is manufactured from limestone, which is first calcined to calcium oxide, then slaked with water to calcium hydroxide and finally carbonated to PCC. This process emits large amounts of CO2, mainly because of the energy-intensive calcination step. This thesis presents research work on the scale-up of the above-mentioned ammonium salt based calcium extraction and carbonation method, named Slag2PCC. Extending the scope of the earlier studies, it is now shown that the parameters which mainly affect the calcium utilization efficiency are the solid-to-liquid ratio of steel slag and the ammonium salt solvent solution during extraction, the mean diameter of the slag particles, and the slag composition, especially the fractions of total calcium, silicon, vanadium and iron as well as the fraction of free calcium oxide. Regarding extraction kinetics, slag particle size, solid-to-liquid ratio and molar concentration of the solvent solution have the largest effect on the reaction rate. Solvent solution concentrations above 1 mol/L NH4Cl cause leaching of other elements besides calcium. Some of these such as iron and manganese result in solution coloring, which can be disadvantageous for the quality of the PCC product. Based on chemical composition analysis of the produced PCC samples, however, the product quality is mainly similar as in commercial products. Increasing the novelty of the work, other important parameters related to assessment of the PCC quality, such as particle size distribution and crystal morphology are studied as well. As in traditional PCC precipitation process, the ratio of calcium and carbonate ions controls the particle shape; a higher value for [Ca2+]/[CO32-] prefers precipitation of calcite polymorph, while vaterite forms when carbon species are present in excess. The third main polymorph, aragonite, is only formed at elevated temperatures, above 40-50 °C. In general, longer precipitation times cause transformation of vaterite to calcite or aragonite, but also result in particle agglomeration. The chemical equilibrium of ammonium and calcium ions and dissolved ammonia controlling the solution pH affects the particle sizes, too. Initial pH of 12-13 during the carbonation favors nonagglomerated particles with a diameter of 1 μm and smaller, while pH values of 9-10 generate more agglomerates of 10-20 μm. As a part of the research work, these findings are implemented in demonstrationscale experimental process setups. For the first time, the Slag2PCC technology is tested in scale of ~70 liters instead of laboratory scale only. Additionally, design of a setup of several hundreds of liters is discussed. For these purposes various process units such as inclined settlers and filters for solids separation, pumps and stirrers for material transfer and mixing as well as gas feeding equipment are dimensioned and developed. Overall emissions reduction of the current industrial processes and good product quality as the main targets, based on the performed partial life cycle assessment (LCA), it is most beneficial to utilize low concentration ammonium salt solutions for the Slag2PCC process. In this manner the post-treatment of the products does not require extensive use of washing and drying equipment, otherwise increasing the CO2 emissions of the process. The low solvent concentration Slag2PCC process causes negative CO2 emissions; thus, it can be seen as a carbon capture and utilization (CCU) method, which actually reduces the anthropogenic CO2 emissions compared to the alternative of not using the technology. Even if the amount of steel slag is too small for any substantial mitigation of global warming, the process can have both financial and environmental significance for individual steel manufacturers as a means to reduce the amounts of emitted CO2 and landfilled steel slag. Alternatively, it is possible to introduce the carbon dioxide directly into the mixture of steel slag and ammonium salt solution. The process would generate a 60-75% pure calcium carbonate mixture, the remaining 25-40% consisting of the residual steel slag. This calcium-rich material could be re-used in ironmaking as a fluxing agent instead of natural limestone. Even though this process option would require less process equipment compared to the Slag2PCC process, it still needs further studies regarding the practical usefulness of the products. Nevertheless, compared to several other CO2 emission reduction methods studied around the world, the within this thesis developed and studied processes have the advantage of existing markets for the produced materials, thus giving also a financial incentive for applying the technology in practice.