Methods for assessing the sustainability of integrated municipal waste management and

The general striving to bring down the number of municipal landfills and to increase the reuse and recycling of waste-derived materials across the EU supports the debates concerning the feasibility and rationality of waste management systems. Substantial decrease in the volume and mass of landfill-disposed waste flows can be achieved by directing suitable waste fractions to energy recovery. Global fossil energy supplies are becoming more and more valuable and expensive energy sources for the mankind, and efforts to save fossil fuels have been made. Waste-derived fuels offer one potential partial solution to two different problems. First, waste that cannot be feasibly re-used or recycled is utilized in the energy conversion process according to EU’s Waste Hierarchy. Second, fossil fuels can be saved for other purposes than energy, mainly as transport fuels. This thesis presents the principles of assessing the most sustainable system solution for an integrated municipal waste management and energy system. The assessment process includes: · formation of a SISMan (Simple Integrated System Management) model of an integrated system including mass, energy and financial flows, and · formation of a MEFLO (Mass, Energy, Financial, Legislational, Other decisionsupport data) decision matrix according to the selected decision criteria, including essential and optional decision criteria. The methods are described and theoretical examples of the utilization of the methods are presented in the thesis. The assessment process involves the selection of different system alternatives (process alternatives for treatment of different waste fractions) and comparison between the alternatives. The first of the two novelty values of the utilization of the presented methods is the perspective selected for the formation of the SISMan model. Normally waste management and energy systems are operated separately according to the targets and principles set for each system. In the thesis the waste management and energy supply systems are considered as one larger integrated system with one primary target of serving the customers, i.e. citizens, as efficiently as possible in the spirit of sustainable development, including the following requirements: · reasonable overall costs, including waste management costs and energy costs; · minimum environmental burdens caused by the integrated waste management and energy system, taking into account the requirement above; and · social acceptance of the selected waste treatment and energy production methods. The integrated waste management and energy system is described by forming a SISMan model including three different flows of the system: energy, mass and financial flows. By defining the three types of flows for an integrated system, the selected factor results needed in the decision-making process of the selection of waste management treatment processes for different waste fractions can be calculated. The model and its results form a transparent description of the integrated system under discussion. The MEFLO decision matrix has been formed from the results of the SISMan model, combined with additional data, including e.g. environmental restrictions and regional aspects. System alternatives which do not meet the requirements set by legislation can be deleted from the comparisons before any closer numerical considerations. The second novelty value of this thesis is the three-level ranking method for combining the factor results of the MEFLO decision matrix. As a result of the MEFLO decision matrix, a transparent ranking of different system alternatives, including selection of treatment processes for different waste fractions, is achieved. SISMan and MEFLO are methods meant to be utilized in municipal decision-making processes concerning waste management and energy supply as simple, transparent and easyto- understand tools. The methods can be utilized in the assessment of existing systems, and particularly in the planning processes of future regional integrated systems. The principles of SISMan and MEFLO can be utilized also in other environments, where synergies of integrating two (or more) systems can be obtained. The SISMan flow model and the MEFLO decision matrix can be formed with or without any applicable commercial or free-of-charge tool/software. SISMan and MEFLO are not bound to any libraries or data-bases including process information, such as different emission data libraries utilized in life cycle assessments.

Direcionamentos da tecnologia industrial de células a combustível de óxidos sólidos

This manuscript shows an overview of the solid oxide fuel cell (SOFC) technology based on industrial developments. The information presented has been collected mostly at conferences that the authors attended. It is observed that several companies have been pursuing the development of the SOFC technology. Significant advances in stability and power density have raised the economic interest in this technology recently. It is revealed that the SOFC materials are essentially the same ones that have been used in the past decades, and that the two most important designs of pre-commercial SOFC prototypes are the tubular and planar ones.

Tratamentos dos efluentes gerados na produção de biodiesel

The wastewaters from biodiesel production contain as primarily wastes sodium or potassium soaps, fatty acids, glycerin, alcohol and other contaminants. In general, these waters are chemically unsuitable for release to any water body, so, it is necessary the adoption of techniques for the treatment of this effluent. In this review, electrochemical, biological, physicochemical, and combined treatments reported for the removal of the wastewater containing pollutants come from biodiesel production have been summarized. In addition, the recovery, the reuse, the energy production and the synthesis of new compounds from the organic matter contained in this kind of effluent are also reviewed.

Patentes depositadas em âmbito nacional como indicador de desenvolvimento das tecnologias de produção de hidrogênio

Brazil is considered a major player in relation to renewable energy sources. Since 2005, the MME have encouraged scientific and technological development to advance the hydrogen economy in the country. In this work we identified the patents based on hydrogen production filed by the INPI by evaluating the energy production in Brazil in conjunction with data held in the BNE and the prediction of hydrogen production made by the CGEE. It can be observed that the country needs substantial technological stimulation, but shows promise for producing renewable energy sources.

Carboidratos como fonte de compostos para a indústria de química fina

Coal, oil, natural gas, and shale gas are biomass that is formed millions of years ago. These are non-renewable and depleting, even considering the recent discovery of new sources of oil in the presalt and new technologies for the exploitation of shale deposits. Currently, these raw materials are used as a source of energy production and are also important for the production of fine chemicals. Since these materials are finite and their (oil) price is increasing, it is clear that there will be a progressive increase in the chemical industry to use renewable raw materials as a source of energy, an inevitable necessity for humanity. The major challenge for the society in the twenty first century is to unite governments, universities, research centers, and corporations to jointly act in all areas of science with one goal of finding a solution to global problems, such as conversion of biomass into compounds for the fine chemical industry.Non-renewable raw materials are used in the preparation of fuels, chemical intermediates, and derivatives for the fine chemical industry. However, their stock in nature has a finite duration, and their price is high and will likely increase with their depletion. In this scenario, the alternative is to use renewable biomass as a replacement for petrochemicals in the production of fine chemicals. As the production of biomass-based carbohydrates is the most abundant in nature, it is judicious to develop technologies for the generation of chain products (fuels, chemical intermediates, and derivatives for the fine chemicals industry) using this raw material. This paper presents some aspects and opportunities in the area of carbohydrate chemistry toward the generation of compounds for the fine chemical industry.

Química Sem Fronteiras: o desafio da energia

Coal, natural gas and petroleum-based liquid fuels are still the most widely used energy sources in modern society. The current scenario contrasts with the foreseen shortage of petroleum that was spread out in the beginning of the XXI century, when the concept of "energy security" emerged as an urgent agenda to ensure a good balance between energy supply and demand. Much beyond protecting refineries and oil ducts from terrorist attacks, these issues soon developed to a portfolio of measures related to process sustainability, involving at least three fundamental dimensions: (a) the need for technological breakthroughs to improve energy production worldwide; (b) the improvement of energy efficiency in all sectors of modern society; and (c) the increase of the social perception that education is a key-word towards a better use of our energy resources. Together with these technological, economic or social issues, "energy security" is also strongly influenced by environmental issues involving greenhouse gas emissions, loss of biodiversity in environmentally sensitive areas, pollution and poor solid waste management. For these and other reasons, the implementation of more sustainable practices in our currently available industrial facilities and the search for alternative energy sources that could partly replace the fossil fuels became a major priority throughout the world. Regarding fossil fuels, the main technological bottlenecks are related to the exploitation of less accessible petroleum resources such as those in the pre-salt layer, ranging from the proper characterization of these deep-water oil reservoirs, the development of lighter and more efficient equipment for both exploration and exploitation, the optimization of the drilling techniques, the achievement of further improvements in production yields and the establishment of specialized training programs for the technical staff. The production of natural gas from shale is also emerging in several countries but its production in large scale has several problems ranging from the unavoidable environmental impact of shale mining as well as to the bad consequences of its large scale exploitation in the past. The large scale use of coal has similar environmental problems, which are aggravated by difficulties in its proper characterization. Also, the mitigation of harmful gases and particulate matter that are released as a result of combustion is still depending on the development of new gas cleaning technologies including more efficient catalysts to improve its emission profile. On the other hand, biofuels are still struggling to fulfill their role in reducing our high dependence on fossil fuels. Fatty acid alkyl esters (biodiesel) from vegetable oils and ethanol from cane sucrose and corn starch are mature technologies whose market share is partially limited by the availability of their raw materials. For this reason, there has been a great effort to develop "second-generation" technologies to produce methanol, ethanol, butanol, biodiesel, biogas (methane), bio-oils, syngas and synthetic fuels from lower grade renewable feedstocks such as lignocellulosic materials whose consumption would not interfere with the rather sensitive issues of food security. Advanced fermentation processes are envisaged as "third generation" technologies and these are primarily linked to the use of algae feedstocks as well as other organisms that could produce biofuels or simply provide microbial biomass for the processes listed above. Due to the complexity and cost of their production chain, "third generation" technologies usually aim at high value added biofuels such as biojet fuel, biohydrogen and hydrocarbons with a fuel performance similar to diesel or gasoline, situations in which the use of genetically modified organisms is usually required. In general, the main challenges in this field could be summarized as follows: (a) the need for prospecting alternative sources of biomass that are not linked to the food chain; (b) the intensive use of green chemistry principles in our current industrial activities; (c) the development of mature technologies for the production of second and third generation biofuels; (d) the development of safe bioprocesses that are based on environmentally benign microorganisms; (e) the scale-up of potential technologies to a suitable demonstration scale; and (f) the full understanding of the technological and environmental implications of the food vs. fuel debate. On the basis of these, the main objective of this article is to stimulate the discussion and help the decision making regarding "energy security" issues and their challenges for modern society, in such a way to encourage the participation of the Brazilian Chemistry community in the design of a road map for a safer, sustainable and prosper future for our nation.

BUSCAS DE INFORMAÇÕES TECNOLÓGICAS COM BASE EM DADOS DE PATENTES: ESTUDO DE CASO DOS LÍQUIDOS IÔNICOS NO BRASIL

This study describes the application of the Art of Scientific and Technological Search to strategically analyze areas of technological and industrial development. Application of scientific search strategies such as the creation of Patent Landscape has been shown to be useful for writing research projects, earning grants, publishing papers, drafting patent applications, and analyzing the market and economic potentials of a previous determined subject. The Patent Landscape regards a simplified analysis of technologies concerning ionic liquids patents applied in Brazil and published by Instituto Nacional da Propriedade Industrial(INPI). A total of 93 patent applications using the keywords "ionic liquids" were found in the INPI database. Among these, 75% were nonresident applications and 25% were Brazilian resident applications. Interestingly, BASF, Chevron Industries, and the Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) were discovered as higher patent applicant assignees. Differences in the patent application areas were also observed between these applicants, with new solvents and petrochemical applications as the areas of focus for the industrial applications (BASF and Chevron Industries), and energy production, catalysis, and chemical reaction media as the focus for the university applications.

Project owner’s and outside engineering consultant’s role in power plant implementation projects

The purpose of this study was to investigate the nature of co-operation between a project owner and an outside engineering consultant in combined heat and power plant implementation projects. Moreover, as another focal subject of the study was to familiarize the purchasing behavior of the energy producer and how an outside engineering consultant participated into different stages of the purchasing process. The study was carried out as a multiple case study including altogether six Finnish power plant implementation projects that had been taken into commercial use during 1995 – 2015. By adjusting the findings of empirical interview data and comparing those to the theoretical framework concerning, among others, Finnish energy production, engineering consulting businesses, delivery methods of construction project and finally the purchasing process, it can be concluded that especially in the power plant implementation projects in the past have a great influence to decisions made during the project. The role of the main engineering consultant is to act as an assistant, who helps to achieve the project goals successfully rather than an advisor who only knows how the project should be conducted. At least in these five project cases this was the case, meaning that the final decision power always remaining with project owner.

Etelä-Karjalan energiaselvitys ja maakunnan energiatalouden tulevaisuus

Diplomityössä on selvitetty Etelä-Karjalan maakunnan energian käyttöä nyt ja tulevaisuudessa. Tavoitteena on selvittää eri energialähteiden hankintavaihtoehtoja, sekä eri energialähteiden käytön kehittymissuunnat seuraavan 10 - 20 vuoden kuluessa. Diplomityö on tehty Etelä-Karjalan liiton toimeksiannosta ja sitä tullaan käyttämään taustaselvityksenä maakuntakaavan laadinnassa sekä maakunnan aluevarauksia määriteltäessä. Tarkoituksena on arvioida miten energiahuollon rakenne tulee muuttumaan tulevaisuudessa ja mikä merkitys tulevaisuuden energiaratkaisuilla on alueiden käyttöön ja aluerakenteeseen liittyen. Etelä-Karjala on osa Euroopan suurinta metsäteollisuuskeskittymää ja maakunta on Suomen suurimpia teollisuuden energian- ja sähkönkäyttäjiä. Etelä-Karjalan vahva metsäteollisuus ja sen käyttämät puupolttoaineet sekä sijainti Venäjän maakaasuvarojen läheisyydessä ja kattava maakaasuverkko vaikuttavat merkittävästi maakunnan energiataseeseen. Vuonna 2007 Etelä-Karjalan primäärienergiankäyttö oli 24,3 TWh, tästä uusiutuvien energialähteiden osuus oli 68 % ja fossiilisten energialähteiden osuus 22 %. Etelä-Karjalan energiatalouden tulevaisuuteen vaikuttaa merkittävästi maakunnan metsäteollisuuden tulevaisuus. Tiukentuvan energia- ja ilmastopolitiikan ja ympäristömääräysten myötä maakunnan energiatehokkuutta on parannettava kaikilla sektoreilla. Maakunnan energiankulutusta voidaan vähentää tehostamalla energiantuotantoa, tiivistämällä yhdyskuntarakennetta ja lisäämällä bioenergian käyttöä energiantuotannossa. Etelä-Karjalassa on myös potentiaalia lisätä vaihtoehtoisten energialähteiden osuutta maakunnan energiatalouden tulevaisuudessa.

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.

Vesistöjen hyödyntäminen rakennusten lämmityksessä ja jäähdytyksessä

Suomen kokonaisenergiankulutuksesta noin viidesosa kuluu rakennusten lämmitykseen. Ilmastosopimuksien ja tiukentuvien päästömääräyksien vuoksi rakennusten lämmitys- jajäähdytysenergian tuotantoa täytyisi saada energiatehokkaammaksi. Energian kulutuksen vähentäminen onnistuu muun muassa lisäämällä rakennusten omaenergian tuottoa, jota on esimerkiksi lämpöpumpuilla tapahtuva rakennusten lämmitys. Samalla päästöjen määrä pienenee. Rakennusten energiatehokkuusluvun määritys tulee muuttumaan energiamuotojen kertoimiin pohjautuvaksi kokonaisenergiatarkasteluksi. Tämä ohjaa rakennusten energiantuotantoa kaukolämmitykseen ja erilaisiin lämpöpumppuratkaisuihin perustuvaksi. Diplomityössä tutkitaan tapoja, joilla pystytään hyödyntämään vesistöjä rakennusten lämmitykseen ja jäähdytyksen ja saamaan samalla energiankulutusta ja päästöjä pienemmiksi. Lisäksi työssä selvitetään vesistöistä saatavan energian määrää ja käyttökohteita.

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.

Molecular Evolution of Metazoan Hypoxia-inducing Factors

Most metazoans rely on aerobic energy production, which is dependent on adequate oxygen supply. In the case of reduced oxygen supply (hypoxia), the most profound changes in gene expression are mediated by transcription factors named hypoxia-inducible factors (HIF alpha). These proteins are post-translationally regulated by prolyl-4-hydroxylase (PHD) enzymes that are direct “sensors” of cellular oxygen levels. This thesis examines the molecular evolution of metazoan HIF systems. In early metazoans the HIF system emerged from pre-existing PHD oxygen sensors and early bHLH-PAS transcription factors. In invertebrates our analysis revealed an unexpected diversity of PHD genes and HIF alpha sequence characteristics. An early branching vertebrate, the epaulette shark (Hemiscyllium ocellatum) was chosen for sequencing and hypoxia preconditioning studies of HIF alpha and PHD genes. As no quantitative PCR reference genes were available, this thesis includes the first study of reference genes in cartilaginous fish species. Applying multiple statistical analysis we also discoveredthat commonly used reference gene software may perform poorly with some data sets. Novel reference genes allowed accurate measurements of the mRNAlevels of the studied target genes. Cartilaginous fishes have three genomic duplicates of both HIF alpha and PHD genes like mammals and teleost fishes. Combining functional divergence and selection analyses it was possible to describe how sequence changes in both HIF alpha and PHD duplicates may have contributed to the differential oxygen sensitivityof HIF alphas. Additionally, novel teleost HIF-1 alpha sequences were produced and used to reveal the molecular evolution of HIF-1 alpha in this lineage rich with hypoxia tolerant species.

Vaneritehtaan energianäkökohtien tarkastelu ja seuranta

Diplomityön tavoitteena oli tunnistaa ja analysoida vaneritehtaan energianäkökohdat. Lisäksi tavoitteena oli luoda työkalu, joka mahdollistaisi energianäkökohtien seurannan ja vertailun sekä tehtaan energiankäytön jatkuvan kehittämisen. Teoriaosuudessa käsiteltiin energiatehokkuutta sekä energian käyttöä, hankintaa ja tuotantoa. Lisäksi tarkasteltiin vanerin valmistusprosessia. Tarkoituksena oli luoda pohja vaneritehtaan energiankäytön hahmottamiselle ja sen energianäkökohtien analysoinnille. Energian käytön kartoittaminen tehtiin osaksi hyödyntämällä olemassa olevaa tietokantaa ja osaksi prosessoimalla kerättyjä mittaustuloksia. Kartoituksen perusteella tunnistettiin vaneritehtaan osastokohtaiset energianäkökohdat. Näkökohtien analysoinnilla selvitettiin niiden vaikutusta energiankulutukseen ja tuotannon tehokkuuteen. Tämän pohjalta luotiin seurantatyökalu, johon energianäkökohdat ja niihin vaikuttavat tekijät koottiin osastoittain. Energiatehokkuuteen vaikuttavien tekijöiden merkittävyyttä tarkasteltiin pisteyttämällä toiminnan osa-alueita. Analysoinnin yhteydessä työssä esitettiin myös yksittäisiä toiminnan tehokkuuteen liittyviä kehitysesimerkkejä.

Ruokohelven käytön lisääminen Joensuun voimalaitoksen kattilassa – käytettävyys, hyötysuhde ja taloudellisuus

Ruokohelpi soveltuu ympäristöystävällisyyden ja korkean lämpöarvon vuoksi hyvin energiantuotantoon. Fortumin Joensuun voimalaitoksella ruokohelpi on syötetty kattilaan tähän asti pääasiassa pääpolttoaineisiin, turpeeseen tai hakkeeseen seostettuna pieninä energiaosuuksina. Pääpolttoaineisiin verrattuna ruokohelvellä on alhaisempi irto- ja energiatiheys, korkeampi klooripitoisuus ja kattilaa likaavampi tuhka, mikä asettaa rajoitteita sen käytön lisäämiselle voimalaitoksella. Alhaisesta irto- ja energiatiheydestä johtuvan holvautumisen sekä tukoksien lisääntymisen ja Joensuun voimalaitoksen nykyisten kuljettimien kapasiteettiongelmien vuoksi ruokohelven osuuden lisääminen suuremmaksi kuin 5 % polttoaine-energiasisällöstä on riskialtista ja edellyttää täten investointia erilliseen ruokohelven käsittely- ja syöttöjärjestelmään. Yksi vaihtoehto on murskata ruokohelpipaalit joko sähkökäyttöisellä, puolikiinteällä ja nopeakäyntisellä Haybuster H1130 tilt -murskaimella tai kiinteällä ja hidaskäyntisellä Raumaster-murskaimella ja ohjata ruokohelpisilppu joko pitkän mekaanisen kuljettimen ja sen perässä olevien lyhyiden pneumalinjojen tai pelkkien pitkien pneumalinjojen kautta suoraan kattilapesään. Työssä tutkitut investoinnit ovat taloudellisesti sitä kannattavampia mitä enemmän ruokohelpeä voidaan vuositasolla polttaa voimalaitoksella. Ruokohelven käyttömäärää voimalaitoksella kannattanee lisätä kuljetusmatkaa pidentämällä. Investointien valinta ei ole itsestäänselvyys. Nopeakäyntinen murskain on hidaskäyntistä murskainta edullisempi investointi, tosin hidaskäyntisen murskaimen käyttövarmuus on parempi kuin nopeakäyntisen murskaimen. Kattilan käytettävyyden kannalta ruokohelven käytön lisääminen edellyttää kattilan palamistekniikan analysointia laskennallisesti virtausmallinnuksella ennen kuin lopullisia päätöksiä investointien suhteen voidaan tehdä.