Metsäpolttoaineiden vesitiekuljetus proomukalustolla

Metsäpolttoaineiden käyttö kasvaa lämpö- ja voimalaitoksissa ja mahdollisissa biojalostamoissa. Metsäpolttoaineilla voidaan saavuttaa päästövähennyksiä korvaamalla päästöintensiivisempiä polttoaineita. Metsäpolttoaineen kysynnän kasvu suurkäyttöpaikoilla luo uusia vaatimuksia metsäbiomassan hankintaan. Metsäpolttoaineiden vesitiekuljetuksen sisältämiä logistiikkajärjestelmiä kehittämällä toimitusvarmuutta pystytään parantamaan ja hankintaa laajentamaan kustannustehokkaasti ja ympäristöystävällisesti. Kuljetuskokeilut antoivat uutta tietoa vesitiekuljetuksen sisältämästä hankinnasta. Lastikapasiteetti nykyisen kaltaisessa Eurooppa IIa -suurproomussa vaihtelee 1200 tonnista jopa 1800 tonniin (kosteus 40 %) riippuen tiivistymisestä ja proomun modifiointiasteesta. Metsähakkeen energiatiheys oli suurproomukuljetuksissa keskimäärin 1 MWh/i-m3, joka oli 25 % parempi kuin vertailun hakerekkakuljetuksissa. Vesitiekuljetuksen kustannukset olivat kuljetuskokeiluissa lastauksineen ja purkuineen 0,02 €/MWh/km, ollen noin 20 % ketjun kokonaiskustannuksista. Simuloinnin edullisimpien vesitiekuljetusvaihtoehtojen vaihteluvälin kustannukset olivat vastaavasti 0,013 - 0,026 €/MWh/km. Lastauksen ja purun kustannus oli 0,4 - 0,6 €/MWh ja vesitiekuljetus 0,9 - 2,0 €/MWh (100 km). Ketjun kokonaiskustannukset hakkuutähdehakkeelle vaihtelivat simuloinnin edullisimpien vaihtoehtojen perusteella välillä 10,8 - 12,1 €/MWh (30 km rekka, 100 km proomu). Kuljetusketjujen simuloinnin kustannukset osoittivat proomukuljetusketjun olevan kilpailukykyinen vaihtoehto hakerekkakuljetusketjulle kalustosta ja vuosittaisista käyttötunneista riippuen kuljetusetäisyyden ylittäessä 100 km. Kustannustehokkain ratkaisu vesitiekuljetuksessa saavutettiin pienen aluksen ja suuren kokoluokan proomuyksikön kytkyeellä. Haketus kannattaa toteuttaa ennen proomukuljetuksen osuutta metsähakkeen paremman tiiviyden ja käsiteltävyyden perusteella. Logistiikkajärjestelmiä pitää kehittää tapauskohtaisesti käyttöpaikan tarpeet ja olosuhteet huomioon ottaen. Metsäpolttoaineiden vesitiekuljetuksen sisältämän logistiikan liiketoimintamallien vertailussa arvioitiin vaihtoehtoiset ulkoistetut toimintamallit paremmaksi kuin nykyinen urakointimalli. Tämä mahdollistaa paremman metsähakkeen saatavuuden ja logistiikan tehokkuuden lastausterminaaleissa. Terminaalitoiminnot ja proomukuljetukset lisäävät uusia liiketoimintamahdollisuuksia ja mahdollistavat metsäpolttoaineiden

Pyrolyysiöljyn valmistus Suomessa kotimaisista raaka-aineista

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää pyrolyysiöljyn tuotantomahdollisuuksia metsäbiomassasta Suomessa. Työssä käydään läpi olennaisia tuotantotekniikoita ja pohditaan tuotantolaitoksen mahdollista sijoituspaikkaa. Lisäksi tehdään karkea laskenta yksittäisen laitoksen ideaalisesta vuosikapasiteetista ja verrataan tulosta olemassa olevasta laitoksesta saatuihin tietoihin.

Sähkö- ja lämpöenergian tuotantomenetelmien ympäristöllisen kilpailukyvyn määrittäminen alueellista energiajärjestelmää suunniteltaessa

Työssä tarkasteltiin sähkö- ja lämpöenergian tuotantomenetelmien ympäristöllistä kilpailukykyä osana yhdyskunnan energiajärjestelmää. Sähkö- lämpöenergian tuotantomenetelmiä vertailtiin keskenään aiheutuvien kasvihuonekaasupäästöjen perusteella. Tarkastelu toteutettiin elinkaariarviointimenetelmällä. Työssä mallinnettiin pääasiassa uusiutuviin energialähteisiin perustuvia menetelmiä yhdyskunnan vuotuisen sähkö- ja lämpöenergiantarpeen täyttämiseksi. Elinkaariarviointimallin avulla vertailtiin keskenään aurinko- ja tuulisähköpainotteista ja CHP-painotteista energiajärjestelmää. Lisäksi työssä arvioitiin aurinko- ja tuulisähköntuotantoa sekä CHP-tuotantoa nettoenergianäkökulmasta. Työn tulosten pohjalta voidaan olettaa, että kokonaisvaltaisesti paras energianhankintavaihtoehto on usean eri sähkö- ja lämpöenergiantuotantomenetelmän yhdistelmä. Alhainen päästötaso tietyssä kategoriassa on yhdentekevää, jos energiaa ei ole saatavissa silloin, kun sitä tarvitaan. Lisäksi on tärkeää huomata, että uusiutuvien energialähteiden hyödynnettävyys riippuu vahvasti alueellisista erityispiirteistä, kuten aurinko- ja tuuliolosuhteista. Tästä johtuen kestävän energiajärjestelmän suunnittelussa alueellisten ominaisuuksien huomiointi on tärkeää. Mikä tietyllä alueella osoittautuu parhaimmaksi ratkaisuksi, ei välttämättä ole sitä toisenlaisessa ympäristössä.

Metsäenergian liiketoimintojen kehittäminen ja käytön kasvun vaikutukset Kaakkois-Suomessa

Kaakkois-Suomen alueella uusiutuvan energian käyttö ja erityisesti metsäenergian käyttö on kasvanut merkittävästi 2000-luvulla. Tulevaisuudessa metsäenergia nähdään edelleen potenti-aalisimpana vaihtoehtona korvattaessa fossiilisia polttoaineita lämpö- ja voimalaitoskokoluo-kassa. Muita uusiutuvan energian vaihtoehtoja ovat mm. tuuli- ja aurinkovoima, biokaasu sekä erilaiset kiinteät ja nestemäiset polttoainejalosteet. Tulevaisuudessa alueella voi olla mahdollis-ta tuottaa niin kansalliseen kuin kansainväliseen vientiin esim. biopolttonesteitä, biokaasua ja biohiiltä. Tutkimushankkeen tavoitteena oli selvittää metsäenergia-alan alueelliset toimijat sekä metsä-energian soveltuvuus ja liiketoimintamahdollisuudet Kaakkois-Suomen alueen energian tuo-tannossa. Tutkimus koostui seuraavista osatehtävistä: metsäsektorin toimijakentän kartoitus, metsäenergian alueelliset liiketoimintamahdollisuudet, puuperäisten polttoainejalosteiden käyttö- ja liiketoimintamahdollisuudet, muiden uusiutuvien energialähteiden käyttömahdolli-suudet ja vaikutukset Kaakkois-Suomessa. Tutkimuksessa arvioitiin myös Kaakkois-Suomen metsäenergian hankinnan työllisyysvaikutuksia. Tutkimuksen ohjausryhmänä toimi Kaakkois-Suomen metsäenergianeuvottelukunta. Tutkimuksessa kyselytutkimuksella selvitettiin metsäenergian tuottajien ja käyttäjien mielipi-teitä ja kehittämiskohteita toimialalta. Kaakkois-Suomessa hyödynnettävistä uusiutuvista energialähteistä selvitettiin nykyinen käyttö sekä arvioitiin tulevaisuuden hyödyntämismah-dollisuuksia vuonna 2020. Nämä tulokset esitettiin Kaakkois-Suomen energiataseen avulla. Kaakkois-Suomessa uusiutuvista energialähteistä puupolttoaineilla on merkittävin rooli metsä-teollisuuden johdosta ja alueen metsäenergian käyttö voi kasvaa jopa 1,7 TWh:in, mikäli fos-siilisia energialähteitä korvataan edelleen voimalaitoksissa ja lämpökeskuksissa. Metsäenergian käytön kasvussa alueen kunnilla on merkittävä rooli. Viime vuosina erityisesti tuulivoiman tuotanto on kasvanut ja tulee kasvamaan edelleen. Samoin aurinkoenergian hyödyntäminen kiinteistökokoluokassa on lisääntynyt voimakkaasti. Lisäksi maakuntaan on suunnitteilla kiin-teiden, nestemäisten ja kaasumaisten polttoainejalosteiden tuotantolaitoksia. Toteutuessaan laitokset voivat lisätä metsäenergian käyttöä merkittävästi.

Metsäenergian käytön kasvun liiketoimintamahdollisuudet Kaakkois-Suomessa

Kaakkois-Suomessa (Kymenlaakson ja Etelä-Karjalan maakunnat) metsäenergian käytön kasvaessa on tullut tarve tarkastella käytön kasvua eri käyttäjien näkökulmasta sekä arvioida kasvaneen käytön luomia liiketoimintamahdollisuuksia alueen toimijoille. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää metsäenergian nykyinen käyttö ja käytön kasvumahdollisuudet alueella. Metsäenergian käytön kasvumahdollisuuksia voidaan arvioida nykyisen energian tuotantorakenteen sekä energian tarpeen perusteella. Näiden tietojen pohjalta voidaan arvioida metsäenergian riittävyyttä, käytön laajentamista ja laajentamisen yhteydessä syntyviä liiketoimintamahdollisuuksia alueen metsäenergian hankinnassa mukana oleville toimijoille ja energian tuotannon pk-yrittäjille (mm. energiayrittäjät ja -osuuskunnat). Hankkeen toteutuksen yhteydessä valmistellaan laajempaa hankekokonaisuutta uusiutuvien paikallisten energiamahdollisuuksien hyödyntämiseksi ja liiketoiminnan kehittämiseksi alueella. Tutkimusten tavoitteena on luoda hyvinvointia ja liiketoimintamahdollisuuksia alueelle. Etelä-Karjalan ja Kymenlaakson maakuntien osalta tutkimus sisälsi seuraavat osatehtävät: metsäenergian nykyisen käytön selvittäminen käyttökohteittain ja polttoainelajeittain (hakkuutähteet, kannot, pienpuu), metsäenergian potentiaalisten käyttökohteiden selvittäminen, metsäenergian kuntakohtaisen saatavuuden selvittäminen polttoainelajeittain, metsäenergian käytön suhde saatavuuteen, metsäenergian ympärille liittyvien liiketoimintamahdollisuuksien tunnistaminen ja kartoittaminen sekä tulosten raportointi. Tutkimuksen tuloksina saatiin Etelä-Karjalan ja Kymenlaakson maakuntien kuntakohtaiset taseet metsäenergian kysynnän ja tarjonnan määristä sekä alaan liittyvistä työllisyys- ja liiketoimintamahdollisuuksista. Tutkimuksen toteutuksessa on tehty tiiviisti yhteistyötä Kaakkois-Suomen metsäkeskuksen kanssa. Tutkimuksen seurantaryhmänä toimi Kaakkois-Suomen metsäenergianeuvottelukunta. Tutkimuksessa on luotu toimintamalli alueellisen ja paikallisen metsäenergian käytön ja saatavuuden tarkastelua varten. Toimintamallilla voidaan esittää paikalliset mahdollisuudet metsäenergian hyödyntämiseksi ja liiketoimintamahdollisuuksien arvioimiseksi.

From emerging opportunities to successful business networks – evidence from bioenergy

Increasing renewable energy utilization is a challenge that is tried to be solved in different ways. One of the most promising options for renewable energy is different biomasses, and the bioenergy field offers numerous emerging business opportunities. The actors in the field have rarely all the needed know-how and resources for exploiting these opportunities, and thus it is reasonable to seize them in cooperation. Networking is not an easy task to carry out, however, and in addition to its advantages for the firms engaged, it sets numerous challenges as well. The development of a network is a result of several steps firms need to take. In order to gain optimal advantage of their networks, firms need to weigh out with whom, why and how they should cooperate. In addition, everything does not depend on the firms themselves, as several factors in the external environment set their own enablers and barriers for cooperation. The formation of a network around a business opportunity is thus a multiphase process. The objective of this thesis is to depict this process via a step-by-step analysis and thus increase understanding on the whole development path from an entrepreneurial opportunity to a successful business network. The empirical evidence has been gathered by discussing the opportunities of animal manure refinement to biogas and forest biomass utilization for heating in Finland. The thesis comprises two parts. The first part provides an overview of the study, and the second part includes five research publications. The results reveal that it is essential to identify and analyze all the steps in the development process of a network, and several frameworks are used in the thesis to analyze these steps. The frameworks combine the views of theory and practical experiences of empirical study, and thus give new multifaceted views for the discussion on SME networking. The results indicate that the ground for cooperation should be investigated adequately by taking account of the preconditions in all the three contexts in which the actors operate: the social context, the region and the institutional environment. In case the project advances to exploitation, the assets and objectives of the actors should be paired off, which sets a need for relationships and sub-networks differing in breadth and depth. Different relationships and networks require different kinds of maintenance and management. Moreover, the actors should have the capability to change the formality or strategy of the relationships if needed. The drivers for these changes come along with the changing environment, which causes changes in the objectives of the actors and this way in the whole network. Bioenergy as the empirical field of the study represents well an industrial field with many emerging opportunities, a motley group of actors, and sensitivity for fast changes.

Pressurized hot water flow-through extraction of birch wood

Effective processes to fractionate the main compounds in biomass, such as wood, are a prerequisite for an effective biorefinery. Water is environmentally friendly and widely used in industry, which makes it a potential solvent also for forest biomass. At elevated temperatures over 100 °C, water can readily hydrolyse and dissolve hemicelluloses from biomass. In this work, birch sawdust was extracted using pressurized hot water (PHWE) flow-through systems. The hypothesis of the work was that it is possible to obtain polymeric, water-soluble hemicelluloses from birch sawdust using flow-through PHW extractions at both laboratory and large scale. Different extraction temperatures in the range 140–200 °C were evaluated to see the effect of temperature to the xylan yield. The yields and extracted hemicelluloses were analysed to obtain sugar ratios, the amount of acetyl groups, furfurals and the xylan yields. Higher extraction temperatures increased the xylan yield, but decreased the molar mass of the dissolved xylan. As the extraction temperature increased, more acetic acid was released from the hemicelluloses, thus further decreasing the pH of the extract. There were only trace amounts of furfurals present after the extractions, indicating that the treatment was mild enough not to degrade the sugars further. The sawdust extraction density was increased by packing more sawdust in the laboratory scale extraction vessel. The aim was to obtain extracts with higher concentration than in typical extraction densities. The extraction times and water flow rates were kept constant during these extractions. The higher sawdust packing degree decreased the water use in the extractions and the extracts had higher hemicellulose concentrations than extractions with lower sawdust degrees of packing. The molar masses of the hemicelluloses were similar in higher packing degrees and in the degrees of packing that were used in typical PHWE flow-through extractions. The structure of extracted sawdust was investigated using small angle-(SAXS) and wide angle (WAXS) x-ray scattering. The cell wall topography of birch sawdust and extracted sawdust was compared using x-ray tomography. The results showed that the structure of the cell walls of extracted birch sawdust was preserved but the cell walls were thinner after the extractions. Larger pores were opened inside the fibres and cellulose microfibrils were more tightly packed after the extraction. Acetate buffers were used to control the pH of the extracts during the extractions. The pH control prevented excessive xylan hydrolysis and increased the molar masses of the extracted xylans. The yields of buffered extractions were lower than for plain water extractions at 160–170 °C, but at 180 °C yields were similar to those from plain water and pH buffers. The pH can thus be controlled during extraction with acetate buffer to obtain xylan with higher molar mass than those obtainable using plain water. Birch sawdust was extracted both in the laboratory and pilot scale. The performance of the PHWE flow-through system was evaluated in the laboratory and the pilot scale using vessels with the same shape but different volumes, with the same relative water flow through the sawdust bed, and in the same extraction temperature. Pre-steaming improved the extraction efficiency and the water flow through the sawdust bed. The extracted birch sawdust and the extracted xylan were similar in both laboratory and pilot scale. The PHWE system was successfully scaled up by a factor of 6000 from the laboratory to pilot scale and extractions performed equally well in both scales. The results show that a flow-through system can be further scaled up and used to extract water-soluble xylans from birch sawdust. Extracted xylans can be concentrated, purified, and then used in e.g. films and barriers, or as building blocks for novel material applications.

Bio-energy retains its mitigation potential under elevated CO2

Background If biofuels are to be a viable substitute for fossil fuels, it is essential that they retain their potential to mitigate climate change under future atmospheric conditions. Elevated atmospheric CO2 concentration [CO2] stimulates plant biomass production; however, the beneficial effects of increased production may be offset by higher energy costs in crop management. Methodology/Main findings We maintained full size poplar short rotation coppice (SRC) systems under both current ambient and future elevated [CO2] (550 ppm) and estimated their net energy and greenhouse gas balance. We show that a poplar SRC system is energy efficient and produces more energy than required for coppice management. Even more, elevated [CO2] will increase the net energy production and greenhouse gas balance of a SRC system with 18%. Managing the trees in shorter rotation cycles (i.e. 2 year cycles instead of 3 year cycles) will further enhance the benefits from elevated [CO2] on both the net energy and greenhouse gas balance. Conclusions/significance Adapting coppice management to the future atmospheric [CO2] is necessary to fully benefit from the climate mitigation potential of bio-energy systems. Further, a future increase in potential biomass production due to elevated [CO2] outweighs the increased production costs resulting in a northward extension of the area where SRC is greenhouse gas neutral. Currently, the main part of the European terrestrial carbon sink is found in forest biomass and attributed to harvesting less than the annual growth in wood. Because SRC is intensively managed, with a higher turnover in wood production than conventional forest, northward expansion of SRC is likely to erode the European terrestrial carbon sink.

Gross direct and embodied carbon sinks for urban inventories

Cities and urban regions are undertaking efforts to quantify greenhouse (GHG) emissions from their jurisdictional boundaries. Although inventorying methodologies are beginning to standardize for GHG sources, carbon sequestration is generally not quantified. This article describes the methodology and quantification of gross urban carbon sinks. Sinks are categorized into direct and embodied sinks. Direct sinks generally incorporate natural process, such as humification in soils and photosynthetic biomass growth (in urban trees, perennial crops, and regional forests). Embodied sinks include activities associated with consumptive behavior that result in the import and/or storage of carbon, such as landfilling of waste, concrete construction, and utilization of durable wood products. Using methodologies based on the Intergovernmental Panel on Climate Change 2006 guidelines (for direct sinks) and peer-reviewed literature (for embodied sinks), carbon sequestration for 2005 is calculated for the Greater Toronto Area. Direct sinks are found to be 317 kilotons of carbon (kt C), and are dominated by regional forest biomass. Embodied sinks are calculated to be 234 kt C based on one year's consumption, though a complete life cycle accounting of emissions would likely transform this sum from a carbon sink to a source. There is considerable uncertainty associated with the methodologies used, which could be addressed with city-specific stock-change measurements. Further options for enhancing carbon sink capacity within urban environments are explored, such as urban biomass growth and carbon capture and storage.

Florestas de restinga e de terras baixas na planície costeira do sudeste do Brasil: vegetação e heterogeneidade ambiental

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Comparação de métodos para determinar biomassa na região amazônica

The aboveground biomass content of a region can be estimated by either direct or indirect methods. Direct methods correspond to the biomass content determination with scales and extrapolation of results to larger areas. It is a destructive and very laborious procedure. Indirect methods utilize formulas whose entrance parameters are obtained from forest inventories. Forest inventories are made with the purpose to plan exploration and land use and the inventory data are frequently not suitable for biomass estimation. Problems with both methods increase in the Amazon region, where little information is available on forest biomass. The objective of this paper is to establish, by comparing the application of the indirect and direct methods in the determination of the biomass, the more appropriate indirect formulation to represent the characteristic vegetation of a region in the amazonian forest. A 0.2 hectare area was chosen, which was part of a major forest clearing experiment conducted in Tomé Açu, a town located 250 km south of Belém, the capital of the Brazilian state of Pará. The entire biomass in the area was weighted with scales during the three weeks that followed the cut of the forest in July 1994. A detailed inventory was carried out in the area and then the indirect method was applied in the data. Seven different formulas for determining biomass were used. Comparison of the data of real mass and the mass obtained through the application of the seven formulas indicated that the more suitable for the region is given by FW = α · φβ · Hγ, where FW is total fresh weight (kg), φ is the diameter at breast height (cm), H is the total height of the tree and α, β and γ are regression coefficients (equal to 0.026, 1.529 and 1.747, respectively).

Variação temporal do efluxo de dióxido de carbono CO2 do solo em sistemas agroflorestais com palma de óleo (Elaeis guineensis) na Amazônia Oriental

A região amazônica tem sido submetida a contínuo desflorestamento e expansão do uso da terra, para a implantação de atividades como pecuária, exploração madeireira, agricultura, mineração e urbanização. A queima e a decomposição da biomassa da floresta liberam gases que contribuem para o efeito estufa, como o dióxido de carbono (CO₂). Nesse contexto, surge o interesse em avaliar a dinâmica do efluxo de CO₂ do solo na Amazônia, em especial em sistemas agroflorestais de palma de óleo (Elaeis guineensis), visto o destaque da produção dessa cultura no estado do Pará, que teve uma razoável expansão, transformando o estado do Pará em um dos maiores plantadores e produtores do país. Este trabalho teve como objetivo investigar a dinâmica do efluxo de CO₂ do solo em sistemas agroflorestais onde a palma de óleo é a cultura principal, na escala temporal e os fatores bióticos e abióticos que influenciam diretamente neste processo. Foram quantificados os carbono da biomassa microbiana do solo, carbono total do solo, respiração microbiana do solo, raízes finas do solo e zona de influência das espécies; e os fatores abióticos: umidade e temperatura do solo, em dois sistemas agroflorestais de cultivo de palma de óleo, o sistema adubadeiras e o sistema biodiverso. As medições foram feitas nos períodos seco e no chuvoso. Os resultados mostraram que o maior efluxo de CO₂ do solo ocorreu no período chuvoso, provavelmente devido à maior atividade microbiana nesse período influenciada por fatores climáticos aliados a fatores bióticos. O sistema biodiverso apresentou maior efluxo de CO₂ do solo do que o sistema adubadeiras, provavelmente devido à maior atividade biológica no solo nesse sistema. O efluxo de CO₂ do solo não mostrou correlação forte com as variáveis testadas. Pôde-se concluir que o efluxo de CO₂ do solo sofreu influencia apenas da sazonalidade climática. O fato da área de plantio ser muito jovem pode ser um fator determinante para que não tenha sido encontrada relação mais forte da respiração do solo com as variáveis analisadas.

Quantificação de poluentes emitidos durante a queima de biomassa florestal em laboratório

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Caracterização físico-química da biomassa produzida em sistemas florestais de curta rotação para geração de energia

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA