Liikennebiokaasun tuotannon ja käytön ulkoiset kustannukset Pohjois-Karjalassa

Työn tavoitteena oli selvittää liikennebiokaasuntuotannon ja käytön vaikutus liikenteen ulkoi-siin kustannuksiin Pohjois-Karjalassa. Biokaasua tuotetaan Joensuussa Kuhasalon jäteveden-puhdistamolla sekä Kontiosuon jäteasemalla, Kiteellä biokaasua tuotetaan BioKympin yh-teismädätyslaitoksessa. Lisäksi laskennassa huomioitiin yhden maatilakokoluokan biokaasun-tuotanto. Työssä selvitettiin kaksi skenaariota liikennebiokaasun tuotantomääräksi vuodelle 2015. Liikennebiokaasua voitaisiin tuottaa optimiskenaarion mukaan 3 426 MWh ja maksimi-tuotantoskenaarion mukaan 21 532 MWh. Liikennebiokaasun käytön vaikutukset liikenteen päästöihin laskettiin vuodelle 2015 ja vuo-delle 2020, jolloin liikennebiokaasua käytettäisiin 10 % liikenteen energiantarpeesta Pohjois-Karjalassa. Hiilidioksidipäästöt vähenevät vuoden 2020 tilanteessa samassa suhteessa kuin liikennebiokaasu korvaa fossiilisia polttoaineita. Muista päästöistä merkittävimmät päästövä-hennykset saatiin kun vuoden 2010 dieselautot muutettaisiin biokaasuautoiksi, tällöin hiuk-kaspäästöt alenisivat jopa 18 % vuoden 2010 päästöistä. Lisäksi selvitettiin liikenteen päästöjen pienenemisen vaikutus liikenteen aiheuttamiin ulkoisiin kustannuksiin. Laskettavat ulkoiset kustannukset olivat ilmastonmuutos, pakokaasupäästöt sekä energiariippuvuus. Pakokaasupäästöjen aiheuttamat ulkoiset kustannukset olivat vuonna 2010 noin 7 miljoonaa euroa. Liikennebiokaasua käyttävästä ajoneuvotyypistä riippuen ulkoiset kustannukset laskevat vuoden 2020 tilanteessa 10–16 % vuoden 2010 kustannuksista. Ilmastonmuutoksen ulkoiset kustannukset vuodelle 2010 olivat 9,5 miljoonaa euroa. Biokaasun käytön avulla kustannuksissa voitaisiin säästää 910 000 euroa vuonna 2020. Ener-giariippuvuuden hinta öljynkäytöstä oli vuonna 2010 noin 4,2 miljoonaa euroa ja vuonna 2020 kustannukset voisivat laskea 450 000 euroa.

Modelling of calciner in post-combustion carbon capture process

Climate change has given an impetus to research and developed new technologies to reduce significantly carbon dioxide emissions in energy production in the developed countries. The major pollution source, fossil fuels, will be used as an energy source for many decades, which provides the demand for carbon capture and storage technologies. Over recent years many new technologies has been developed and one of the most promising is calcium-looping in post-combustion carbon capture process, which use carbonation-calcination cycle to capture carbon dioxide from the flue gas of a combustion process. First pilot plant for calcium-looping process has been built in Oviedo, Spain. In this study, a three-dimensional model has been created for the calciner, which is one of the two fluidized bed reactors needed for the process. The calciner is a regenerator where the captured carbon dioxide is removed from the calcium material and then collected after the reactor. Thesis concentrates in creating the calciner 3D-model frame with CFB3D-program and testing the model with two different example cases. Used input parameters and calciner geometry are Oviedo pilot plant design parameters. The calculation results give information about the process and show that pilot plant calciner should perform as planned. This Master’s Thesis is done in participation to EU FP7 project CaOling.

Improving strategic decision-making with simulation based decision support systems

Combating climate change is one of the key tasks of humanity in the 21st century. One of the leading causes is carbon dioxide emissions due to usage of fossil fuels. Renewable energy sources should be used instead of relying on oil, gas, and coal. In Finland a significant amount of energy is produced using wood. The usage of wood chips is expected to increase in the future significantly, over 60 %. The aim of this research is to improve understanding over the costs of wood chip supply chains. This is conducted by utilizing simulation as the main research method. The simulation model utilizes both agent-based modelling and discrete event simulation to imitate the wood chip supply chain. This thesis concentrates on the usage of simulation based decision support systems in strategic decision-making. The simulation model is part of a decision support system, which connects the simulation model to databases but also provides a graphical user interface for the decisionmaker. The main analysis conducted with the decision support system concentrates on comparing a traditional supply chain to a supply chain utilizing specialized containers. According to the analysis, the container supply chain is able to have smaller costs than the traditional supply chain. Also, a container supply chain can be more easily scaled up due to faster emptying operations. Initially the container operations would only supply part of the fuel needs of a power plant and it would complement the current supply chain. The model can be expanded to include intermodal supply chains as due to increased demand in the future there is not enough wood chips located close to current and future power plants.

Polttoaineet ja niiden kustannusten optimointi lämmöntuotossa

Työ esittelee suomessa lämmöntuotantoon käytettävät polttoaineet, niiden verotuksen, hinnan kehityksen ja kustannusten optimoinnin. Polttoaineista maakaasu on käsitelty kattivimmin. Työssä perehdytään syihin, joista polttoaineiden hinnan vaihtelut johtuvat ja miten ne tiedostamalla voidaan vaikuttaa kustannuksiin. Työssä käydään läpi lämmöntuotannon rakenteen ja käytetyn tekniikan vaikutukset erilaisten polttoaineiden käyttöön.

Pienen kokoluokan CHP-tuotannon kannattavuus kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä

Fossiiliset polttoainevarannot ovat ehtymässä. Nykyisen talouskasvumme perustuessa fossiilisten polttoaineiden kestämättömään käyttöön, on energiantuotantorakenteen muututtava. Euroopan Unioni on asettanut tavoitteet uusiutuvan energian osuuden lisäämiseksi. Näistä syistä johtuen kiinnostus uusiutuvaa energiaa ja hajautettua energiantuotantoa kohtaan on kasvanut viime aikoina. Tämän globaalin ilmiön rinnalla yhteiskuntarakenteen muutos Suomessa on johtanut tilanteeseen, jossa taloudellinen aktiviteetti kasvukeskusten ulkopuolella on hiipumassa. Loogisena ratkaisumallina on syntynyt hankkeita kuten Keski-Karjalan Kehitysyhtiö Oy:n Puhos 2013 - ympäristöalasta uutta liiketoimintaa - hanke. Tämä työ on Puhos 2013 - hankkeeseen tilattu tutkimus, jonka tavoitteena on puuta ja biokaasua polttoaineenaan käyttävän mikroturbiinitekniikkaan pohjautuvan pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuden selvittäminen kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä. Tutkimuksessa selvitettiin aluksi pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuteen vaikuttavat tekijät, jonka jälkeen opittua tietoa sovellettiin Kiteen Lämmön Arppentien lämpölaitoksen tapaukseen. Kiteen Lämmön taloudellisen kannattavuuden ohella tutkimuksessa huomioitiin uusien liiketoiminta mahdollisuuksien syntyminen alueelle. Käytetyt tutkimusmenetelmät olivat kvalitatiivinen analyysi ja perinteinen investoinnin kannattavuuslaskenta. Tutkimuksen tuloksena muodostettiin strategia, joka maksimoi molemmat edellä mainitut kannattavuuden näkökulmat. Kehitetyn strategian Kiteen Lämmön tulosta maksimoiva osuus muodostuu oman käyttösähkön tuottamisen aloittamisesta Arppentien lämpölaitoksella 30 kWe mikroturbiinilla käyttäen polttoaineena Bio10 Oy:n toimittamaa biokaasua. Uusien liiketoiminta mahdollisuuksien synty alueelle mahdollistetaan puolestaan kehittämällä puun kaasutukseen perustuva modulaarinen CHP laitos yhteistyössä Mekrijärven tutkimusaseman ja suomalaisten laitevalmistajien kanssa.

Survey of transportation of liquid bulk chemicals in the Baltic Sea

This study is made as a part of the Chembaltic (Risks of Maritime Transportation of Chemicals in Baltic Sea) project which gathers information on the chemicals transported in the Baltic Sea. The purpose of this study is to provide an overview of handling volumes of liquid bulk chemicals (including liquefied gases) in the Baltic Sea ports and to find out what the most transported liquid bulk chemicals in the Baltic Sea are. Oil and oil products are also viewed in this study but only in a general level. Oils and oil products may also include chemical-related substances (e.g. certain bio-fuels which belong to MARPOL annex II category) in some cargo statistics. Chemicals in packaged form are excluded from the study. Most of the facts about the transport volumes of chemicals presented in this study are based on secondary written sources of Scandinavian, Russian, Baltic and international origin. Furthermore, statistical sources, academic journals, periodicals, newspapers and in later years also different homepages on the Internet have been used as sources of information. Chemical handling volumes in Finnish ports were examined in more detail by using a nationwide vessel traffic system called PortNet. Many previous studies have shown that the Baltic Sea ports are annually handling more than 11 million tonnes of liquid chemicals transported in bulk. Based on this study, it appears that the number may be even higher. The liquid bulk chemicals account for approximately 4 % of the total amount of liquid bulk cargoes handled in the Baltic Sea ports. Most of the liquid bulk chemicals are handled in Finnish and Swedish ports and their proportion of all liquid chemicals handled in the Baltic Sea is altogether over 50 %. The most handled chemicals in the Baltic Sea ports are methanol, sodium hydroxide solution, ammonia, sulphuric and phosphoric acid, pentanes, aromatic free solvents, xylenes, methyl tert-butyl ether (MTBE) and ethanol and ethanol solutions. All of these chemicals are handled at least hundred thousand tonnes or some of them even over 1 million tonnes per year, but since chemical-specific data from all the Baltic Sea countries is not available, the exact tonnages could not be calculated in this study. In addition to these above-mentioned chemicals, there are also other high volume chemicals handled in the Baltic Sea ports (e.g. ethylene, propane and butane) but exact tonnes are missing. Furthermore, high amounts of liquid fertilisers, such as solution of urea and ammonium nitrate in water, are transported in the Baltic Sea. The results of the study can be considered indicative. Updated information about transported chemicals in the Baltic Sea is the first step in the risk assessment of the chemicals. The chemical-specific transportation data help to target hazard or e.g. grounding/collision risk evaluations to chemicals that are handled most or have significant environmental hazard potential. Data gathered in this study will be used as background information in later stages of the Chembaltic project when the risks of the chemicals transported in the Baltic Sea are assessed to highlight the chemicals that require special attention from an environmental point of view in potential marine accident situations in the Baltic Sea area.

Arinakattilalaitoksen polttoainekäytön tarkastelu

Tässä diplomityössä on tutustuttu Lahti Energia Oy:n Heinolan voimalaitoksen energiantuotantoon. Heinolan voimalaitos on vanha, mutta sen pääkattilana toimiva arinakattila on uusittu 2004. Voimalaitoksen toimintaa halutaan kehittää nykyaikaisemmaksi ja energiatehokkaammaksi. Voimalaitoksella on nykyään kolme asiakasta, joista uusin on liittynyt höyryverkkoon vuonna 2011. Työssä on tutkittu miten voimalaitoksen polttoaineiden käyttö muuttuu uuden asiakkaan myötä. Diplomityön teoriaosassa on keskitytty antamaan tietoa erilaisista polttoaineista sekä arinapolttamisesta polttotekniikkana. Työssä on laskettu voimalaitoksen asiakkaiden käyttämä energiavuositasolla, voimalaitoksen kattilahyötysuhde, prosessihyötysuhde ja niiden avulla laitoksen tarvitsema polttoaine-energia vuodessa. Laskelmat antavat hyvän yleisen kuvan voimalaitoksen käytöstä tällä hetkellä. Käyttöennusteen avulla voidaan arvioida myös laitoksen taloudellista tilaa polttoaineseoksen näkökulmasta.

Public and Private Sector Decision Makers Within the Rail Baltica Growth Corridor

Transport volumes have increased and will continue to increase in European Union. Even though the growth has not been equal between different transport modes. Most of the growth has been faced on road transport. European Union aims to balance the unbalanced market shares between the modes by gaining and supporting the competitiveness of railway and waterway transport. In EU railway transportation is seen as solution to increase safety in traffic and decrease the environmental impacts of transportation. The aim of this research is to figure out how it is possible to decrease the environmental impacts by the technology already in use. Main focus of this research is in intermodality and combining the road and railway transportation. This study aims also to figure out demands and expectations towards new Rail Baltica railway route connecting Tallinn and Berlin. The research is conducted by performing a literature review about decreasing environmental impacts and combining road and rail transport. Another viewpoint is taken from the possible effects of tourism to the passenger transport on rails. Knowledge gained by literature review is deepened by additional internet questionnaire study and expert interview study. In decreasing the environmental impacts of transportation electric trains are definitely the best option providing that the electricity is generated from renewable or carbon dioxide free sources. Decrease of environmental impacts has been reached also with acceptance of larger road transport vehicles. According to interviewed passenger transport experts, the whole route from Tallinn to Berlin may not be convenient to be used in passenger transport, just because the route is too long.. In EU freight is transported mainly with semi-trailer combinations, and that is why it could be logical if huckepack trains would be used on Rail Baltica. Huckepack train allows semi-trailers to be transported on rails with time efficient loading-unloading process. Overall, Rail Baltica project is experienced as a future-oriented one and new railway alignment is seen as great alternative option for transport modes using fossil fuels.

Konversiosähköauton mitoitussuunnitelma

Sähköautojen tulemista on odotettu jo pitkään ja ne ovat potentiaalisia fossiilisilla polttoaineilla toimivien polttomoottoreiden korvaajia. Hybridiautoja on tullut markkinoille entistä enemmän ja ne osaltaan auttavat vähentämään fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Sähköautot ovat toistaiseksi jääneet taka-alalle. Tässä työssä on tehty konversiosähköauton mitoitussuunnitelma museoikäiseen autoon. Työssä on mitoitettu kolme sähköisen voimansiirron pääkomponenttia sähkömoottori, taajuudenmuuttaja ja akusto. Mitoitussuunnitelma toimii hyvänä pohjana, jonka avulla konversiota voidaan alkaa rakentamaan.

Hakkeen kuivaus ennen varastointia ja biopolttoaineterminaalin suunnittelu

Lempäälään aiotaan rakentaa uusi kaukolämpölaitos, jossa polttoaineena käytettäisiin haketta. Nykyään Lempäälässä tuotetaan kaukolämpöä maakaasulla, jonka käyttämisestä halutaan siirtyä käyttämään lähialueilta saatavaa biopolttoainetta. Tässä työssä halutaan selvittää, mitä hyötyjä saataisiin hakkeen koneellisesta kuivauksesta. Työn toisena tavoitteena on suunnitella ja pohtia biopolttoaineterminaalin rakentamista sekä käsitellä hakkeen varastointia yleensä. Työssä tutustutaan hakkeeseen aiheesta kertovan kirjallisuuden avulla. Työssä on myös laskettu hakkeen kuivauksesta saatavia hyötyjä hakkeen lämpöarvoon sekä energiatiheyteen. Erityisesti perehdytään metsätähdehakkeeseen, rankahakkeeseen, kuorihakkeeseen sekä sahanpuruun. Laskelmien tuloksista on havaittu, että suurin hyöty hakkeen energiatiheyden parantumisessa saadaan kun hake kuivataan 35 % kosteuspitoisuuteen. Tämän jälkeen energiatiheyden paraneminen tapahtuu hitaammin. Hakkeen kuivauksesta saadaan myös muita hyötyjä kuin energiatiheyden paraneminen. Kuivan hakkeen käsittelyn ja varastoinnin on havaittu olevan vaivattomampaa kuin märän hakkeen. Biopolttoaineterminaalin ja voimalaitoksen tulisi sijaita rinnakkain, jotta hakkeen kuivauksesta saadaan mahdollisimman kustannustehokasta. Näin ollen syntyisi myös säästöjä hakkeen kuljetuksen suhteen. Biopolttoaineterminaalin rakentamista varten tarvittaisiin tilaa alustavien laskelmien perusteella noin yksi hehtaari. Työssä on myös laskettu biopolttoaineterminaalin rakentamisesta aiheutuvia kustannuksia sekä hakkeen kuljetuksesta koituvia logistiikka kustannuksia. Haketerminaalin ja voimalaitoksen sijaintia Lempäälässä on myös kartoitettu.

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.

Spatial multicriteria decision analysis for the siting of on-shore wind power in Kemiönsaari

Wind power is a low-carbon energy production form that reduces the dependence of society on fossil fuels. Finland has adopted wind energy production into its climate change mitigation policy, and that has lead to changes in legislation, guidelines, regional wind power areas allocation and establishing a feed-in tariff. Wind power production has indeed boosted in Finland after two decades of relatively slow growth, for instance from 2010 to 2011 wind energy production increased with 64 %, but there is still a long way to the national goal of 6 TWh by 2020. This thesis introduces a GIS-based decision-support methodology for the preliminary identification of suitable areas for wind energy production including estimation of their level of risk. The goal of this study was to define the least risky places for wind energy development within Kemiönsaari municipality in Southwest Finland. Spatial multicriteria decision analysis (SMCDA) has been used for searching suitable wind power areas along with many other location-allocation problems. SMCDA scrutinizes complex ill-structured decision problems in GIS environment using constraints and evaluation criteria, which are aggregated using weighted linear combination (WLC). Weights for the evaluation criteria were acquired using analytic hierarchy process (AHP) with nine expert interviews. Subsequently, feasible alternatives were ranked in order to provide a recommendation and finally, a sensitivity analysis was conducted for the determination of recommendation robustness. The first study aim was to scrutinize the suitability and necessity of existing data for this SMCDA study. Most of the available data sets were of sufficient resolution and quality. Input data necessity was evaluated qualitatively for each data set based on e.g. constraint coverage and attribute weights. Attribute quality was estimated mainly qualitatively by attribute comprehensiveness, operationality, measurability, completeness, decomposability, minimality and redundancy. The most significant quality issue was redundancy as interdependencies are not tolerated by WLC and AHP does not include measures to detect them. The third aim was to define the least risky areas for wind power development within the study area. The two highest ranking areas were Nordanå-Lövböle and Påvalsby followed by Helgeboda, Degerdal, Pungböle, Björkboda, and Östanå-Labböle. The fourth aim was to assess the recommendation reliability, and the top-ranking two areas proved robust whereas the other ones were more sensitive.

Hartsin likaantuminen ja kestävyys mustalipeän fraktioinnissa kokoekskluusiokromatografialla

Sellunkeiton sivutuotteena syntyvä mustalipeä sisältää arvokkaita orgaanisia yhdisteitä, kuten hydroksihappoja. Toistaiseksi hydroksihapot on käytetty muun mustalipeän tavoin sellutehtaan lämmöntuotantoon. Hydroksihappojen merkitys lämmöntuotannon kannalta on kuitenkin pieni verrattuna mustalipeän sisältämään ligniiniin. Viime vuosina kiinnostus hydroksihappoja kohtaan on kasvanut sillä ne voisivat toimia lähtöaineena monille kemikaaleille, joiden valmistukseen käytetään perinteisesti fossiilisia polttoaineita. Hydroksihappoja voidaan erottaa mustalipeästä useilla eri menetelmillä. Erotukseen soveltuvia menetelmiä ovat esimerkiksi ioniekskluusiokromatografia, kalvosuodatus ja kiteytys sekä kokoekskluusiokromatografia. Kromatografisissa menetelmissä käytetyt hartsit ja kalvosuodatuksessa käytettävät kalvot ovat kuitenkin alttiita eri yhdisteiden aiheuttamalle likaantumiselle. Tämän työn kirjallisuusosassa käsitellään mustalipeän koostumusta sekä mustalipeän sisältämiä hydroksihappoja ja niiden käyttökohteita. Lisäksi kirjallisessa osassa on kuvattu aikaisemmin tutkittuja menetelmiä hydroksihappojen erottamiseksi mustalipeästä. Viimeisin menetelmä mustalipeän fraktioimiseksi on kokoekskluusiokromatografia. Työssä on kuvattu kokoeksluusiokromatografian periaate ja selvitetty menetelmän soveltuvuutta mustalipeän fraktiointiin. Lisäksi on käsitelty kromatografisissa menetelmissä käytettyjen hartsien likaantumista, likaantumisen vaikutusta erotustehokkuuteen ja likaantumisen ehkäisyä. Kokeellisessa osassa käsitellään hydroksihappojen erotusta mustalipeästä kokoekskluusiokromatografialla sekä kokoekskluusiokromatografiassa käytettävän hartsin likaantumista ja kestävyyttä. Työssä selvitettiin toistokokein likaantumisen vaikutusta hartsin erotuskykyyn käsitellyn mustalipeän määrän kasvaessa. Malliaineena käytettiin ultrasuodatettua soodakeitettyä mustalipeää. Tulosten perusteella hartsin likaantuminen ei vaikuttanut hydroksihappojen erotukseen mustalipeästä. Kestävyyskokeissa hartsin vesiretentiossa ei havaittu mittausten perusteella johdonmukaista muutosta. HPLC-analyysien perusteella huomattiin liuoksista kuitenkin mahdollisia hartsin hajoamistuotteita, joita ei kuitenkaan pystytty tunnistamaan.

Tieliikenteen biopolttoaineet Suomessa

Kandidaatintyössä selvitetään minkälaisia biopolttoaineita Suomessa on tieliikenteeseen tarjolla sekä minkälaisiin ajoneuvoihin ne soveltuvat.

Biomassahydrolysaattien puhdistus uutolla

Lignoselluloosasta koostuvasta biomassasta valmistetaan hydrolysoimalla sokereita, jotka jatkojalostetaan fermentoimalla bioetanoliksi. Bioetanolia käytetään fossiilisten polttoaineiden korvaajana esimerkiksi ajoneuvoissa. Bioetanolin valmistuksessa pyritään mahdollisimman hyvään saantoon, jotta sen valmistus olisi taloudellisesti kannattavaa. Hydrolyysin aikana syntyy sokerien lisäksi orgaanisia happoja, furaanin johdannaisia sekä fenolisia yhdisteitä. Yleisimpiä syntyviä yhdisteitä ovat muun muassa etikkahappo, furfuraali ja hydroksimetyylifurfuraali. Nämä yhdisteet haittaavat sokerien fermentointiprosessia ja pienentävät etanolin saantoa. Fermentointiprosessia haittaavien yhdisteiden poistoon hydrolysaattiliuoksesta voidaan käyttää esimerkiksi haihdutusta, membraanierotusta, adsorptiota, saostusta, sekä uuttoa. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia leikkaussekoittimen soveltuvuutta biomassahydrolysaatin epäpuhtauksien erotukseen. Lisäksi kirjallisuusosassa on esitetty hydrolysointiprosessissa syntyviä haitta-aineita ja niiden erotusmenetelmiä.