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.

Diskreettiaikainen liukuvan moodin säätö kiinteäoksidipolttokennon DC-tasonnostossa

Huoli ympäristön tilasta ja fossiilisten polttoaineiden hinnan nousu ovat vauhdittaneet tutkimusta uusien energialähteiden löytämiseksi. Polttokennot ovat yksi lupaavimmista tekniikoista etenkin hajautetun energiantuotannon, varavoimalaitosten sekä liikennevälineiden alueella. Polttokenno on tehonlähteenä kuitenkin hyvin epäideaalinen, ja se asettaa tehoelektroniikalle lukuisia erityisvaatimuksia. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon on tavallisesti toteutettu käyttämällä galvaanisesti erottavaa DC/DC hakkuria sekä vaihtosuuntaajaa sarjassa. Polttokennon kulumisen estämiseksi tehoelektroniikalta vaaditaan tarkkaa polttokennon lähtövirran hallintaa. Perinteisesti virran hallinta on toteutettu säätämällä hakkurin tulovirtaa PI (Proportional and Integral) tai PID (Proportional, Integral and Derivative) -säätimellä. Hakkurin epälineaarisuudesta johtuen tällainen ratkaisu ei välttämättä toimi kaukana linearisointipisteestä. Lisäksi perinteiset säätimet ovat herkkiä mallinnusvirheille. Tässä diplomityössä on esitetty polttokennon jännitettä nostavan hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli, sekä malliin perustuva diskreettiaikainen integroiva liukuvan moodin säätö. Esitetty säätö on luonteeltaan epälineaarinen ja se soveltuu epälineaaristen ja heikosti tunnettujen järjestelmien säätämiseen.

Aurinkopaneeleihin liitettävien vaihtosuuntaajien testaussuunnitelman laadinta ja toteutus

Aurinkoenergia on yksi monista uusiutuvan energian muodoista, joiden suosio on viimeisten vuosien aikana kasvanut fossiilisten polttoaineiden kallistumisen sekä ilmaston lämpenemisen vuoksi. Auringon säteilyn energiaa voidaan muuttaa sähköenergiaksi mm. aurinkopaneeleiden avulla. Aurinkopaneeleihin liitetään usein vaihtosuuntaaja, jolla tuotettu teho voidaan muokata sähköverkkoon tai kotitalouden sähköjärjestelmään sopivaksi. Tässä työssä on esitelty aurinkopaneelilla tuotettavan sähköenergian perusperiaatteet sekä tehoa tuottavan järjestelmän reunaehdot. Tutkimuksessa on perehdytty keskeisiin, aurinkopaneeleihin liitettäville vaihtosuuntaajille laadittuihin standardeihin, hyötysuhteen mittaamisen sekä sähkön laadun näkökulmista. Selvityksen avulla järjestelmän hyötysuhteen sekä lähtötehon laadun määrittämiseksi voidaan laatia standardien mukainen mittaussuunnitelma vaihtosuuntaajan nimellistehosta riippumatta. Standardien avulla on laadittu mittaussuunnitelma Global Inversonne, 100 kW - verkkovaihtosuuntaajayksikölle. Suunnitelman mukaisissa mittauksissa on tutkittu yksikön muunnoshyötysuhdetta sekä lähtöjännitteen- ja virran laatua. Lisäksi työssä on analysoitu mittaustulosten mittausepävarmuuksia ja niitä aiheuttavia tekijöitä.

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto haasteellisilla polttoaineilla

Maailman energian kulutuksen lisääntymisen ja ilmastonmuutoksen myötä energiantuotannossa joudutaan jatkuvasti sopeutumaan muuttuviin tilanteisiin ja haasteisiin. Polttoteknillisiä haasteita aiheuttavat pelto- ja kierrätyspolttoaineet ovat lisäämässä osuuttaan uusiutuvien polttoaineiden joukossa. Jotta kyseisiä haasteellisia polttoaineita pystytään hyödyntämään, täytyy niiden aiheuttamat ongelmat tuntea ja laitevalmistajien kehittää niiden hyödyntämiseen sopivaa tekniikkaa. Tässä diplomityössä käydään läpi tulevaisuudessa käytettävät polttoaineet, nykyiset päästörajat, kiinteiden polttoaineiden poltto- ja kaasutustekniikat sekä likaantumis-, kuonaantumis- ja korroosiomekanismit voimalaitoskattiloissa. Työssä tutkitaan, onko haasteellisten polttoaineiden käyttöön investoiminen järkevää ja mikä nykypäivän tekniikoista on kannattavin. Myös välitulistuksen, lauhdeperän ja apujäähdyttimen kannattavuuksia vertaillaan sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Tuloksiksi saatiin, että edullisten peltobiomassojen ja kierrätyspolttoaineiden käyttäminen, joko perinteisten polttoaineiden seassa tai pääpolttoaineena, on nykyhinnoilla perinteisiin polttoaineisiin verrattuna kannattavaa. Investoiminen kierrätyspolttoaineiden valmistuslaitteisiin maksimoi kierrätyspolttoaineista saatavaa hyötyä. Välitulistuksen todettiin soveltuvan huonosti vastapaineprosessiin, sillä siitä saatava sähköntuotannon lisäys on hyvin pieni. Lauhdeperän ja apujäähdyttimen vertailuissa huomattiin, että lauhdeperä on kannattava investointi, jos sähkön ja lämmön hintaero pysyy tarpeeksi suurena. Haasteellisilla polttoaineilla pystytään pienentämään kasvihuonepäästöjä ja korvaamaan fossiilisten polttoaineiden käyttöä.

Lämpöyrittäjäkonsepti biotuotteelle

Fossiilisista polttoaineista aiheutuvia hiilidioksidipäästöjä yritetään vähentää muun muassa lisäämällä uusiutuvien polttoaineiden käyttöä. Kiinteän biomassan ominaisuudet eroavat fossiilisesta kivihiilestä kuitenkin niin paljon, ettei biomassalla voida suoraan korvata kivihiiltä. Biomassan lämpökäsittely muuttaa sen ominaisuuksia kivihiilen kaltaiseksi, jolloin sillä on mahdollista korvata kivihiiltä. Tässä diplomityössä on tutkittu biomassan lämpökäsittelyä eli torrefiointia. Työn lähtökohtana on luoda pohjaa liikeidealle, jossa torrefioitua biomassaa tuotetaan pienissä lämpölaitoksissa lämmöntuotannon ohella. Työ sisältää laboratoriokokeita, joissa tarkastellaan käytännön kokeilla biomassan torrefioinnissa tapahtuvia ominaisuuksien muutoksia. Biomassan torrefiointiin suunnitellaan lisäksi pientä koelaitetta, jonka kokoa on mahdollista suurentaa jatkossa lämpölaitoskokoluokkaan asti. Torrefioidun biomassan tuotantokustannuksia on tarkasteltu laiteinvestointien, raaka-aine- sekä käyttökustannuksien kautta. Laboratoriokokeiden perusteella on saatu tuloksia optimaalisista toiminta-arvoista lämpökäsittelymenetelmille. Lämpöyrittäjälle on luotu perustoiminta-ajatus torrefioidun biomassan tuotannolle, jossa on tarkasteltu myös tuotannon kannattavuutta. Tämä työ antaa pohjaa aiheen jatkotutkimukselle ja -kehitykselle.

Sähkö- ja hybridiautojen voimansiirtojärjestelmien jännitetasot

Kasvihuonekaasu- ja hiilidioksidipäästöt ovat kasvaneet viimeisten vuosikymmenten aikana merkittävästi. Merkittävimpiä päästöjen lähteitä ovat liikenteessä ja energiantuotannossa käytetyt fossiiliset polttoaineet. Kaikista maailman kasvihuonepäästöistä liikenne aiheuttaa noin 13 %, josta yli 80 % on tieliikenteen aiheuttamia päästöjä. Jotta tieliikenteen ai-heuttamia päästöjä saataisiin vähennettyä on tieliikenteeseen kehitettävä yhä vähäpäästöisempiä ja päästöttömiä kulkuvälineitä. Tämä on ollut yksi päätekijä sähkö- ja hybridiautojen kehitykseen. Tässä kandidaatintyössä selvitetään sähkö- ja hybridiautoissa käytettyjä jännitetasoja sekä voimansiirtojärjestelmissä käytettyjä komponentteja. Työ rajoittuu ainoastaan henkilöautoihin, joista tarkastelun kohteena ovat sähkö-, hybridi- ja muunnossähköautot. Työssä tarkastellaan myös sähkö- ja hybridiautojen tulevaisuuden näkymiä turvallisuuden ja standardoinnin kannalta. Työssä esitettyjen tietojen perusteella saadaan selkeä näkemys siitä, miten käytetyt jännitetasot ja komponentit vaihtelevat eri autovalmistajien kesken. Korkeammat jännitetasot ovat energiatehokkuuden kannalta parempia, mutta aiheuttavat vaatimuksia käyttöturvallisuuteen liittyvissä kysymyksissä.

Nopeaan pyrolyysiin perustuvan bioöljyn tuotantolaitoksen liiketoiminnallinen malli ja kannattavuuslaskenta Savonlinnan seudulla

Pyrolyysiöljy on biomassasta nopealla hapettomalla lämpökäsittelyprosessilla valmistettavaa nestemäistä polttoainetta. Kasvavien uusiutuvan energian käyttötavoitteiden myötä pyrolyysiöljystä on tullut varteenotettava vaihtoehto fossiilisille polttoöljyille. Suurimmat käytön haasteet ovat alhainen lämpöarvo, happamuus ja korkeahkot kiintoainepitoisuudet verrattuna fossiilisiin polttoöljyihin. Nämä haasteet ovat kuitenkin ratkaistavissa. Työssä tarkasteltiin bioöljyn tuotantolaitoksen liiketoiminnallista mallia ja kannattavuutta Savonlinnan seudulle sijoitettuna. Tätä varten selvitettiin alueellinen raaka-aineen saatavuus ja hinta, sekä potentiaaliset markkinat pyrolyysiöljylle. Kannattavuuslaskentaa varten luotiin exel – pohjainen laskentatyökalu, jolla laskettiin pyrolyysiöljyn tuotannon omakustannushinnat ja kannattavuudet eri laitosvaihtoehdoille. Saaduille tuloksille tehtiin herkkyysanalyysi, jolla selvitettiin merkittävimmät kannattavuuteen vaikuttavat tekijät. Laskettujen tulosten perusteella pienemmät 100 BDMTPD (Bone Dry Metric Ton per Day) tuotantolaitokset eivät ole kannattavia investointeja. Suuremmat 400 BDMTPD tuotantolaitokset ovat kannattavia, kunhan raaka-aine saadaan kohtuulliseen hintaan ja investointikustannukset pysyvät kurissa.

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.

Perspectives for the production and usage of wood chips as a source of energy in the North-West of Russia

The development of bioenergy on the basis of wood fuels has received considerable attention in the last decades. The combination of large forest resources and reliance on fossil fuels makes the issue of wood chips usage in Russia an actual topic for the analysis. The main objective of this study is to disclose the current state and perspectives for the production of wood chips and their usage as a source of energy in the North-West of Russia. The study utilizes an integrated approach to explore the market of wood chips on the basis of comprehensive analysis of documentation and expert opinions. The analysis of wood chips market was performed for eight regions of the North-West district of Russia within two major dimensions: its current state and perspectives in the nearest five years. The results of the study show a comprehensive picture of the wood chips market, including the potential for wood chips production, the specific features of production and consumption and the perspectives for the market development within the regions of the North-West district of Russia. The study demonstrated that the market of wood chips is underdeveloped in the North-West of Russia. The findings of the work may be used by forest companies for the strategic planning.

BIOMASS SUPPLY CHAIN ANALYSIS WITH DENSIFIED WASTE

ABSTRACT The possibility to vary the energy matrix, thus reducing the dependency on fossil fuels, has amplified the acceptance of biomass as an alternative fuel. Despite being a cheap and renewable option and the fact that Brazil is a major producer of waste from agriculture and forestry activities, the use of these materials has barriers due to its low density and low energetic efficiency, which can raise the costs of its utilization. Biomass densification has drawn attention due to its advantage in comparison to in natura biomass due to its better physical and combustion characteristics. The objective of this paper is to evaluate the impact of biomass densification in distribution and transport costs. To reach this objective, a mathematical model was used to represent decisions at a supply chain that coordinates the purchase and sale of forestry and wood waste. The model can evaluate the options to deliver biomass through the supply chain combining demand meeting and low cost. Results point to the possibility of an economy of 60% in transport cost and a reduction of 63% in the required quantity of trucks when densified waste is used. However, costs related to the densifying process lead to an increase of total supply costs of at least 37,8% in comparison to in natura waste. Summing up, the viability of biomass briquettes industry requires a cheaper densification process.

COMPARISON OF PROCEDURES FOR IMMEDIATE CHEMICAL ANALYSIS OF CHARCOAL

ABSTRACT The climate change, the quest for sustainability and the strong environmental pressures for alternatives to traditional fossil fuels have increased the interest in the search and use of renewable energy sources. Among them stands out the biomass of charcoal coming from renewable forests, widely used as a thermal reductant in the steel industry in the detriment of the use of mineral coal coke. This study aimed to compare different operating procedures of immediate chemical analysis of charcoal. Seven essays to immediate chemical analysis were compared, spread between procedures performed by Brazilian companies and laboratories, the test described by NBR 8112 and one realized with a thermogravimetric analyzer (TGA) using the parameters of the NBR 8112. There were significant differences in the volatiles matter content and consequently in the fixed carbon contents found. The differences between the procedures and the NBR 8112 were caused by an excess burning time, a mass sample above or below the standard or inappropriate container used for burning. It observed that the TGA appraisal of the volatiles content must be carried out with a burning time equal to 2 minutes to obtain results similar to those of the NBR 8112 norm. Moreover, the ash content values were statistically identical and the particles size did not influence the differences between means.

Optimal trading of wind power in the short term market

The energy reform, which is happening all over the world, is caused by the common concern of the future of the humankind in our shared planet. In order to keep the effects of the global warming inside of a certain limit, the use of fossil fuels must be reduced. The marginal costs of the renewable sources, RES are quite high, since they are new technology. In order to induce the implementation of RES to the power grid and lower the marginal costs, subsidies were developed in order to make the use of RES more profitable. From the RES perspective the current market is developed to favor conventional generation, which mainly uses fossil fuels. Intermittent generation, like wind power, is penalized in the electricity market since it is intermittent and thus diffi-cult to control. Therefore, the need of regulation and thus the regulation costs to the producer differ, depending on what kind of generation market participant owns. In this thesis it is studied if there is a way for market participant, who has wind power to use the special characteristics of electricity market Nord Pool and thus reach the gap between conventional generation and the intermittent generation only by placing bids to the market. Thus, an optimal bid is introduced, which purpose is to minimize the regulation costs and thus lower the marginal costs of wind power. In order to make real life simulations in Nord Pool, a wind power forecast model was created. The simulations were done in years 2009 and 2010 by using a real wind power data provided by Hyötytuuli, market data from Nord Pool and wind forecast data provided by Finnish Meteorological Institute. The optimal bid needs probability intervals and therefore the methodology to create probability distributions is introduced in this thesis. In the end of the thesis it is shown that the optimal bidding improves the position of wind power producer in the electricity market.

Perfomance evaluation of a direct injection engine using different blends of soybean (Glycine max) methyl biodiesel

Diesel fuel is used widely in Brazil and worldwide. On the other hand, the growing environmental awareness leads to a greater demand for renewable energy resources. Thus, this study aimed to evaluate the use of different blends of soybean (Glycine max) methyl biodiesel and diesel in an ignition compression engine with direct injection fuel. The tests were performed on an electric eddy current dynamometer, using the blends B10, B50 and B100, with 10; 50 e 100% of biodiesel, respectively, in comparison to the commercial diesel B5, with 5% of biodiesel added to the fossil diesel. The engine performance was analyzed trough the tractor power take off (PTO) for each fuel, and the best results obtained for the power and the specific fuel consumption, respectively, were: B5 (44.62 kW; 234.87 g kW-1 h-1); B10 (44.73 kW; 233.78 g kW-1 h-1); B50 (44.11 kW; 250.40 g kW-1 h-1) e B100 (43.40 kW; 263.63 g kW-1 h-1). The best performance occurred with the use of B5 and B10 fuel, without significant differences between these blends. The B100 fuel showed significant differences compared to the other fuels.

Rheological behavior of Chlorella sp. e Scenedesmus sp. cultures in different biomass concentrations

Studies involving the use of microalgae are increasingly intensifying for the potential they present to produce biofuels, because they are a renewable energy source that does not compete directly with food production, and because they enable the obtaining of a fuel with less environmental impact when compared to fossil fuel. In this context, the use of microalgae is directly associated to its capacity to be produced on a large scale and to be extracted from the culture medium. Rheological studies are important for obtaining the information needed in the elaboration of projects and equipment that will be used in various operations existing in systems of production and extraction of algal biomass. In the evaluation of different levels of dry biomass concentration, studies have been conducted of the rheological behavior of cultures of Chlorella sp. BR001 and Scenedesmus sp. BR003. The Power Law model adjusted well to the data of shear stress as a function of strain rate. In all concentrations the cultures showed non-Newtonian behavior. It was observed to Scenedesmus sp. BR003 little effect of biomass concentration on the apparent viscosity and shear stress.

Performance impact of the application of castor oil biodiesel in diesel engines

The use of renewable fuels, such as the biodiesel, can ease the demand of fossil fuel for the power generation and transportation fields in rural area. In this work, the performance impact of the application of castor oil biodiesel is evaluated with an automotive and a stationary diesel engine. The application of B20 and B10 biodiesel blends and pre-heated net biodiesel is considered. The viability of the employment of B10 and B20 blends to mobility and power generation was observed from dynamometric bench tests, where this blends performed similar to fossil diesel. With the pre-heated net biodiesel, however, a brake torque loss and a specific consumption increase were observed with relation to diesel fuel.