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.

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.

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.

Dry biomass distribution in a cerrado sensu stricto site in Brazil central

The Cerrado has been the main source of firewood and charcoal in Brazil, but despite being one of the hot spots for conservation of the world's biodiversity, neither plantations of native species nor sustainable management has been adopted in the region. The aim of this work was to investigate the biomass distribution and the potential for energy production of the cerrado species. The study was conducted in a cerrado sensu stricto site at the Água Limpa Farm (15º 56'14'' S and 47º 46'08'' W) in the Cerrado Biosphere Reserve. An area of 63.54ha was divided in 20 x 50m plots and, a random sample consisting of ten of these plots, representing 1.56% of the study-site, was assessed. All woody individuals from 5 cm diameter at 30 cm above ground level were identified and measured. Each individual was felled, the twigs thinner than 3cm were discarded while the larger branches and the trunks, both with bark, were weighted separately. After that, 2.5cm transverse sections of the trunk with bark were taken at 0, 25, 50, 75 and 100% of the length. A similar sample was also taken at the base of each branch. A total of 47 species in 35 genera and 24 families were found, with an average density of 673 individuals per ha. The diameter distribution showed a reversed-J shape with 67% of the individuals up to 13cm, while the maximum diameter was 32.30cm. Seven species represented 72% of the total biomass. In general, the species with higher production per tree were among those with higher production per ha. This content was distributed by diameter classes, reaching a maximum of 2.5ton/ha between 9 to 13cm and then, decreasing to 0.96 ton/ha between 29 to 33cm diameter. Carbon sequestering was 6.2ton/ha (until the actual stage of cerrado) based on an average 50% carbon content in the dry matter. The heat combustion of the wood varied from 18,903kj/kg to 20,888kj/kg with an average of 19,942kj/kg. The smaller diameter classes fix more carbon due to the large number of small plants per ha. But, for a species that reached larger dimensions and contained individuals in all diameter classes, Vochysia thyrsoidea, one can verify an increase in carbon fixation from 1.41 kg/ha in the first class (5 to 9cm) to 138,3kg/ha in the last (25 to 33cm). That indicates that it is possible to select species that reach larger size with a higher capacity of carbon accumulation per plant. The species that reached larger dimensions, with a production per tree above average and had high calorific power values were Dalbergia miscolobium, Pterodon pubescens and Sclerolobium paniculatum. These species have potential for use in fuelwood plantations and sustainable management.

Development of a measuring-control system for energy monitoring in low power

In this thesis a control system for an intelligent low voltage energy grid is presented, focusing on the control system created by using a multi-agent approach which makes it versatile and easy to expand according to the future needs. The control system is capable of forecasting the future energy consumption and decisions making on its own without human interaction when countering problems. The control system is a part of the St. Petersburg State Polytechnic University’s smart grid project that aims to create a smart grid for the university’s own use. The concept of the smart grid is interesting also for the consumers as it brings new possibilities to control own energy consumption and to save money. Smart grids makes it possible to monitor the energy consumption in real-time and to change own habits to save money. The intelligent grid also brings possibilities to integrate the renewable energy sources to the global or the local energy production much better than the current systems. Consumers can also sell their extra power to the global grid if they want.

Puun ja turpeen seospolton vaikutus tuhkan hyötykäyttökohteisiin

Työn tavoitteena oli selvittää puun ja turpeen seospolton vaikutukset tuhkien hyötykäyttökohteiden valintaan laitoksella tehtävien koeajojen ja kustannus- sekä SWOT-analyysien avulla. Lisäksi tavoitteena oli selvittää lainsäädännön vaikutukset tuhkien hyötykäyttöön. Kustannusanalyysissä tarkasteltiin tuhkien hyödyntämisen nykytilan lisäksi rakeistuslaitosinvestointia ja selvitettiin eri hyötykäyttövaihtoehtojen etuja ja haittoja. Lainsäädäntö vaikuttaa oleellisesti tuhkien hyötykäyttöön. Hyötykäyttöä säädellään sekä kansallisella että EU-tasolta tulevalla lainsäädännöllä. Ympäristölainsäädännön ja etenkin jätelainsäädännön kokonaisuudistuksen myötä myös hyötykäyttöä koskevat lainsäädäntö uudistui. Energiantuotannon tuhkat tulivat jäteverolain piiriin ja lannoiteasetuksenuudistuksella pyrittiin helpottamaan tuhkien lannoitekäyttöä. Myös jäteluokittelu ja sen päättyminen tuhkien osalta vaikuttaa olennaisesti tuhkien käsittelymenetelmien ja hyödyntämisen kannattavuuteen. Jäteluokituksen päättyminen voi viedä tuhkat kemikaalilainsäädännön piiriin. Kustannus- ja SWOT-analyysissä selvitettiin tuhkien hyödyntämisen kannalta keskeiset kustannustekijät. Rakeistuslaitosinvestoinnissa huomioitiin erilaiset tuhkien käsittelymäärät ja niiden vaikutukset kustannuksiin ja investoinnin kannattavuuteen. SWOT-analyysin avulla selvitettiin hyödyntämisen vahvuudet, heikkoudet, mahdollisuudet ja uhkatekijät. Polttoainesuhteella ei ollut poissulkevaa vaikutusta tuhkien hyötykäyttövalintaan. Lentotuhkat soveltuivat parhaiten lannoitehyötykäyttöön ja pohjatuhkat maarakennushyötykäyttöön. Rakeistuslaitosinvestointi olisi kannattava etenkin suuremmilla tuhkamäärillä.

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.

Commercialization of Modern Renewable Energy

The threat of global warming and its consequences are widely recognized, and the question of how to proceed with the long transition towards fossil fuel -neutral economies concerns many nations and people. At the same time the world’s primary energy use is predicted to increase significantly during the next decades as a result of global population and welfare increase. Improved energy efficiency and increased use of renewable energy sources in the world’s energy mix play important roles in the future energy production and consumption. The objective of this thesis is to study how novel renewable energy technologies, such as distributed small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies could be commercialized efficiently. A wide array of attributes may contribute to the diffusion of new products. In general, the bioenergy and wind power technologies are in emerging phases, and the diffusion stage varies from country to country. The effects of firms’ technology choices, collaboration and alliances are studied in this thesis. Furthermore, the roles of national energy infrastructure and energy support schemes in the commercialization of new renewable energy products are explored. The empirical data is based on energy expert interviews, financial and patent data, and literature reviews of different case studies. The thesis comprises two parts. The first part provides an overview of the study, and the second part includes six research publications. The results reveal that small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies are still in emerging phases in their life cycles, and energy support schemes are crucial in the market diffusion. The study contributes to earlier findings in the literature and industry by confirming that adequate energy policies and energy infrastructure are fundamental in the commercialization of novel renewable energy technologies. Firm-specific issues, including business relationships and new business models, and market-related issues will have a more significant role in the market penetration in the future, when the technologies mature and become competitive without political support schemes.

Greenhouse gas emissions from peat and biomass-derived fuels, electricity and heat — Estimation of various production chains by using LCA methodology

More discussion is required on how and which types of biomass should be used to achieve a significant reduction in the carbon load released into the atmosphere in the short term. The energy sector is one of the largest greenhouse gas (GHG) emitters and thus its role in climate change mitigation is important. Replacing fossil fuels with biomass has been a simple way to reduce carbon emissions because the carbon bonded to biomass is considered as carbon neutral. With this in mind, this thesis has the following objectives: (1) to study the significance of the different GHG emission sources related to energy production from peat and biomass, (2) to explore opportunities to develop more climate friendly biomass energy options and (3) to discuss the importance of biogenic emissions of biomass systems. The discussion on biogenic carbon and other GHG emissions comprises four case studies of which two consider peat utilization, one forest biomass and one cultivated biomasses. Various different biomass types (peat, pine logs and forest residues, palm oil, rapeseed oil and jatropha oil) are used as examples to demonstrate the importance of biogenic carbon to life cycle GHG emissions. The biogenic carbon emissions of biomass are defined as the difference in the carbon stock between the utilization and the non-utilization scenarios of biomass. Forestry-drained peatlands were studied by using the high emission values of the peatland types in question to discuss the emission reduction potential of the peatlands. The results are presented in terms of global warming potential (GWP) values. Based on the results, the climate impact of the peat production can be reduced by selecting high-emission-level peatlands for peat production. The comparison of the two different types of forest biomass in integrated ethanol production in pulp mill shows that the type of forest biomass impacts the biogenic carbon emissions of biofuel production. The assessment of cultivated biomasses demonstrates that several selections made in the production chain significantly affect the GHG emissions of biofuels. The emissions caused by biofuel can exceed the emissions from fossil-based fuels in the short term if biomass is in part consumed in the process itself and does not end up in the final product. Including biogenic carbon and other land use carbon emissions into the carbon footprint calculations of biofuel reveals the importance of the time frame and of the efficiency of biomass carbon content utilization. As regards the climate impact of biomass energy use, the net impact on carbon stocks (in organic matter of soils and biomass), compared to the impact of the replaced energy source, is the key issue. Promoting renewable biomass regardless of biogenic GHG emissions can increase GHG emissions in the short term and also possibly in the long term.

Biopolttoaineiden on-line -laadunmittauksen hyödyt energiantuotannossa

Biopolttoaineet ovat tärkeä energianlähde suomalaisessa energiantuotannossa. Biopoltto- aineille on kuitenkin ominaista laadun vaihtelevuus. Yksi tärkeimmistä laatutekijöistä on kosteus, joka vaikuttaa myös polttoaineen energiasisältöön. Laatutekijät puolestaan vai- kuttavat polttoainekäsittelyyn, polttoprosessiin ja koko laitoksen hyötysuhteeseen. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia voisiko biopolttoaineiden online-laadunmittaus tuoda lisäarvoa energiantuotantolaitokselle. Esimerkkinä käytettiin yhtä online-laadunmittaus- sovellusta, InrayFuel-röntgenmittausjärjestelmää. Sillä voidaan seurata biopolttoaineiden kosteutta ja polttoaineen sisältämiä vierasaineita. Työssä on laadittu kustannusanalyysi, jolla pyritään selvittämään, onko nykyisen kertaluontoisen mittausmenetelmän korvaami- nen jatkuvatoimisella kannattavaa. Esimerkkilaitoksena on Etelä-Savon Energian Pur- sialan voimalaitos, jossa röntgenmittausjärjestelmään on testattu. Saatujen tulosten mukaan investoiminen esimerkkimittausjärjestelmään maksaisi itsensä takaisin alle vuodessa. Kun laitoksella pystytään seuraamaan polttoaineen laatua jatkuva- toimisesti, laadunhallinta paranee ja sitä kautta voidaan saavuttaa kustannussäästöjä. Polt- toaineesta johtuvat häiriötilanteet vähenevät, polttoaine on mahdollista optimoida edulli- semmaksi polton kannalta ja poltto-olosuhteita voidaan säätää paremmin, jolloin päästöt vähenevät ja hyötysuhde kasvaa. Työssä käytetty laskenta analysoi kuitenkin hyvin ylei- sellä tasolla, sillä käytössä ei ollut laitoksen omaa taselaskentajärjestelmää. Laskenta siis sisältää paljon oletuksia. Tämän ja rohkaisevien tulosten vuoksi tutkimusta jatkuvatoimi- sen laadunmittauksen hyödyistä kannattaa tehdä enemmän.

Suunnittelulla ja ruo´on hyötykäytöllä tehokkuutta rantojen hoitoon : Tuloksia ja kokemuksia VELHO-hankkeesta

Varsinais-Suomen ELY-keskuksen toteuttamassa VELHO-hankkeessa kehitettiin kustannustehokkaita ratkaisuja ranta-alueiden umpeenkasvun aiheuttamiin ongelmiin luomalla uusi konsepti ranta-alueiden monikäyttösuunnitteluun, edistämällä järviruo’on hyötykäyttöä ja valmistelemalla esityksiä uuteen maaseudun kehittämisohjelmaan. Tässä julkaisussa esitellään työn tulokset ja johtopäätökset. Hankkeessa laadittiin kolme ranta-alueiden monikäyttösuunnitelmaa: Mynälahden Sarsalanaukko ja Musta-aukko, Oukkulanlahti – Naantalinaukko ja Eurajoen - Luvian rannikko. Suunnitelmissa sovitettiin yhteen ranta-alueiden eri käyttömuotoja ja pyrittiin löytämään optimaalinen verkosto hyötykäyttöön leikattavien ruovikoiden, avoimena pidettävien merenrantaniittyjen ja säilytettävien ruovikoiden välille. Kustannustehokkuuteen pyrittiin kohdentamalla hoitotoimet laajoihin kokonaisuuksiin sekä järviruo’on hyötykäytöllä. Suunnitelmat laadittiin laajassa osallistavassa prosessissa. Hankkeessa laadituissa ranta-alueiden monikäyttösuunnitelmissa esitettiin erilaisia maankäyttötavoitteita ja hoitosuosituksia yli 2000 hehtaarille. Ruovikoiden ja rantaniittyjen lisäksi suunnittelun kohteena olivat myös rantojen läheiset peltoalueet, reunavyöhykkeet ja muut perinnebiotoopit. Hoitotoimilla tavoitellaan alueiden luonnon monimuotoisuuden ja vesien tilan paranemista, maiseman avartumista ja virkistyskäytön helpottumista. Ruovikoiden erilaisia leikkuumenetelmiä (talvileikkuut, vesileikkuut, maaleikkuut) testattiin 90 hehtaarin alalla. Rantaniittyjen kunnostuksessa testattiin maaleikkuun lisäksi ruovikon niittomurskausta. Ruokomassan hyötykäyttökokeissa testattiin kahden eri ruokolaadun eli tuoreen kesäruo’on ja kuivan talviruo’on esikäsittelyä ja hyötykäyttöä energiantuotannossa (poltto, biokaasutus) ja maataloudessa (maanparannusaine, viherlannoite, kuivike, katemateriaali). Maaseudun kehittämisohjelmaan tehtiin esityksiä tukimuotojen kehittämiseksi: rantaniittyjen kunnostuksen lisääminen ja hoidon laadun parantaminen, ruovikoiden vesileikkuut ravinteiden poistajina sekä ruokomassojen käyttö maan orgaanisen aineen lisääjänä. Hankkeen kokemusten mukaan yksi kustannustehokkaimmista hoito- ja käyttöketjuista on ruovikon leikkuu loppukesällä ja siitä kertyvän massan käyttö ranta-alueiden läheisillä pelloilla viherlannoitteena ja maanparannusaineena. Yhden hehtaarin ruovikon kesäleikkuulla poistetaan keskimäärin 80 kg typpeä ja 7 kg fosforia. Vesiensuojelullisten hyötyjen lisäksi leikkuulla parannetaan umpeenkasvusta kärsivien lajien elinoloja, lisätään rantojen vetovoimaisuutta ja edistetään luonnonhoitoyrittäjyyden edellytyksiä. Peltokäytössä käsittelyketju on lyhyt eikä se vaadi pitkiä kuljetusmatkoja. Ruokomassa kierrättää ravinteita takaisin pelloille ja parantaa maan rakennetta. Järviruo’on hyötykäytöllä ei pystytä kattamaan koko leikkuu- ja käyttöketjun kustannuksia. Leikkuusta ja hyötykäytöstä saatavien monien eri aineellisten ja aineettomien ekosysteemipalveluhyötyjen vuoksi toimintaan on tarpeen suunnata yhteiskunnan tukea ja luoda käytännön toteutusta edistäviä tukimuotoja. Kustannustehokkuutta voidaan edelleen parantaa laitteita ja menetelmiä kehittämällä.

Puuhakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksien parantaminen

Nykyaikana yhteiskunta tavoittelee uusiutuvaa ja ympäristöä säästävää energiantuotantoa. Biopolttoaineiden käyttö vähentää fossiilisten polttoaineiden osuutta energiantuotannossa. Jotta biopolttoaineilla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita, biopolttoaineita täytyy jalostaa. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää puuhakkeen jalostuksen merkitystä hakkeen käytölle ja kannattavuudelle. Hakkeen kuivaamisella ja seulonnalla voidaan parantaa hakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksia. Kosteuden ja tasalaatuisuuden merkitys suurenee, kun haketta käytetään pienissä kattiloissa. Pienissä kattiloissa lämmöntuotannon hyötysuhde pienenee merkittävästi kosteuden suurentuessa. Tällöin polttoaineen kulutus ja energiantuotantokustannukset suurenevat. Suuremmissa kattiloissa hyvälaatuisella hakkeella on mahdollista korvata kalliimpia vara- ja huippukuormapolttoaineita, kuten öljyä. Tällöin fossiilisten polttoaineiden osuus pienenee. Lisäksi kuivaaminen ja seulominen ovat edullisia jalostusprosesseja esimerkiksi pelletin tuotantoon verrattuna.

Kaatopaikkakaasujen käsittelyn kehittäminen Korvenmäen kaatopaikalla

Työssä tutkittiin Salossa sijaitsevan Korvenmäen kaatopaikan kaasunkeräysjärjestelmää. Tavoitteena oli selvittää kaatopaikkakaasun talteenoton merkittävimmät haasteet, löytää ratkaisuja ongelmiin ja hajuhaittojen vähentämiseen sekä arvioida keräysjärjestelmän parannusten ja kaatopaikalle tulevan pintarakenteen vaikutus talteenottoon ja hajuhaittoihin. Korvenmäen kaatopaikalla on käytössä vaakakeräysjärjestelmä, jonka merkittävimpiä ongelmia ovat olleet kaatopaikkakaasun matala talteenottoaste, happipitoisuuden nousu, järjestelmän hankala säädettävyys sekä kaatopaikalla ja ympäristössä havaitut hajuhaitat. Muodostuvan ja karkaavan kaatopaikkakaasun määrää arvioitiin Jouko Petäjän metaanilaskentamallin avulla. Tulosten perusteella kaasua muodostuu runsaasti, mutta suurin osa siitä pääsee karkaamaan ympäristöön, sillä arvioitu kaatopaikkakaasun talteenottoaste on tällä hetkellä vain 11 %. Kaasujen käsittelykäytäntöjä suomalaisilla kaatopaikoilla selvitettiin kyselytutkimuksella. Tutkimuksen mukaan kaasunkeräyksen ongelmat ja hajuhaitat ovat yleisiä, mutta erilaisilla toimenpiteillä niitä voidaan huomattavasti vähentää. Korvenmäelle suositeltavia kehitystoimia ovat kaasulinjoihin yhdistettyjen suotoveden keräys- ja tarkkailukaivojen tiivistäminen, vanhojen vaakalinjojen kunnon tarkistus ja korjaus sekä pystykaivojen asentaminen kaasunkeräyksen tehostamiseksi. Pintarakenne tulee valmistuttuaan vähentämään karkaavan kaasun ja kaasulinjoihin imeytyvän ilman määrää. Hajuhaittojen hallinnassa tärkeintä on toimiva kaasunkeräys, mutta lisäksi suositellaan rikkivetyä hapettavien päivittäispeittomateriaalien levittämistä kaatopaikan pinnalle. Kehitystoimenpiteiden myötä kaatopaikkakaasun talteenottoaste tulee paranemaan ja hajuhaitat vähenevät. Kerättävän kaasumäärän kasvaessa mikroturbiinilaitoksen kapasiteettia voidaan lisätä, jotta kaasu saadaan mahdollisimman tehokkaasti hyödynnettyä energiana.

Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö

Hiilidioksidilla on merkittävä vaikutus ilmastoon ja suurin osa ihmisten käyttämästä energiasta perustuu hiilipohjaisiin polttoaineisiin. Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö tarjoaa erinomaisen mahdollisuuden ilmastonmuutoksen vai-kutusten vähentämiseen vaikuttamatta kuitenkaan merkittävästi käytettyihin energialäh-teisiin. CO2:n talteenottotekniikat voidaan jakaa neljään periaatteeltaan erilaiseen tyyppiin: pol-ton jälkeiseen talteenottoon, ennen polttoa tapahtuvaan talteenottoon, happipolttoon ja kemialliseen kiertoon perustuvaan palamiseen. Polton jälkeinen ja ennen polttoa tapah-tuva talteenotto edustavat eniten tutkittua ja käytettyä tekniikkaa. Hyötykäyttökohteita CO2:lla on useita, joista nykyiset merkittävimmät ovat öljyn tuo-tannon tehostus ja elintarviketeollisuus. Tulevaisuudessa merkittäviä käyttökohteita tulee todennäköisesti olemaan uusiutuvan energian varastointi synteettiseen metaa-niin/metanoliin, kemian-, paperi- ja selluteollisuuden prosessit ja vedenkäsittely.

Large-eddy simulation of wind flows over complex terrains for wind energy applications

Wind energy has obtained outstanding expectations due to risks of global warming and nuclear energy production plant accidents. Nowadays, wind farms are often constructed in areas of complex terrain. A potential wind farm location must have the site thoroughly surveyed and the wind climatology analyzed before installing any hardware. Therefore, modeling of Atmospheric Boundary Layer (ABL) flows over complex terrains containing, e.g. hills, forest, and lakes is of great interest in wind energy applications, as it can help in locating and optimizing the wind farms. Numerical modeling of wind flows using Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a popular technique during the last few decades. Due to the inherent flow variability and large-scale unsteadiness typical in ABL flows in general and especially over complex terrains, the flow can be difficult to be predicted accurately enough by using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). Large- Eddy Simulation (LES) resolves the largest and thus most important turbulent eddies and models only the small-scale motions which are more universal than the large eddies and thus easier to model. Therefore, LES is expected to be more suitable for this kind of simulations although it is computationally more expensive than the RANS approach. With the fast development of computers and open-source CFD software during the recent years, the application of LES toward atmospheric flow is becoming increasingly common nowadays. The aim of the work is to simulate atmospheric flows over realistic and complex terrains by means of LES. Evaluation of potential in-land wind park locations will be the main application for these simulations. Development of the LES methodology to simulate the atmospheric flows over realistic terrains is reported in the thesis. The work also aims at validating the LES methodology at a real scale. In the thesis, LES are carried out for flow problems ranging from basic channel flows to real atmospheric flows over one of the most recent real-life complex terrain problems, the Bolund hill. All the simulations reported in the thesis are carried out using a new OpenFOAM® -based LES solver. The solver uses the 4th order time-accurate Runge-Kutta scheme and a fractional step method. Moreover, development of the LES methodology includes special attention to two boundary conditions: the upstream (inflow) and wall boundary conditions. The upstream boundary condition is generated by using the so-called recycling technique, in which the instantaneous flow properties are sampled on aplane downstream of the inlet and mapped back to the inlet at each time step. This technique develops the upstream boundary-layer flow together with the inflow turbulence without using any precursor simulation and thus within a single computational domain. The roughness of the terrain surface is modeled by implementing a new wall function into OpenFOAM® during the thesis work. Both, the recycling method and the newly implemented wall function, are validated for the channel flows at relatively high Reynolds number before applying them to the atmospheric flow applications. After validating the LES model over simple flows, the simulations are carried out for atmospheric boundary-layer flows over two types of hills: first, two-dimensional wind-tunnel hill profiles and second, the Bolund hill located in Roskilde Fjord, Denmark. For the twodimensional wind-tunnel hills, the study focuses on the overall flow behavior as a function of the hill slope. Moreover, the simulations are repeated using another wall function suitable for smooth surfaces, which already existed in OpenFOAM® , in order to study the sensitivity of the flow to the surface roughness in ABL flows. The simulated results obtained using the two wall functions are compared against the wind-tunnel measurements. It is shown that LES using the implemented wall function produces overall satisfactory results on the turbulent flow over the two-dimensional hills. The prediction of the flow separation and reattachment-length for the steeper hill is closer to the measurements than the other numerical studies reported in the past for the same hill geometry. The field measurement campaign performed over the Bolund hill provides the most recent field-experiment dataset for the mean flow and the turbulence properties. A number of research groups have simulated the wind flows over the Bolund hill. Due to the challenging features of the hill such as the almost vertical hill slope, it is considered as an ideal experimental test case for validating micro-scale CFD models for wind energy applications. In this work, the simulated results obtained for two wind directions are compared against the field measurements. It is shown that the present LES can reproduce the complex turbulent wind flow structures over a complicated terrain such as the Bolund hill. Especially, the present LES results show the best prediction of the turbulent kinetic energy with an average error of 24.1%, which is a 43% smaller than any other model results reported in the past for the Bolund case. Finally, the validated LES methodology is demonstrated to simulate the wind flow over the existing Muukko wind farm located in South-Eastern Finland. The simulation is carried out only for one wind direction and the results on the instantaneous and time-averaged wind speeds are briefly reported. The demonstration case is followed by discussions on the practical aspects of LES for the wind resource assessment over a realistic inland wind farm.