Sustainable Waste-to-Energy Production: Performance Evaluation of Distributed Generation fuelled by Landfill Gas

The environmental impact of landfill is a growing concern in waste management practices. Thus, assessing the effectiveness of the solutions implemented to alter the issue is of importance. The objectives of the study were to provide an insight of landfill advantages, and to consolidate landfill gas importance among others alternative fuels. Finally, a case study examining the performances of energy production from a land disposal at Ylivieska was carried out to ascertain the viability of waste to energy project. Both qualitative and quantitative methods were applied. The study was conducted in two parts; the first was the review of literatures focused on landfill gas developments. Specific considerations were the conception of mechanism governing the variability of gas production and the investigation of mathematical models often used in landfill gas modeling. Furthermore, the analysis of two main distributed generation technologies used to generate energy from landfill was carried out. The review of literature revealed a high influence of waste segregation and high level of moisture content for waste stabilization process. It was found that the enhancement in accuracy for forecasting gas rate generation can be done with both mathematical modeling and field test measurements. The result of the case study mainly indicated the close dependence of the power output with the landfill gas quality and the fuel inlet pressure.

Analysis of halogenated compounds in landfill gas

The authors thank the research project CTQ2008-05520 from the Spanish Ministry of Education and Science and PROMETEO/2009/043/FEDER from the Valencian Community Government (Spain) for the support provided.

Treatment and utilization of landfill gas : Mountain View project feasibility study ... /

Mode of access: Internet.

Recovery of landfill gas at Mountain View : engineering site study : a current report on solid waste management /

Mode of access: Internet.

Evaluation of remote sensing for the detection of landfill gas and leachate in an urban environment

The technique of remote sensing provides a unique view of the earth's surface and considerable areas can be surveyed in a short amount of time. The aim of this project was to evaluate whether remote sensing, particularly using the Airborne Thematic Mapper (ATM) with its wide spectral range, was capable of monitoring landfill sites within an urban environment with the aid of image processing and Geographical Information Systems (GIS) methods. The regions under study were in the West Midlands conurbation and consisted of a large area in what is locally known as the Black Country containing heavy industry intermingled with residential areas, and a large single active landfill in north Birmingham. When waste is collected in large volumes it decays and gives off pollutants. These pollutants, landfill gas and leachate (a liquid effluent), are known to be injurious to vegetation and can cause stress and death. Vegetation under stress can exhibit a physiological change, detectable by the remote sensing systems used. The chemical and biological reactions that create the pollutants are exothermic and the gas and leachate, if they leave the waste, can be warmer than their surroundings. Thermal imagery from the ATM (daylight and dawn) and thermal video were obtained and used to find thermal anomalies on the area under study. The results showed that vegetation stress is not a reliable indicator of landfill gas migration, as sites within an urban environment have a cover too complex for the effects to be identified. Gas emissions from two sites were successfully detected by all the thermal imagery with the thermal ATM being the best. Although the results were somewhat disappointing, recent technical advancements in the remote sensing systems used in this project would allow geo-registration of ATM imagery taken on different occasions and the elimination of the effects of solar insolation.

The investigation of vegetation change using remote sensing to detect and monitor migration of landfill gas

Decomposition of domestic wastes in an anaerobic environment results in the production of landfill gas. Public concern about landfill disposal and particularly the production of landfill gas has been heightened over the past decade. This has been due in large to the increased quantities of gas being generated as a result of modern disposal techniques, and also to their increasing effect on modern urban developments. In order to avert diasters, effective means of preventing gas migration are required. This, in turn requires accurate detection and monitoring of gas in the subsurface. Point sampling techniques have many drawbacks, and accurate measurement of gas is difficult. Some of the disadvantages of these techniques could be overcome by assessing the impact of gas on biological systems. This research explores the effects of landfill gas on plants, and hence on the spectral response of vegetation canopies. Examination of the landfill gas/vegetation relationship is covered, both by review of the literature and statistical analysis of field data. The work showed that, although vegetation health was related to landfill gas, it was not possible to define a simple correlation. In the landfill environment, contribution from other variables, such as soil characteristics, frequently confused the relationship. Two sites are investigated in detail, the sites contrasting in terms of the data available, site conditions, and the degree of damage to vegetation. Gas migration at the Panshanger site was dominantly upwards, affecting crops being grown on the landfill cap. The injury was expressed as an overall decline in plant health. Discriminant analysis was used to account for the variations in plant health, and hence the differences in spectral response of the crop canopy, using a combination of soil and gas variables. Damage to both woodland and crops at the Ware site was severe, and could be easily related to the presence of gas. Air photographs, aerial video, and airborne thematic mapper data were used to identify damage to vegetation, and relate this to soil type. The utility of different sensors for this type of application is assessed, and possible improvements that could lead to more widespread use are identified. The situations in which remote sensing data could be combined with ground survey are identified. In addition, a possible methodology for integrating the two approaches is suggested.

Potential for Greenhouse Gas Emission Reductions by Using Biomethane as a Road Transportation Fuel

The aim of this thesis is to study whether the use of biomethane as a transportation fuel is reasonable from climate change perspective. In order to identify potentials and challenges for the reduction of greenhouse gas (GHG) emissions, this dissertation focuses on GHG emission comparisons, on feasibility studies and on the effects of various calculation methodologies. The GHG emissions calculations are carried out by using life cycle assessment (LCA) methodologies. The aim of these LCA studies is to figure out the key parameters affecting the GHG emission saving potential of biomethane production and use and to give recommendations related to methodological choices. The feasibility studies are also carried out from the life cycle perspective by dividing the biomethane production chain for various operators along the life cycle of biomethane in order to recognize economic bottlenecks. Biomethane use in the transportation sector leads to GHG emission reductions compared to fossil transportation fuels in most cases. In addition, electricity and heat production from landfill gas, biogas or biomethane leads to GHG reductions as well. Electricity production for electric vehicles is also a potential route to direct biogas or biomethane energy to transportation sector. However, various factors along the life cycle of biomethane affect the GHG reduction potentials. Furthermore, the methodological selections have significant effects on the results. From economic perspective, there are factors related to different operators along the life cycle of biomethane, which are not encouraging biomethane use in the transportation sector. To minimize the greenhouse gas emissions from the life cycle of biomethane, waste feedstock should be preferred. In addition, energy consumption, methane leakages, digestate utilization and the current use of feedstock or biogas are also key factors. To increase the use of biomethane in the transportation sector, political steering is needed to improve the feasibility for the operators. From methodological perspective, it is important to recognize the aim of the life cycle assessment study. The life cycle assessment studies can be divided into two categories: 1.) To produce average GHG information of biomethane to evaluate the acceptability of biomethane use compared to fossil transportation fuels. 2.) To produce GHG information of biomethane related to actual decision-making situations. This helps to figure out the actual GHG emission changes in cases when feedstock, biogas or biomethane are already in other use. For example directing biogas from electricity production to transportation use does not necessarily lead to additional GHG emission reductions. The use of biomethane seems to have a lot of potential for the reduction of greenhouse gas emissions as a transportation fuel. However, there are various aspects related to production processes, to the current use of feedstock or biogas and to the feasibility that have to be taken into account.

Greenhouse gas emissions from waste management—assessment of quantification methods

Of the many sources of urban greenhouse gas (GHG) emissions, solid waste is the only one for which management decisions are undertaken primarily by municipal governments themselves and is hence often the largest component of cities’ corporate inventories. It is essential that decision-makers select an appropriate quantification methodology and have an appreciation of methodological strengths and shortcomings. This work compares four different waste emissions quantification methods, including Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 1996 guidelines, IPCC 2006 guidelines, U.S. Environmental Protection Agency (EPA) Waste Reduction Model (WARM), and the Federation of Canadian Municipalities- Partners for Climate Protection (FCM-PCP) quantification tool. Waste disposal data for the greater Toronto area (GTA) in 2005 are used for all methodologies; treatment options (including landfill, incineration, compost, and anaerobic digestion) are examined where available in methodologies. Landfill was shown to be the greatest source of GHG emissions, contributing more than three-quarters of total emissions associated with waste management. Results from the different landfill gas (LFG) quantification approaches ranged from an emissions source of 557 kt carbon dioxide equivalents (CO2e) (FCM-PCP) to a carbon sink of −53 kt CO2e (EPA WARM). Similar values were obtained between IPCC approaches. The IPCC 2006 method was found to be more appropriate for inventorying applications because it uses a waste-in-place (WIP) approach, rather than a methane commitment (MC) approach, despite perceived onerous data requirements for WIP. MC approaches were found to be useful from a planning standpoint; however, uncertainty associated with their projections of future parameter values limits their applicability for GHG inventorying. MC and WIP methods provided similar results in this case study; however, this is case specific because of similarity in assumptions of present and future landfill parameters and quantities of annual waste deposited in recent years being relatively consistent.

Combustion of Biogas in a Gas Turbine Simulation

Research was to investigate the effects of increasing levels of carbon dioxide addition to the combustion of methane with air. Using an atmospheric-pressure, swirl-stabilized dump combustor, emissions data and flame stability limitations were measured and analyzed.

Comparison of the methane oxidation rate in four media

Landfill gas emissions are one of the main sources of anthropogenic methane (CH4), a major greenhouse gas. In this paper, an economically attractive alternative to minimize greenhouse gas emissions from municipal solid waste landfills was sought. This alternative consists in special biofilters as landfill covers with oxidative capacity in the presence of CH4. To improve the quality/cost ratio of the project, compost was chosen as one of the cover substrates and soil (Typic red yellow-silt-clay Podzolic) as the other. The performance of four substrates was studied in laboratory experiments: municipal solid waste (MSW) compost, soil, and two soil-compost at different proportions. This study aimed to evaluate the suitability and environmental compatibility as a means of CH4 oxidation in biofilters. Four biofilters were constructed in 60 cm PVC tubes with an internal diameter of 10 cm. Each filter contained 2.3 L of oxidizing substrate at the beginning of the experiment. The gas used was a mixture of CH4 and air introduced at the bottom of each biofilter, at a flow of 150 mL min-1, by a flow meter. One hundred days after the beginning of the experiment, the best biofilter was the MSW compost with an oxidation rate of 990 g m-3 day-1 , corresponding to an efficiency of 44 %. It can be concluded that the four substrates studied have satisfactory oxidative capacity, and the substrates can be used advantageously as cover substrate of MSW landfills.

Kaatopaikkakaasun hyötykäyttömahdollisuudet Anjalankosken Ekoparkissa

Kaatopaikalle sijoitetut biohajoavat orgaaniset jätteet muodostavat jätetäytön hapettomissa olosuhteissa kaatopaikkakaasua, joka koostuu pääasiassa metaanista ja hiilidioksidista. Kaatopaikkakaasun sisältämän metaanin takia, kaasusisältää merkittävästi energiaa, joka on hyödynnettävissä eri tavoin. Tämän diplomityön tavoitteena oli tarkastella vaihtoehtoja Anjalankosken Keltakankaan kaatopaikoilla muodostuvan kaatopaikkakaasun hyödyntämiseksi. Tarkastellut vaihtoehdot tarjoavat ympäristöllisten hyötyjen lisäksi liiketoiminnallista hyötyä Ekoparkissa toimiville yrityksille. Tutkimuksessa tehdyt laskelmatosoittivat, että työssä tarkastellut kaatopaikkakaasun hyötykäyttövaihtoehdot ovat sekä taloudellisesti että kaasun riittävyyden kannalta hyödynnettävissä. Esimerkiksi kaatopaikkakaasun hyödyntämisellä kaukolämmön tuotannossa voidaan kattaa noin kolmannes Anjalankosken vuotuisesta kaukolämmön tarpeesta. Kaatopaikkakaasun lietteen kuivauskapasiteetti kattaa Pohjois-Kymenlaaksossa muodostuvan jätevesilietteen käsittelytarpeen. Biopolttoaineen kuivauskapasiteetti on riittävä olemassa oleviin valmistuslaitosten tuotantokapasiteetteihin verrattuna. Myös perinteisillä sähkön- ja lämmöntuotantotekniikoilla voidaan kattaa Ekoparkin oma sähkön- ja lämmöntarve. Kaatopaikkavesien haihdutus ei tulosten perusteella ole sekä taloudellisesti että kaasun riittävyyden kannalta hyödynnettävissä. Tuhkan vitrifioinnissa haasteen muodostaa investointikustannuksen suuruus. Anjalankosken Ekoparkin yritykset voivat hyödyntää työn tuloksia uuden liiketoiminnan kehittämiseen. Lisäksi tuloksia voidaan hyödyntää soveltaen eri kokoluokan kaatopaikkojen kaatopaikkakaasujen hyötykäyttöä suunniteltaessa.

Biokaasun tuottaminen ja hyödyntäminen Lappeenrannassa

Lappeenrannassa kerätään ja hyödynnetään tällä hetkellä kaatopaikkakaasua 0,3 milj.m3 vuodessa. Biokaasua voitaisiin tuottaa Lappeenrannassa mädättämällä bioperäisiä jätteitä ja biokaasuntuotantoa varten kasvatettuja energiakasveja. Biokaasuntuotantoon soveltuvia jätteitä ovat erilliskerätty biojäte, jätevedenpuhdistamon jätevesiliete, puutarhajäte, lietelannat ja oljet. Kesannolla olevilla peltoaloilla voitaisiin kasvattaa ruokohelpeä. Biokaasun tuotantoon soveltuvia materiaaleja voitaisiin kerätä 143 000 t/a ja kasvattaa 68 000 t/a. Työssä tarkastellaan vaihtoehtoa, jossa mädätetään vain puhdistamoliete, sekä useita materiaaleja mädättävää yhteismädättämöä, johon liittyen tutkitaan kolmea eri vaihtoehtoa: kunnallisen jätteen mädätystä, kaiken jätteen mädätystä ja jätteen sekä energiakasvien mädätystä. Paras sijoituspaikka mädättämölle olisi jätevedenpuhdistamon läheisyydessä. Jätemateriaalista saataisiin kaasua enintään 12 milj. m3 ja energiakasveista enintään 16 milj. m3. Kaasusta voitaisiin tuottaa energiaa CHP-laitoksessa enintään 184 GWh. Mikäli biokaasun tuotannolla halutaan ensisijaisesti vähentää kasvi-huonekaasupäästöjä, kannattaa kaasu jalostaa ajoneuvopolttoaineeksi. Jalostettu kaasu on mahdollista myös syöttää maakaasuverkostoon. Suurimmat tulot on mahdollista saavuttaa yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa, mikäli biokaasulle suunniteltu syöttötariffi toteutuu. Muussa tapauksessa suurimmat tulot saadaan jalostamalla biokaasua ajoneuvojen polttoaineeksi.

Metaanin muodostumisen mallintaminen kaatopaikalla

Methane-rich landfill gas is generated when biodegradable organic wastes disposed of in landfills decompose under anaerobic conditions. Methane is a significant greenhouse gas, and landfills are its major source in Finland. Methane production in landfill depends on many factors such as the composition of waste and landfill conditions, and it can vary a lot temporally and spatially. Methane generation from waste can be estimated with various models. In this thesis three spreadsheet applications, a reaction equation and a triangular model for estimating the gas generation were introduced. The spreadsheet models introduced are IPCC Waste Model (2006), Metaanilaskentamalli by Jouko Petäjä of Finnish Environment Institute and LandGEM (3.02) of U.S. Environmental Protection Agency. All these are based on the first order decay (FOD) method. Gas recovery methods and gas emission measurements were also examined. Vertical wells and horizontal trenches are the most commonly used gas collection systems. Emission measurements chamber method, tracer method, soil core and isotope measurements, micrometeorological mass-balance and eddy covariance methods and gas measuring FID-technology were discussed. Methane production at Ämmässuo landfill of HSY Helsinki Region Environmental Services Authority was estimated with methane generation models and the results were compared with the volumes of collected gas. All spreadsheet models underestimated the methane generation at some point. LandGEM with default parameters and Metaanilaskentamalli with modified parameters corresponded best with the gas recovery numbers. Reason for the differences between evaluated and collected volumes could be e.g. that the parameter values of the degradable organic carbon (DOC) and the fraction of decomposable degradable organic carbon (DOCf) do not represent the real values well enough. Notable uncertainty is associated with the modelling results and model parameters. However, no simple explanation for the discovered differences can be given within this thesis.

Kaatopaikkakaasun hyväksikäyttö lietteen kuivauksessa

Tällä hetkellä suuri osa esikäsiteltyjen jätevesilietteiden loppusijoitusvaihtoehdoista ei pysty kattamaan lopullisesti kasvavien lietemäärien loppusijoitustarvetta, mikä lisää lietteen loppusijoitusta kaatopaikoille. Kuitenkin EU:n tiukentuneen jätehuoltolainsäädännön sekä ilmastonlämpenemisen suurien haasteiden vuoksi, kaatopaikoille sijoitettavien jätteiden määrää täytyy pyrkiä vähentämään. Tämän työn tavoitteena on tutkia jätevedenpuhdistamoilta tulevan lietteen termistä kuivausta yhtenä lietteenkäsittely vaihtoehtona. Tavoitteena on selvittää voidaanko lietettä kuivaamalla saada liete paremmin hyödynnetyksi. Työssä tarkasteltiin yleisesti yhdyskuntalietteen termisessä kuivaamisessa nykyisin käytettäviä menetelmiä, sen ympäristövaikutuksia, energian tarvetta ja kustannuksia sekä siitä saatavaa hyötyä lietteen loppusijoittamisessa. Lisäksi arvioitiin kuinka kaatopaikkakaasun hyödyntäminen soveltuisi lietteen kuivauksessa tarvittavan energian tuotantoon. Työssä tehdyn selvityksen mukaan kaatopaikkakaasua voidaan hyödyntää suhteellisen helposti lämmöntuotannossa ilman merkittäviä laitosmuutoksia tai kaasun puhdistusta. Ongelmana pidettiin kaatopaikkakaasun kuljetuksia, joka on suhteellisen vaikeaa ja taloudellisesti kannattamatonta. Kuitenkin noin 10 km välimatkan säteellä kaatopaikasta sen hyödyntäminen olisi mahdollista. Työn laskelmien mukaan Suomessa hukkaan poltetulla kaatopaikkakaasulla voitaisiin kuivata noin 250 tuhatta tonnia lietettä vuosittain.

Toikansuon kaatopaikkakaasun hyödyntäminen kaukolämmöntuotantoon

Tämän työn päätavoitteena oli selvittää, onko Toikansuon kaatopaikkakaasun hyödyntäminen kaukolämmöntuotantoon Lappeenrannan Energialle taloudellisesti kannattavaa. Kaatopaikkakaasulla voitaisiin korvata kaukolämmöntuotannossa puuta ja maakaasua, mistä aiheutuisi säästöä. Kaukolämmöntuotantoa varten olisi hankittava lämpökeskus ja rakennettava tarvittava infrastruktuuri, mistä aiheutuisi taas toisaalta kustannuksia. Paroc hyödyntää nykyisin Toikansuon kaatopaikkakaasun. Paroc ei hyödynnä kaasua niin paljon kuin olisi mahdollista, ja tulevaisuudessa Paroc ei välttämättä pysty hyödyntämään kaasua ollenkaan. Työssä arvioitiin Toikansuon kaatopaikkakaasupotentiaali, jonka perusteella pyydettiin toimittajilta tarjous kohteeseen soveltuvasta lämpökeskuksesta. Lämpökeskukselle etsittiin lisäksi sijoituspaikka sekä arvioitiin tarvittavan infrastruktuurin rakentamisesta aiheutuvat kustannukset ja lämpökeskuksen käytönaikaiset kustannukset. Aiheutuvia kustannuksia verrattiin vaihtoehtoisten kaukolämmöntuotantotapojen polttoainekustannuksissa saavutettuun säästöön nykyarvomenetelmän avulla. Investoinnin nykyarvo esitettiin eri kaatopaikkakaasun hinnoilla, sillä kaatopaikkakaasusta maksettava hinta on Lappeenrannan Energian ja Lappeenrannan kaupungin välinen neuvottelukysymys. Työn tulosten perusteella Toikansuon kaatopaikkakaasua pystyttäisiin hyödyntämään kaukolämmöntuotantoon noin 15 vuotta. Investointi on Lappeenrannan Energialle kannattava, kunhan kaatopaikkakaasusta maksettava hinta on riittävän alhainen ja laskelmiin valitut lähtöarvot pitävät riittävän hyvin paikkansa. Investointiin sisältyy kuitenkin riskinsä, sillä laskelmat sisältävät useita tulevaisuudessa muuttuvia tekijöitä, joiden kehitystä on vaikea arvioida tarkasti. Investointia tulisi harkita, jos Paroc ei pysty tulevaisuudessa hyödyntämään kaasua ollenkaan tai tavoitteena on minimoida kasvihuonekaasupäästöt. Pelkkää taloudellisen tuoton tavoittelua ajatellen investointi on liian epävarma.