Kestävän kehityksen näkökulmien huomioiminen kunnan energiaratkaisussa

Diplomityön tavoitteena on tuottaa informaatiota kunnalliseen päätöksentekoon, jonka avulla kestävän kehityksen näkökulmia voidaan huomioida kunnan energiaratkaisusta päätettäessä. Yhtenä työn lähtökohtana on ollut myös uusi EU-direktiivi, jonka mukaan ympäristönäkökohtia voidaan huomioida julkisten hankintojen tarjouspyyntömenettelyssä valintaperusteena. Tarkastelun kohteena oli kokoluokaltaan 0,5–3 MW:n aluelämpölaitokset sekä polttoaineiden tuotantoketjut. Työssä vertailtavat polttoaineet olivat metsähake, raskas polttoöljy, kevyt polttoöljy ja turve. Diplomityössä on perehdytty kestävän kehityksen käsitteeseen ja muodostettu sen mukaan ekologiselle, sosiaaliselle ja taloudelliselle näkökulmalle kunnallisen energiaratkaisun indikaattoreita. Empiirisessä osassa käsitellään kestävän kehityksen näkökulmien muodostumista Enon energiaosuuskunnan toimintaan perustuen. Käytettävät kestävän kehityksen näkökulmien mukaiset indikaattorit ovat polttoaineen tuotannosta ja käytöstä aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt, polttoaineen tuotannon työllisyysvaikutukset sekä energian hinnan muodostuminen osuuskunnan asiakkaille. Tässä diplomityössä tarkastelluilla kestävän kehityksen indikaattoreilla mitattuna, metsähakkeen käytöllä energiantuotannossa on positiivinen vaikutus niin kunnan kasvihuonekaasutaseessa, työllisyystilanteessa sekä myös enemmän kuluttajaystävällinen asema, lämmön hinnan vakauden ansiosta, kuin muilla työssä käsiteltävillä polttoaineilla. Polttoaineen tuotantoketjun osalta metsähakkeelle saatiin tuotannon ja käytön aiheuttamaksi kasvihuonekaasupäästöksi 2,9–4,2 g CO2-ekv/MJ. Tulos perustuu Enon energiaosuuskunnan polttoaineen hankinnassa käytössä oleviin keskimääräisiin etäisyyksiin metsäkuljetuksessa (250 m) ja kaukokuljetuksessa (15 km). Tuotannon ja käytön aiheuttamat kasvihuonekaasupäästöt olivat raskaalla polttoöljyllä 88,2 g CO2-ekv/MJ, kevyellä polttoöljyllä 85,0 g CO2-ekv/MJ ja turpeella 104,0–108,1 g CO2-ekv/MJ. Metsähakkeen osalta polttoaineen tuotannon osuus koko tarkastellun energiaketjun kasvihuonekaasupäästöistä oli noin 43–57 %. Enon energiaosuuskunnan tapauksessa vuoden 2005 odotetulla toiminta-asteella metsähakkeella tuotetun lämmön tuotantoketjun kasvihuonekaasupäästöt ovat noin 160 t CO2-ekv. Kevyellä polttoöljyllä tuotetun lämmön tuotantoketjun kasvihuonekaasupäästöt olisivat noin 3700 t CO2-ekv sekä turpeen (50 %) ja metsähakkeen (50 %) seoskäyttöön perustuvalla ketjulla noin 2300–2400 t CO2-ekv. Samaisella toiminta-asteella työllisyysvaikutukset ovat käytettäessä metsähaketta 2,2–8,6 htv, raakaöljyä 0,12 htv ja turvetta 1,4–1,6 htv. Metsähakkeen käyttö aluelämpölaitosten pääpolttoaineena takaa myös vakaan hintakehityksen osuuskunnan asiakkaille.

Vaasan kaukolämmön kehittämissuunnitelma

Tämän työn tarkoituksena on tarkastella tulevaisuuden kehitysnäkymien vaikutusta Vaasan kaukolämpötoimintaan. Komartekin Flowra 32 verkostolaskentaohjelman avulla tutkitaan kaukolämpöverkon siirtokykyä nykyisissä ja tulevaisuuden kuormitustilanteissa. Työn yhteydessä laaditaan kaukolämmityksen kasvuennuste seuraavalle kymmenelle vuodelle ja selvitetään mitoituslämpötilaa -29°C vastaava teho tilastollisen analyysin avulla. Lisäksi tutkitaan mahdollisia ratkaisuja huippu- ja varatehon tuottamiseksi. Tarkastelun kohteena on myös lämmön lyhytaikaisvarastoinnin kannattavuus energianhankintajärjestelmässä. Kaukolämpöverkon siirtokyky on tarkastelun perusteella kohtalaisen hyvä, mutta liittymistehojen kasvaessa paine-erot verkon häntäpäässä jäävät liian alhaisiksi. Paras ratkaisu paine-ero ongelmaan on rakentaa välipumppaamo Hovioikeudenpuistoon. Tarkastelun perusteella kaukolämmön varatehon lisätarve on kymmenen vuoden kuluttua noin 40 MW ja varatehoksi on kannattavinta rakentaa raskasta polttoöljyä käyttävä lämpökeskus. Lämmön lyhytaikaisvarastointi on nykyisillä energianhinnoilla kohtalaisen kannattavaa varsinkin, jos Kauppa- ja teollisuusministeriö myöntää hankkeelle täyden 30%:n investointiavustuksen.

Meesauunin polttovyöhykkeen lämmönsiirron ja palamisen mallinnus

Tälle diplomityölle on antanut alkusysäyksen tarve kehittää käytössä olevaa meesauunin simulointiohjelmaa. Simulointiohjelma mallintaa meesauunin stationaaritilan toimintaa. Sillä voidaan tutkia uunin konstruktion muutosten vaikutuksia uunin toimintaan. Ohjelma on tehty 1980-luvun alkupuolella. Sen aikaisten tietokoneiden laskentatehojen vuoksi ohjelman käyttämään laskentamalliin on jouduttu tekemään joukko erilaisia yksinkertaistuksia laskenta-ajan lyhentämiseksi. Tässä diplomityössä keskityttiin tutkimaan meesauunin polttovyöhykkeen lämmönsiirron ja palamisen mallinnusta. Työssä luotiin aluksi tarvittavat massa- ja energiataseet sekä esitettiin tarvittavat lämmönsiirtoyhtälöt. Sen jälkeen kehitettiin uusi polttoaineen 1D-palamismalli. Palamismalli tehtiin VTT:n tekemien 3D-mallinnusten perusteella. Polttoaineina käytettiin maakaasua ja polttoöljyä. Uusi palamismalli lisättiin simulointiohjelmaan. Lisäksi simulointiohjelmasta muutettiin savukaasun emissiviteetin laskenta ja lämmönsiirto uunin ulkopinnasta ympäristöön. Tuloksena saatiin aikaan uusi tarkempi kuvaus lämmönsiirrosta ja palamisesta meesauunissa.

Toimintamalli asuinkiinteistö öljyvahingon hoitamiseksi

Pienkiinteistöjen öljyvahingot ovat viime vuosina lisääntyneet. Tämän työn tarkoituksena on luoda öljyvahingon torjuntaan ja jälkihoitoon osallistuvalle urakoitsijalle toimintamalli asuinkiinteistön öljyvahingon hoitamiseksi. Mallin halutaan erityisesti kuvaavan öljyvahingon hoitoon osallistuvien viranomaisten ja muiden tahojen vastuita ja velvollisuuksia. Työn tavoitteena on myös tunnistaa pienkiinteistöissä tapahtuvat öljyvahinkotyypit sekä niille altistavat riskitekijät. Öljyn päästäminen ympäristöön sekä öljyn käsittely ja varastointi niin, että siitä aiheutuu öljyvahingon vaara, kielletään laissa. Vahinkojen torjumiseksi on annettu määräyksiä muun muassa öljylämmityslaitteistojen turvallisuutta koskien. Asuinkiinteistöjen öljyvahingot liittyvät yleensä öljysäiliön täyttötilanteisiin. Vahinkojen syynä on usein säiliön ja sen varusteiden puutteellisuus tai huono kunto. Asuinrakennusten lämmitykseen käytetään kevyttä polttoöljyä. Maahan joutuessaan polttoöljy imeytyy sora- ja hiekkamaahan nopeasti, jolloin vaarana on öljyn kulkeutuminen pohjaveteen ja vesistöihin. Asuinkiinteistön öljyvahingossa öljyä joutuu usein myös rakenteisiin. Öljyvahingosta tulee ilmoittaa aina hätäkeskukseen. Vastuu öljyvahinkojen torjunnasta kuuluu alueelliselle pelastustoimelle. Torjuntatoimiin osallistuu usein myös urakoitsija. Jos vahinkokohdetta ei torjuntatoimin saada kunnostettua, alueellinen ympäristökeskus voi määrätä puhdistamisesta vastuussa olevan selvittämään pilaantuneen alueen laajuuden ja puhdistamistarpeen sekä toteuttamaan mahdollisen kunnostuksen. Pilaantuneen maaperän kunnostus voidaan toteuttaa massan vaihtona tai paikan päällä maata kaivamatta. Likaantuneiden rakenteiden saneerausta tarvitaan sisäilman hajuhaittojen poistamiseksi. Öljyvahingon kustannukset voivat nousta hyvinkin suuriksi. Ensisijainen vastuu niistä kuuluu vahingonaiheuttajalle.

Polttomoottorivoimalan energiatehokkuuden parantaminen hukkalämpövirtojen sähköksi muunnolla

Tämä diplomityö on osa FCEP hankeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on kartoittaa polttomoottorin hukkalämpövirtojen sähköksi muunnon potentiaalia valituilla menetelmillä ja tekniikoilla. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin DF- monipolttoainemoottori. DF-moottorin polttoaineena voidaan käyttää joko kaasua tai polttoöljyä. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen ja moottorin lämpötaseen avulla. Laskennan perusperiaatteena oli vesihöyryprosessin ja ORC-prosessien vertailu pakokaasulämmön hyödyntämisessä sekä matalalämpöisten hukkalämpövirtojen hyödyntäminen ORC-prosesseilla. Lisäksi työssä tutkittiin korkealla painesuhteella ja korkealla hyötysuhteella toimivan turboahtimen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin lämpötaseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta moottorin akselitehoon tai moottorin lämpötaseeseen ei kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa tarkasteltu. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi eri menetelmillä sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

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.

Puupelletin hybridipoltto

Diplomityö on tehty osana laajempaa kehitysprojektia. Kehitysprojektin tavoitteena on kehittää poltin jossa polttoaineena käytetään kevyt polttoöljyä ja puupellettiä. Työ on jaettu kahteen osioon, kirjallisuus- ja tutkimusosioon. Kirjallisuusosiossa on käsitelty kehitystyön pohjana käytettyä teoriatietoa. Tutkimusosassa esitellään laitteistolle tehdyt savukaasumittaukset.

Alternative liquid biofuels for lime kilns

Causticizing plant is an important part of kraft pulp mill. It uses green liquor from recovery boiler as a raw material and consumes lime to produce white liquor, which is an important chemical used in pulping. Lime kiln is a part of the causticizing process. It is used to convert lime mud, a by-product obtained from the causticizing back to lime in high temperatures. This conversion requires a lot of energy. The most common fuels used as energy source for lime kiln are heavy fuel oil and natural gas. In a modern pulp mill lime kiln is the only user of significant amount of fossil fuels. Replacing fossil fuels with biofuels can have prominent economical and environmental benefits. Interest in using biofuels as energy source of lime kiln has become a worldwide issue in the recent years. However fuels used for lime kiln have a lot of certain requirements. The purpose of this work is to study the required characteristics from liquid fuels used in pulp mill lime kiln and to map suitable liquid biofuels already available in the markets. Also taxation of liquid biofuels compared to heavy fuel oil in Finland, Sweden and Germany is shortly introduced.

Kaasuöljyn ja dieselpolttoöljyn (naftan) varastointi ja käsittely

kuv., 12 x 17 cm

Solids removal in pyrolysis

Pyrolysis is a process for turning biomass into liquid fuel. The process consists of heating the biomass in inert conditions and quenching the resulting vapors into oil. The oil has many potential uses, such as heating fuel in peak heating plants. In order to broaden the application base and improve the quality of the oil, solids removal has to be addressed. The solids may also increase the probability of plugging in downstream equipment. The purpose of this research was to gain an understanding of the formation of solids in the pyrolysis process and to assess options for reducing the solid content of the oil. From literature it is known that the solids can be removed either by hot vapor filtration, liquid treatment or multiple cyclones. Hot vapor filtration decreases yield, but improves the stability of the oil while simultaneously removing solids and ash. Liquid treatment techniques are good for removing large particles but involve losses of pyrolysis liquid. Cyclones are a traditional robust technique used regularly in pyrolysis. In the experimental part of this thesis, a 2 MWfuel pyrolysis setup with 2 cyclones in series was operated and monitored. Solid and liquid samples were collected from various parts of the process for further examination. Sampling and sample treatment techniques were developed. The chemical properties of the pyrolysis char were also analyzed and assessed as a function of reactor temperature and fluidizing velocity. By measuring the particle size distributions it was noticed that there were much smaller particles collected from the second cyclone than fed into pyrolysis. The solids in the pyrolysis oil were even smaller. This was most likely caused by attrition and shrinkage. Due to better separation efficiency of the cyclones in large particles, excess attrition should be avoided.

Biohiilen teknillistaloudelliset käyttömahdollisuudet meesauuneissa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia biohiilen teknillisiä ja taloudellisia käyttömahdollisuuksia meesauunien polttoaineena. Suomessa meesauunit käyttävät polttoaineinaan yleensä maakaasua ja polttoöljyä. Näiden polttoaineiden käytön korvaamisessa ja vähentämisessä halvemmilla biopolttoaineilla on saatavilla suuret säästöt ja päästöjen vähennykset. Työssä keskityttiin erityisesti tutkimaan biohiilen mahdollisia polttotapoja, biohiilen polton tuottamien vierasaineiden määrää ja biohiilen käytön taloudellista kannattavuutta meesauunien polttoaineena. Työn pohjalta voidaan sanoa, että biohiilen käyttö meesauunien polttoaineena on mahdollista ja kannattavaa. Biohiiltä voidaan käyttää polttoaineena meesauuneissa samoilla polttotavoilla, mitä on käytetty sellu- ja sementtiteollisuudessa polttamaan biohiilen kaltaisia polttoaineita. Biohiilen polton tuottamien vierasaineiden määrä on samaa suuruusluokkaa kuin puun pölypolton tuottamien vierasaineiden määrä. Vierasaineiden pitoisuuksia voidaan hallita avaamalla kemikaalikiertoa. Biohiilen kanssa kilpaileviin puun pölypolttoon ja kaasutukseen nähden biohiilelle löydettiin etuja.