• Energy Research
• Open Access close
• Finnish close
• Netherlands Research Portal close

The EU has started to reduce greenhouse gases which are the result of using fossil fuels. One way to do this is emission trade. There are plans to generate biofuels to replace non-renewable fuels. These biofuels can be processed with the old equipment in power plants. The advantage of biofuels is that their emission factor of carbon dioxide is agreed to be zero because woodconsumes the same amount of carbon dioxide while it grows as it releases in combustion. One of these refined biofuels is torrefied wood. Its characteristics mostly correspond to coal, and it can be used in coal-fired power plants without changing equipment. Torrefaction means, in a manner of speaking, roasting wood in 250-270 ºC in oxygen-free conditions. In this process all the water is removed, as well as some of the volatile gases. The colour of the wood changes to chocolate brown, it gets lighter, does not smoke in combustion, repels water, is pulverized easily and releases only small amounts of particulate emissions. The durability and operating properties of torrefied wood are significantly different compared tothe raw material. Torrefied wood also has better properties than e.g. wood coal. Torrefaction has been studied a little, and its combustion on the power plant scale has been tested on a small scale. Torrefied material is difficult and expensive to transport because of its properties, so its density must be raised for transporting, e.g. by pelleting. Torrefaction combined with pelleting is, at its best, would be a competitive alternative when biomass, substituting coal, is processed off-site and transported in bulk by sea. Based on the data collected in this preliminary study it can be estimated that producing torrefied wood fuel in Finland has technical-economical possibilities. However, the application of the torrefaction process to Finnish conditions and domestic raw material demands investment in further studies before moving on to the actual implementation phase. Fossiilisten polttoaineiden käytöstä aiheutuvia kasvihuonekaasupäästöjä pyritään vähentämään EU:ssa mm. päästökaupan avulla. Uusiutumattomien polttoaineiden tilalle kehitetään biopolttoaineita, joita voidaan hyödyntää olemassa olevien voimalaitosten polttolaitteistoilla. Biopolttoaineiden etuna on, ettäniiden ei katsota lisäävän hiilidioksidipäästöjä, koska biomassa sitoo itseensä kasvaessaan poltossa vapautuvan määrän hiiltä. Eräs kiinnostavimmista jalostetuista biopolttoaineista on torrefioitu puu, joka vastaa useimmilta ominaisuuksiltaan kivihiiltä ja jota voidaan käyttää hiilivoimalaitoksissa ilman laitteistomuutoksia. Torrefiointi on puun eräänlaista paistamista hapettomissa olosuhteissa 250-270ºC:ssa, jolloin siitä saadaanpoistettua vesi ja osa haihtuvista aineista. Puun väri muuttuu suklaanruskeaksi, se kevenee, ei savuta poltettaessa, hylkii vettä, jauhautuu hyvin sekä sillä on pienet hiukkaspäästöt. Käsitellyn puun ominaisuudet muuttuvat säilyvyydeltään ja käyttöominaisuuksiltaan merkittävästi raaka-aineeseen verrattuna. Torrefioinnilla saavutetaan puulle polttoainekäytön kannalta myös paremmat ja kestävämmät ominaisuudet kuin hiiltämällä. Torrefiointiprosessia on tutkittu jonkin verran ja torrefioidun biomassan polttoa voimalaitosmittakaavassa on kokeiltu pienessä mittakaavassa. Torrefioitu materiaali on alhaisen tiheytensä vuoksi hankalaa ja kallista kuljettaa,joten sen tiheyttä tulee nostaa kuljetuksia varten tiivistämällä esim.pelletöimällä. Torrefionti yhdistettynä pelletöintiin on parhaimmillaan kilpailukykyinen vaihtoehto, kun kivihiiltä korvaavaa biomassaa jalostetaan kaukana käyttöpaikasta ja kuljetetaan irtotavarana aluskuljetuksina. Torrefioitua puuta on tiettävästi poltettu vain hollantilaisessa voimalaitoksessa. Tässä esiselvityksessä kootun tiedon perusteella torrefioidun puupolttoaineen tuottamiseen Suomen olosuhteissa arvioidaan olevan teknis-taloudellisia mahdollisuuksia. Kuitenkin torrefiointiprosessin soveltaminen suomen olosuhteisiin ja kotimaisiin raakaaineisiin vaatii panostusta jatkotutkimukseen ennen varsinaiseen toteutusvaiheeseen siirtymistä.

Tavoitteet energiatehokkuuden parantamisesta ja energiantuotannon ympäristövaikutusten vähentämisestä ovat nostaneet kiinnostusta hajautettua energiantuotantoa kohtaan. Pienissä kokoluokissa ei kuitenkaan sähköntuottaminen ole kannattavaa perinteisillä menetelmillä kuten vesihöyryprosessilla. Mikrokokoluokassa (alle 50 kWe) yksi varteenotettavimmista keinoista sähköntuotantoon on mikro ORC-prosessi. Tässä kandidaatintyössä on tavoitteena löytää mikro ORC-voimaloiden potentiaalisimpia sovelluskohteita ja ratkaisuja niiden hyödyntämiseen. Selvitystyön perusteella mikro ORC-voimaloiden potentiaalisimpia sovelluskohteita ovat hukkalämpöjen hyödyntäminen teollisuus- ja energiantuotantoprosesseissa, pienet CHP-laitokset, pienet lämpölaitokset, ajoneuvojen polttomoottorit, syrjäisten kohteiden sähköntuotanto sekä aurinkokeräimien ja kaukolämpöverkon hyödyntäminen rakennusten energiaomavaraisuuden parantamisessa.

Tässä diplomityössä kartoitetaan pienten kiinteää biopolttoainetta käyttävien yhteistuotantolaitosten kilpailukykyä kuuden Euroopan maan osalta. Potentiaalisimmiksi arvioidut maat, Alankomaat, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Puola ja Tanska, valittiin aiemmin tehtyjen markkinaselvitysten perusteella. Työ sisältää kootut katsaukset näiden maiden energiamarkkinoihin, energiapolitiikan suuntaviivoihin sekä kussakin maassa käytössä oleviin bioenergian käytön edistämiseen tähtääviin tuki- ja ohjausmuotoihin. Työn yhtenä tavoitteena oli selvittää paljonko kiinteää biopolttoainetta käyttävä 3,5MWth/1MWe -kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitos saa asiakkaalle maksaa, kun tarkasteltavan maan energiamarkkinoiden ja asiakkaan energiantarpeen asettamat reunaehdot huomioidaan. Investoinnin kannattavuusrajaa selvitettiin yksinkertaisen takaisinmaksuaikaan perustuvan vertailumallin avulla, jossa asiakkaan energianhankintavaihtoehtona voimalaitoshankinnan lisäksi oli hake- tai maakaasulämpölaitoksen hankinta ja ostosähkö. Selvityksen perusteella otollisimmat markkinat tarkastellulle voimalaitokselle näyttäisivät olevan Itävallassa, Italiassa ja Tanskassa. Pienen kiinteän biopolttoaineen yhteistuotantolaitoksen kannattava maksimi-investointikustannus oli näissä maissa mm. kalliista markkinasähköstä johtuen tasolla, johon jo nykyisillä voimalaitosten rakentamiskustannuksilla on mahdollista päästä. Lisäksi näissä maissa kannustettiin viranomaistoimenpitein kiinteän biopolttoaineen ja yhteistuotannon käyttöön ja energiapolitiikan tavoitteeksi oli asetettu tuotannon merkittävä lisääminen tulevaisuudessa. The main goal of this Master’s thesis was to study the competitiveness of small-sized biomass co-generation plants in six selected European countries. The countries, the Netherlands, Great Britain, Italy, Austria, Poland and Denmark, are supposed to be the most potential ones. They were selected on the basis of previously acquired market research information. This thesis consists of short reviews of energy markets, energy policies, and regulatory and legislative frameworks in these countries. Another target of this thesis was to find out how high the 3,5MWth/1MWe -sized biomass co-generation plant investment can be so that it still seems to be attractive when taking e.g. en-ergy markets and the energy consumption frameworks of customers into consideration. The break-even point was calculated by using a simple payback time -based method. The compari-son was done between two different ways of energy acquisition. The first alternative was an investment in a small biomass CHP -plant and the second was an investment in a biomass or gas powered thermal plant and buying electricity from the market. On the basis of this study the most favourable markets for the co-generation plants examined in this study were in Austria, Italy and Denmark. The maximum investment of a small-sized biomass co-generation plant in these countries was at a level that is attainable even at current plant construction costs depending on e.g. high electricity market prices. In these countries the use of biomass and co-generation was supported by authority measures and the aim of the en-ergy policy was to significantly increase biomass co-generation in the future.

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää pyrolyysiöljyn tuotantomahdollisuuksia metsäbiomassasta Suomessa. Työssä käydään läpi olennaisia tuotantotekniikoita ja pohditaan tuotantolaitoksen mahdollista sijoituspaikkaa. Lisäksi tehdään karkea laskenta yksittäisen laitoksen ideaalisesta vuosikapasiteetista ja verrataan tulosta olemassa olevasta laitoksesta saatuihin tietoihin. This bachelor's thesis is about the possibilities of producing pyrolysis oil in Finland using forest biomass. The thesis deals with the most essential production techniques and the possible locations for a production facility. In addition a rough calculation is made for the possible yearly capacity of a single facility and this is compared to an already existing facility.

Kandidaatintyö käsittelee polttoaineen kosteuden vaikutusta teollisessa kaasutusprosessissa. Työssä keskitytään kuoren leijukerroskaasutukseen meesauunin yhteydessä ja tarkastellaan viirakuivurilla kuivatun kuoren kosteuden vaikutusta prosessiin. Työn tavoite on esitellä teoriaa kaasutuksen taustalla, olemassa olevaa kaasutus- ja kuivaustekniikkaa ja käytännön kosteusmittauksista tehtyjä johtopäätöksiä. Käytännön mittaukset tehtiin kuorenkaasutuslaitoksella määrittämällä kuoren loppukosteus uunikuivausmenetelmällä. Kuoren loppukosteutta säädettiin viirakuivurin kuivaustehoa muuttamalla ja kosteuden vaikutusta tulkittiin laitoksen prosessinohjausjärjestelmän mittausdatan perusteella. Koeajoissa testatulla korkealla kuiva-ainealueella kosteuden lisääntyminen ei vaikuta ainakaan merkittävässä määrin kaasuttimen tai meesauunin toimintaan. Koeajoissa polttoaineen kulutus jopa hieman väheni. Kuivurilla havaittiin oletetusti primäärilämmön ominaiskulutuksen jyrkkä kasvu kuoren loppukosteutta kasvatettaessa.

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. In order to mitigate the climate change and promote the use of renewable energy, the European Community has enacted the so called Renewable Energy Directive (RED). A methodology for calculating the greenhouse gas emissions of biofuels and bioliquids is presented in RED (annex V). The climate impact of pyrolysis oil derived from logging residues was evaluated in this thesis. The greenhouse gas emissions were calculated in accordance with the methodology. The aim of this thesis was to find out whether pyrolysis oil fulfils the greenhouse gas emission saving demands or not. Heavy fuel oil was used as a fossil fuel comparator in heat production. The applicability of calculation methodology was also evaluated in this thesis. Emissions from extraction of raw materials, processing the bioliquid, transport and distribution were taken into account. The life cycle emissions were first calculated using the best estimates for each parameter and then Monte Carlo -simulation was performed. The emissions from diminished carbon stocks and boiler fuels seemed to play a significant role to greenhouse gas emission savings of pyrolysis oil. However, the results depended on the assumption whether boiler and pyrolyzer are seen as two independent units (case 1) or as one unit (case Substituting heavy fuel oil with pyrolysis oil in heat production probably reduces greenhouse gas emissions. But the calculated greenhouse gas emission savings can’t be seen as real or accurate predictions of climate effect caused by pyrolysis oil because there are many uncertainties involved with life cycle assessment. The methodology doesn’t state accurately enough how to define system boundary or how to allocate emissions. That’s why the methodology can be interpreted in many ways. Different interpretations create different results. To avoid interpretation problems, calculation methodology should be made more specific.

Tämä raportti käsittelee ”Hajautettu energiantuotanto biohiilipelleteillä” hankkeen tuloksia. Hankkeen tavoitteena oli tutkia biohiilipelletin energiakäytön mahdollisuuksia pienessä kokoluokassa lämmön ja sähköntuotannossa. Biohiilipelletti on uusi polttoaine pienkäytön kokoluokassa ja se on saanut osakseen paljon huomiota. Biohiilipellettien polttoa pienessä kokoluokassa kokeiltiin laboratoriolaitteistolla sekä demonstraatioin käytännön kohteissa. Kokeiden avulla voitiin arvioida biohiilipellettien soveltuvuus nykyisiin öljy- ja pellettikäyttöisiin laitoksiin. Laboratoriomittauksin selvitettiin poltosta aiheutuvia päästöjä ja verrataan sitä tavanomaiseen pellettiin. Hanke sisälsi myös markkinapotentiaalin arvioinnin ja logistiikkajärjestelmän alustavan suunnittelun pelletin jakeluun. Hankkeen pyrkimyksenä oli tunnistaa pelletin tuotannon ja käytön arvoketjuun liittyvä liiketoimintamahdollisuuksia, sekä edistää tulevaisuuden kehitystä joka vähentää energiantuotannon päästöjä ja lisää energiaomavaraisuutta maakunnassa. This report presents the results of the project called the Decentralised Energy Production by Bio-coal Pellets. The aim of the study was to evaluate the possibilities of small scale energy use of bio-coal pellets in the heat and power production. Bio-coal pellet is a new fuel for the small scale energy production and it has been getting a lot of attention. The combustion of bio-coal pellets was executed by laboratory facilities and practical experiments to evaluate their suitability to the existing oil and pellet plants. The combustion emissions were analyzed at laboratory facilities and compared to the normal white pellets. The examination of market potential and the tentative bio-coal pellet delivery logistics was also included in the study. The ultimate ambition was to identify the business possibilities in the whole value chain of bio-coal pellets and promote the future development where the emissions of energy production decrease and the self-sufficiency of energy production increase in the region of South Savo. Post-print / final draft

Tässä kandidaatintyössä käsitellään syväeutektisten liuottimien toimivuutta lignoselluloosan fraktioinnissa. Lignoselluloosan hyödyntäminen esimerkiksi bioetanolin tuotannossa on tulevaisuuden biotalouden kannalta tärkeää. Syväeutektiset liuottimet ovat uusi liuotinryhmä, jotka koostuvat vetysidoksen luovuttaja- ja vastaanottajakomponenteista. Liuottimet ovat voidaan luokitella vihreiksi ja kestäviksi, sillä ne ovat myrkyttömiä ja biohajoavia, ja niiden komponentit ovat tyypillisesti luonnossa esiintyviä kemikaaleja. Työssä perehdytään lignoselluloosan kemialliseen rakenteeseen ja lignoselluloosan erilaisiin lähteisiin. Työssä esitellään syväeutektisten liuottimien käsite, niiden kemiallinen koostumus sekä tärkeimmät fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Työssä tutkittiin aikaisemmin julkaistuja tuloksia lignoselluloosan jakeiden liuottamisesta syväeutektisilla liuottimilla. Liuottimien etuja ja haasteita teollisen mittakaavan hyödyntämisessä käydään läpi työn loppupuolella. Liuottimien käytettävyyttä arvioidaan myös prosessien kestävän kehityksen kannalta. Tuloksista käy ilmi, että syväeutektisilla liuottimilla pystytään liuottamaan tehokkaasti erityisesti ligniiniä. Syväeutektisilla liuottimilla on mahdollista tehostaa lignoselluloosaa hyödyntäviä prosesseja kestävän kehityksen mukaisesti. This bachelor’s thesis goal is to analyze the applicability of deep eutectic solvents (DES) in lignocellulosic pretreatment. Utilizing lignocellulosic biomass i.e. in biofuel production is important for the future bioeconomy. Deep eutectic solvents are a new solvent group that consists of a hydrogen bond donor (HBD) and an acceptor (HBA). DESs are green and sustainable due to their naturally found components and because of their non-toxicity and biodegradability. This work concentrates on the chemical structure and different sources of lignocellulosic biomass. The concept of deep eutectic solvents is presented, as well as the chemical structure and the main physical and chemical qualities. Literature was reviewed aiming to find out how different DESs solubilize various lignocellulose fractions. The results indicate that deep eutectic solvents are promising media for more sustainable lignocellulosic pretreatment, especially for delignification. The solvents’ pros, cons and the sustainability aspect is also discussed.

Tämä kandidaatintyö on kirjallisuustyö biomassaa hyödyntävien ORC-voimaloiden potentiaalista Suomessa. Työn tavoitteena on selvittää, missä teholuokissa prosessi soveltuisi käytettäväksi Suomessa ja mitkä tekijät mahdollistaisivat niiden yleistymisen. Lisäksi pohditaan ORC-prosessin etuja ja haittoja muihin biomassaa hyödyntäviä sähkön ja lämmön yhteistuotantotekniikoihin verrattuna. Orgaanista kiertoainetta hyödyntävä ORC-teknologia on lupaava vaihtoehto pienen kokoluokan yhteistuotantoon ja se on jo yleisesti käytössä monissa Euroopan maissa. Suurimmat laitevalmistajat tarjoavat laitoksia, joiden sähköteho on 200 kW - 15 MW. Vaihtoehtoisista tuotantotekniikoista biomassan kaasutus on merkittävin ORC-prosessin kilpailija. Kaasutuksen avulla on mahdollista saavuttaa korkeampi tuotto investoinnille, mutta ORC-teknologia on luotettava ja sisältää vähemmän riskitekijöitä. Mahdollisia käyttökohteita Suomessa olisivat siipikarja- ja sikatilat, puutarhat, aluelämpölaitokset, teollisuuden kiinteistöt sekä kaukolämpöverkon ulkopuoliset suuret kiinteistöt. Teholuokassa 300-750 kW ORC-prosessi soveltuisi maataloudessa käytettäväksi, teollisuuden kiinteistöjen lämpötehon tarve taas on keskimäärin 500 kW. Suurimpia haasteita prosessin käytön yleistymiselle näissä käyttökohteissa ovat laitosten korkeat investointikustannukset ja alhainen sähkön hinta. Kilpailukykyisen teknologian saavuttamiseksi nykyinen uusiutuvan energian tukijärjestelmä vaatii vielä kehittämistä.