University of Oulu

Realizing bioeconomy in the North of Finland : design of a co-digester for the municipality of Sodankylä

Saved in:
Author: Alaraudanjoki, Joonas1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Environmental Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.5 MB)
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201604061383
Language: English
Published: Oulu : J. Alaraudanjoki, 2016
Publish Date: 2016-04-08
Physical Description: 94 p.
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Pongrácz, Eva
Reviewer: Pongrácz, Eva
Pavlov, Victor
Piippo, Sari
Description:
Finnish government has set an ambitious goal of reaching 50% share of renewable energies by year 2030. To reach this goal several structural changes and new strategies are required. One possible solution is the initiation of bioeconomy program. This thesis work focuses on the implementation of bioeconomy in the North of Finland by reviewing the challenges and opportunities involved in it. The goal is to perform a preliminary technological and economic assessment of a co-digestion plant located in Sodankylä, thus contributing to its bioeconomy strategy. The RECENT project is introduced in the introduction, as this work is closely connected to it. In the theoretical part, the North of Finland, its natural resources and critical infrastructure are introduced. Issues related to bioeconomy realization, climate change’s effect on water services, and municipality’s challenges in northern conditions, are reviewed. Three different biomass utilization methods that are possible in northern conditions are discussed in depth. It was found out that there is great potential for bioeconomy utilization in Northern Finland. There is a lot of biomass available and organic waste unused. At the same time, there are difficulties on their implementation. Few difficulties to overcome are long distances, lack of employees, diminishing population, and doubts regarded to economic sustainability of bioeconomy. One way to speed up the implementation of a new energy system is to use energy assessment tools. Three different tools were reviewed and it was found out that the best tool to use was RETScreen. It is designed to assess single energy systems and was used also to assess the co-digestion plant in Sodankylä. In the experimental part, the municipality of Sodankylä is introduced and the preliminary assessment for the co-digester is performed. All the data for assessing the co-digestion plant were obtained from the municipality itself and from literature. Upgrading the wastewater treatment plant to biogas plant would be profitable if the biomethane generated sold at a price of 1,22 €/kg. Gate fee for bio-waste should be 50 €/m³. The payback period varied between 8 years to 29 years, depending on method and biomethane price used. The amount of biomethane that could be theoretically produced with 4 different feedstocks was 203 250 m³. Based on its energy content, it is sufficient to replace the petrol consumption of 150 cars. RETScreen assessment gave 15 000 m³ lower result. A dry, mesophilic reactor with a capacity of 500 m³ was regarded as a possible solution. Establishing the separate bio-waste collection in the municipality’s center area and practical issues related to the whole biogas plant were discussed also. According to the results, co-digester in Sodankylä is technologically and economically possible to realize. However, several assumptions had to be made. For example, an investment support of 25% is assumed in every calculation and the investment cost for the digester and biogas refinery is based on literature. Also, it is technically challenging to handle feedstocks that are not available throughout the year. The purpose is to produce biogas at a steady rate, but it is challenging, if the reactor is fed with different kinds of raw materials seasonally. The load and the process conditions should be kept stable as possible to ensure high biogas gain. Although the results are positive, more research is recommended to be done to ensure the profitability of the investment. Special attention should be given to the reactor model. This thesis work demonstrates that it is technologically and economically sustainable to realize the bioeconomy in North of Finland. The biogas plant system introduced in the work could be duplicated to other similar territories. The work was done as a part of RECENT (Renewable Community Empowerment in Northern Territories) project.
see all

Suomen hallitus on asettanut kunnianhimoisen tavoitteen nostaa uusiutuvan energian osuus 50 %:in vuoteen 2030 mennessä. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi tarvitaan uusia strategioita ja rakenteellisia uudistuksia. Eräs mahdollinen ratkaisu on käynnissä oleva biotalousohjelma. Tämä diplomityö keskittyy biotalouden toteuttamiseen Pohjois-Suomessa sen haasteita ja mahdollisuuksia arvioiden. Tavoitteena on selvittää Sodankylään suunniteltavan yhteismädätyslaitoksen teknis-taloudellinen potentiaali edistäen siten paikallisen biotalousohjelman toteutumista. RECENT -projekti esitellään johdannossa, sillä tämä työ liittyy vahvasti kyseiseen projektiin. Pohjois-Suomen alue, sen luonnonvarat ja kriittinen infrastruktuuri ovat esitelty teoriaosuudessa. Lisäksi tarkastellaan asioita liittyen biotalouden toteutumiseen, ilmastonmuutoksen vaikutukseen vesihuollossa ja kuntien haasteisiin pohjoisissa olosuhteissa. Työssä on kuvattu tarkemmin kolme eri tapaa hyödyntää biomassoja kyseisellä alueella. Teoriaosuudesta käy ilmi, että Pohjois-Suomessa on suuri potentiaali biotalouden hyödyntämiselle, koska biomassaa ja orgaanista jätettä on saatavilla paljon. Ongelmina ovat kuitenkin pitkät välimatkat, pula työntekijöistä, vähenevä väestömäärä ja epäilyt liittyen biotalouden kannattavuuteen. Energiapotentiaalin arvioimiseen käytetyt työkalut ovat yksi tapa nopeuttaa uusien energiasysteemien käyttöönottoa. Työssä käytiin kolme eri työkalua läpi ja saatiin selville, että tarkastelluista työkaluista RETScreen oli potentiaalisin. Se on kehitetty arvioimaan yksittäisiä energiasysteemejä ja sitä käytetään myös Sodankylän yhteismädättämön arvioinnissa. Kokeellinen osuus käsittelee Sodankylän kuntaa ja yhteismädätyslaitoksen kannattavuutta. Laitoksen arvioimiseen tarvittu data saatiin kunnalta ja kirjallisuudesta. Jätevesilaitoksen päivittäminen yhteismädättämöksi on kannattavaa, mikäli tuotettu biokaasu myytäisiin hintaan 1,22 €/kg. Porttimaksu olisi 50 €/m³ biojätteelle. Takaisinmaksuaika, riippuen laskutavasta ja biokaasun hinnoittelusta, vaihteli 8 ja 29 vuoden välillä. Laskennallisesti, neljästä eri syötemateriaalista voitaisiin saada 203 250 m³ metaanikaasua. Energiasisällöltään se riittäisi korvaamaan noin 150 auton bensiinin kulutuksen. RETScreen arviointi antoi noin 15 000 m³ pienemmän arvion metaanikaasun määrästä. Mahdollinen reaktorityyppi olisi tilavuudeltaan 500 m³ ja prosessina mesofiilinen kuivaprosessi. Myös biojätteen erilliskeräyksen järjestämistä kunnan taajama-alueella ja käytännön asioiden järjestämistä biokaasulaitoksella pohdittiin. Tulosten mukaan yhteismädättämön rakentaminen Sodankylään on teknis-taloudellisesti mahdollista. Kuitenkin useita oletuksia täytyi tehdä, esimerkiksi investointitueksi oletetaan 25 % ja reaktorin sekä biokaasun puhdistuslaitteiston hinnat perustuvat kirjallisuuden keskiarvoihin. On myös teknisesti haastavaa käsitellä jätteitä, jotka ovat kausittaisesti saatavilla. Tarkoituksena olisi tuottaa tasaisesti biokaasua, mutta se on haasteellista, jos reaktoriin syötetään erilaista materiaalia riippuen vuodenajasta. Prosessiolosuhteiden ja kuormituksen pitäisi pysyä tasaisena, jotta biokaasulle saataisiin suuri saanti. Vaikka saadut tulokset ovat positiivisia, enemmän tutkimusta kaivattaisiin investoinnin kannattavuuden varmistamiseksi. Erityistä huomiota tulisi antaa reaktorimallille. Tämä diplomityö osoittaa, että biotalous on teknis-taloudellisesti kestävä toteuttaa Suomen pohjoisissa osissa. Työssä esitelty biokaasulaitoskonsepti olisi monistettavissa samankaltaisille alueille. Työ tehtiin osana RECENT (Renewable Community Empowerment in Northern Territories) –projektia.
see all

Subjects:
Copyright information: © Joonas Alaraudanjoki, 2016. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.