JultikaUniversity of Oulu repository

The development of sustainable and decentralized energy systems to support energy insecurities in rural communities is the pathway to the future. This thesis work was conducted within the framework of Renewable Community Empowerment in Northern Territories (RECENT), funded by the Northern Periphery and the Arctic Programme (NPA). The ultimate objective of the RECENT project has been to increase energy awareness in rural communities by utilizing the locally abundant energy materials. The thesis aimed to analyze and quantify the energy potentials from agricultural biomass and to determine the sustainability of the proposed solutions. Triangel resort is a yet to be established silence retreat center located at the suburb of Oulu, Finland, to which this thesis work sized the energy need of the cottages. The thesis work also carried out a financial feasibility in order to determine the viability of the biogas plant. As far as decentralized energy systems are concerned, the biogas plant would help to improve local energy self-sufficiency due to the absence of transmission losses. As part of the thesis work, a couple of research questions were formulated and critically examined during the experimental phase. These research questions were closely linked to the project core values: What are the sustainability-related issues on social, economic, and environmental factors of the biogas plant? Is the plant realistically capable of fulfilling the maximum energy demands of Triangel resort? In a quest to find the appropriate solutions to the questions, the thesis work was put in two main categories, the theoretical and experimental part. These two main chapters explained the critical issues related to the project. In the course of the theoretical part, a sustainable rural tourism experience was explored. The trends of renewable energy potentials in the Finnish energy sector was considered. Local energy situations including resources abundance in the Northern Ostrobothnia region was assessed. A general review of the anaerobic digestion process was done and compared with the Triangel biogas plant. The policy directives on bioenergy production, financial grants such as feed-in-tariffs, and environmental permits for biogas plants in Finland were reviewed. The experimental part began with a description of the pilot community thus, the existing and future situation at the studied location. Biomass availability at the Triangel resort was analyzed, and the biogas potentials were ascertained. The bioreactors were sized based on the feedstock availability and properties. The feedstocks to be used for the biogas plant in this thesis work were cow slurry expected from 50 cattle, energy crops to be harvested from 60 ha of farmland, and food waste from a hotel and the cottages. The overall feedstock quantity was estimated to be around 1000 ton/a, and a volume of about 3 800 m³/a. There are twenty cottages at the Triangel resort that comprise of ten smaller and ten larger ones, which are estimated to cover a total land space of about 1 350 m². The energy demand for heating the cottages to 50% and 100% occupancy were estimated to be 89 MWh/a, and 179 MWh/a respectively. The total electricity consumption of the cottages has been evaluated to be 36 MWh/a. The theoretical biomethane quantity of the feedstock was estimated to be 38 094 m³ annually, and the energy equivalence was evaluated to be approximately 380 MWh/a, for both heat and electricity. The energy production capacity of the biogas plant was expected to cover about 100% needs of the Triangel cottages. The sustainability assessment of the project showed an indication of environmental success. The investment payback period of the biogas plant was estimated to be around 8.4 years. The project was estimated to contribute to CO2 savings potential of about 87.3 tons/a, and a total of 1 700 tons reduction during the 20 years life cycle of the project.

Kestävien ja hajautettujen energiajärjestelmien kehittäminen maaseutuyhteisöille energiavarmuuden tukemiseksi on polku tulevaisuuteen. Tämä opinnäytetyö tehtiin osana Renewable Community Empowerment in Northern Territories (RECENT) -hanketta, joka oli rahoitettu Northern Periphery and the Arctic Programme (NPA) -ohjelmasta. RECENT-hankkeen perimmäinen tavoite on ollut lisätä maaseutuyhteisöjen energiatietoisuutta hyödyntämällä paikallisesti runsaita energialähteitä. Opinnäytetyön tarkoituksena oli analysoida ja mitata maatalouden biomassan energiapotentiaalia ja selvittää työssä ehdotettujen ratkaisujen kestävyyttä. Triangel-lomakeskus on Oulun maaseudulle perusteilla oleva hiljaisuuden keskus, jonka mökkien energiankulutusta tämä diplomityö mitoitti. Opinnäytetyö selvitti myös biokaasulaitoksen taloudellista toteutettavuutta sen elinkykyisyyden määrittämiseksi. Hajautettujen energiaratkaisujen osalta biokaasulaitos auttaisi parantamaan paikallista energiaomavaraisuutta siirtohäviöiden puuttumisen vuoksi. Kahta tutkimuskysymystä tutkittiin kriittisesti kokeellisessa osassa osana opinnäytetyötä. Nämä tutkimuskysymykset liittyivät läheisesti hankkeen ydinarvoihin: Mitkä ovat biokaasulaitoksen sosiaalisten, taloudellisten ja ympäristötekijöiden kestävyyteen liittyvät asiat? Onko laitos realistisesti kykenevä kattamaan Triangel-lomakeskuksen maksimienergiantarpeet? Opinnäytetyö koostuu kahdesta osasta, teoreettisesta ja kokeellisesta, jotta saatiin tarkoituksenmukaisia ratkaisuja esitettyihin kysymyksiin. Nämä kaksi osaa selvittivät hankkeelle kriittisiä asioita. Teoreettisessa osassa kartoitettiin kestävää maaseutumatkailumatkailua. Uusiutuvien energiamuotojen suuntauksia Suomen energiasektorilla tarkasteltiin, ja paikallista energiatilannetta arvioitiin, mukaan lukien energiavarojen runsaus Pohjois-Pohjanmaalla. Työssä tehtiin yleiskatsaus anaerobisen mädättämön toimintaan ja verrattiin sitä Triangelin biokaasulaitokseen. Lisäksi tarkasteltiin bioenergian tuotantoa koskevia poliittisia säädöksiä, taloudellisia avustuksia (kuten syöttötariffeja) sekä biokaasulaitosten ympäristölupia Suomessa. Kokeellinen osa alkoi pilottiyhteisön kuvauksella eli tutkittavan alueen nykyisen ja tulevan tilanteen selvittämisellä. Biomassan saatavuus Triangel-matkailukeskuksessa analysoitiin ja sen biokaasupotentiaali arvioitiin. Bioreaktorit mitoitettiin lähtöaineiden saatavuuden ja ominaisuuksien perusteella. Tämän opinnäytetyön biokaasulaitoksen käyttämiä raaka-aineita olivat lehmän liete, joka on odotettavissa 50 naudasta, energiakasvit 60 hehtaarin viljelyalueelta sekä ruokajätteet hotellista ja mökeistä. Raaka-aineen kokonaismäärän arvioitiin olevan noin 1000 tonnia vuodessa ja kokonaistilavuuden noin 3 800 m³ vuodessa. Triangel-lomakeskuksessa on kaksikymmentä mökkiä, kymmenen pientä ja kymmenen suurta, joiden arvioitiin olevan pinta-alaltaan yhteensä noin 1 350 m². Mökkien lämmitysenergian tarve 50% ja 100% käyttöastella olisi 89 MWh vuodessa ja 179 MWh vuodessa, vastaavasti. Mökkien kokonaissähkönkulutuksen arvioitiin olevan 36 MWh vuodessa. Raaka-aineen teoreettisen biometaanimäärän arvioitiin olevan vuosittain 38 094 m³ ja energiaekvivalentin noin 380 MWh vuodessa sekä lämmön että sähkön osalta. Biokaasulaitoksen energiantuotantokapasiteetin odotettiin kattavan noin 100 prosenttia Triangelin mökkien energiantarpeista. Hankkeen kestävyysarviointi osoitti hankkeen olevan ympäristön kannalta kestävä. Biokaasulaitoksen investointien takaisinmaksuaika oli arviolta noin 8,4 vuotta. Hankkeen hiilidioksidipäästöjen vähentämispotentiaalin arvioitiin olevan noin 87,3 tonnia vuodessa ja 1 700 tonnia hankkeen 20 vuoden elinkaaren aikana.