Activity-based costing method in forest industry : modelling the production and costs of sawing, the pulp and paper industry, and energy production

Finnish forest industry purchases 50 million cubic meters of wood annually. This means that the economic importance of the business is significant to forest owners. Sawmills, pulp and paper industry, and energy production are most common targets of the wood raw material. It is in mutual interest of both forest owners and the industry that the wood is allocated to right use according to the highest possible value-adding. The path of wood from forest to customers can be described as a value chain where the links are formed of harvesting and forwarding, long distance transportation, wood processing and energy use, and delivery to final customers. This dissertation focuses on the links of wood processing and energy use of the wood value chain by modelling production and costs of sawmill, pulp mill, paper mill, and combined heat and power (CHP) plant. The modelling was done by using activity-based costing (ABC), where the production is divided into processes and the production costs of each process are allocated to products or services according to resource consumption. Finally, all process costs are summed for total production costs of each cost object. The production and cost models were tested with virtual mills. The processes, the resources and the necessary cost factors of production were determined for test calculations. Finally, the capital, the labor, and the energy costs were allocated to the cost objects, which were both the raw materials and the end products. When comparing different mills and their production processes, it was noticed clearly that drying was an expensive process in sawmilling, pulping and papermaking. When focusing on cost factors of each mill, it was noteworthy that the sawing pattern affects the costs of a sawmill, energy production affects the costs of pulp and paper industry, and, likewise the utilization rate affects the combined heat and power plant. Profitability analyses were also made on the pulp mill, the paper mill and the CHP plant in varied market situations. One key finding was that in papermaking, the change of market price of paper was more significant to economics of the mill than a similar change in the market price of energy. The results of this dissertation can be used in estimating the economic performance of forest industry. Process-based approach helps in finding possible bottlenecks and in developing the production systematically. The findings of this study can also be used in finding the most profitable route for wood from the forest to customers.Metsäteollisuus maksaa suomalaisille metsänomistajille noin 1,6 miljardia euroa kantorahatuloja vuosittain. Suurin osa kotimaisesta 50 miljoonan kuutiometrin raakapuumäärästä päätyy sahatavaraksi, selluksi, paperiksi sekä energiaksi. Metsäteollisuuden tavoite on ohjata ketjun puuvirtoja eri tehtaille taloudellisesti parhaimmalla mahdollisella tavalla. Puun matkaa metsästä tehtaalle voidaan kuvata arvoketjuna, jossa lenkit muodostuvat puun korjuusta metsässä, kuljetuksesta metsästä tehtaalle, jalostuksesta tehtaalla ja toimituksesta asiakkaalle. Tämä väitöskirjatutkimus keskittyi tutkimaan arvoketjun jalostuslenkkejä, eli sahan, sellutehtaan, paperitehtaan ja sähkö- ja lämpöenergian yhteistuotantolaitoksen tuotanto- ja kustannusrakenteita. Mallinnusmenetelmänä oli toimintoperusteinen kustannuslaskenta. Toimintoperusteisessa kustannuslaskennassa tutkittavan laitoksen tuotanto jaetaan osiin eli prosesseihin, joille kullekin tehdään oma kustannuslaskelma. Jokaisen prosessin kustannukset kohdistetaan tuotteille tai palveluille niiden tuotannossa kulutettujen resurssien mukaan. Lopuksi jokaisen prosessin kustannukset lasketaan yhteen ja näin tutkimuskohteille saadaan keskenään vertailukelpoiset kokonaiskustannukset. Laskentamalleja testattiin kokeellisesti niin sanotuilla virtuaalilaitoksilla. Jokaiselle laitokselle määriteltiin prosessit, joille määriteltiin pääoma-, energia- ja työvoimakustannukset, jotka lopuksi kohdistettiin sekä raaka-aineille että lopputuotteille. Vertailtaessa laitosten kustannusrakenteita keskenään voitiin huomata, että erityisesti kuivaus aiheuttaa merkittävät kustannukset sahatavaran, sellun ja paperin tuotannoissa. Laitoskohtaisista tekijöistä sahausasete vaikutti merkittävästi sahauksen, energian tuotanto sellu- ja paperiteollisuuden ja kapasiteetin käyttöaste lämpölaitoksen tuotantokustannuksiin. Laskelmissa selvitettiin myös sellun, paperin ja energian tuotantojen kannattavuutta tietyissä markkinatilanteissa. Esimerkiksi paperitehtaalla paperin markkinahinnan muutos vaikutti tehtaan kannattavuuteen enemmän kuin energian markkinahinnan vastaava muutos. Tämän väitöskirjan tulokset auttavat selvittämään metsäteollisuuden taloudellista suorituskykyä ja prosessiperusteinen kustannusanalyysi auttaa löytämään mahdollisia kehittämiskohteita tuotantolaitosten toiminnoissa. Tuloksia voidaan hyödyntää osaltaan myös puuvirtojen ohjauksen suunnittelussa

Lentolaserkeilaukseen ja Trestima-menetelmään perustuvien puustotunnusten hyödyntäminen puutavaralaji- ja rungonosahinnoittelumenetelmien vertailussa

Rungonosahinnoittelu on uusi vaihtoehto puukauppamenetelmäksi perinteisen puutavaralajimenetelmän rinnalle. Rungonosahinnoittelussa puu jaetaan rungon läpimitan mukaan osiin, ja jokaiselle osalle on määritelty kuutiometriperusteinen yksikköhinta. Merkittävin ero puutavaralajimenetelmään on, että puun ostaja saa katkoa rungon vapaasti haluamiinsa pituuksiin, koska puun myyjä saa kantorahan rungonosien tilavuuksien ja yksikköhintojen tulon perusteella, eikä katkotun puutavaran mukaan. Puukauppaan liittyvä päätöksenteko perustuu nykyisin suurilta osin kaukokartoituksen avulla tuotettuun metsävaratietoon tai leimikolta tehtyihin ennakkomittauksiin. Tässä tutkimuksessa selvitettiin lentolaserkeilaukseen (Airborne laser scanning, ALS), sekä Trestima sovelluksen käyttökelpoisuutta puukauppatilanteen hakkuukertymien arviointiin puutavaralaji- ja rungonosahinnoittelumenetelmillä. Tutkimuksessa laskettiin kokonaiskantorahatulot seitsemälle leimikolle käyttäen ennakkomittaustietoina sekä ALS- että Trestima-aineistoihin perustuvia puustotulkintoja ja kauppamenetelminä rungonosahinnoittelua ja puutavaralajimenetelemää. Rungonosahinnoittelun yksikköhinnat pyrittiin määrittelemään siten, että leimikoiden keskimääräiset hinnat olisivat mahdollisimman lähellä puutavaralajihinnoittelua. Kaukokartoitus- ja ennakkomittausten epätarkkuudet erityisesti runsaspuustoisissa sekametsissä aiheuttivat virhearvioita kantorahatuloennusteisiin sekä ALS- että Trestima-aineistoihin perustuvia puustotulkintatietoja käytettäessä. Tässä tutkimuksessa käytettyjen rungonosa -ja puutavaralajihinnoittelumenetelmien ja niissä käytettyjen hintojen perusteella, ero kahden hinnoittelumenetelmien välillä oli noin kaksi prosenttia koko leimikkoaineistossa. Tulosten perusteella rungonosaluokkien hintojen onnistunut asettaminen onkin tärkeää, jotta teollisuuden puustamaksukyvyssä ei tapahdu vinoutumia, joissa jokin puunjalostuslaitos joutuu maksamaan puun käyttöarvoon nähden liian suurta hintaa. Puusta maksetaan toteutuneen hakkuun mukaan, joten ennakkomittausten virheet aiheuttavat enemmän ongelmia puun ostajalle, mikäli ennakkotiedon perusteella halutaan suunnitella tuotantoa. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella suurin osa rungonosahinnoittelun riskeistä on metsäteollisuudella. Toisaalta puuta jalostavien yritysten elinvoimaisuuden kannalta olisi tärkeää, että puukauppa on jatkuvaa ja sekä myyjä että ostaja kokevat kantohinnat tasapuolisina, mikä tämän tutkimuksen tulosten perusteella on täysin mahdollista. Menetelmän läpinäkyvyys ja informaation jakaminen ovat avainasioita, mikäli rungonosahinnoittelua aiotaan käyttää laajemmin puukaupassa.201

Koneellinen hakkuu : Seurantatutkimus

Tutkimuksessa selvitettiin koneellisen hakkuun tuottavuutta ja ajankäytön rakennetta 23 hakkuukoneen tallentaman aineiston avulla. Hakkukertymä oli yhteensä 626 000 m3 ja se oli peräisin 1 573 korjuulohkolta eri puolilta maata. Hakkuun keskimääräinen tuotantoaikatuottavuus oli 15,0 m3/h. harvennuksilla se oli 10,2 m3/h ja päätehakkuilla 22,1 m3/h. Tuotantoaika käsittää käyttöajan lisäksi kaikki keskeytykset. Hakkuupoistuman keskimääräinen runkotilavuus oli 198 dm3 (harvennukset 127 dm3, päätehakkuut 327 dm3). Rungon keskitilavuus oli harvennuksilla huomattavasti pienempi kuin 1990-luvun alussa, jolloin tehtiin edellinen julkinen koneellisen puunkorjuun seurantatutkimus. Rungon keskitilavuus oli Pohjois-Suomessa pienempi kuin muilla alueilla, varsinkin päätehakkuilla. Hakkuun tuottavuus on noussut harvennuksilla suhteellisesti enemmän kuin päätehakkuilla. Hakkuun ajanmenekkiä, polttoaineen kulutusta ja niihin vaikuttavia tekijöitä tutkittiin koneoppimisen avulla erillisissä osa-aineistoissa, joita jouduttiin muodostamaan ajanseuranta-aineiston konemerkkikohtaisten erojen ja vaihtelevien tallennusparametrien vuoksi. Lisäksi selvitettiin kantokäsittelyliuoksen kulutusta. Rungon keskitilavuus ja hakkuutapa olivat tärkeimmät ajanmenekkiä selittävät tekijät. Työskentelytavan mukauttaminen hakkuutähteen talteenottoa varten alensi kuusivaltaisilla avohakkuilla tuottavuutta noin kymmenellä prosentilla. Tuotantoajan polttoaineenkulutus oli keskimäärin 0,9 l/m3 (rungon keskitilavuus 220 dm3), ja kantokäsittelyliuosta kului keskimäärin 0,6 l hakattua havupuukuutiometriä kohti (rungon keskitilavuus 256 dm3). Hakkuun tuottavuudesta ja polttoaineenkulutuksesta saadut tulokset viittaavat siihen, että suuria hakkuukoneita käytettiin osittain niiden optimaalisen käyttöalueen ulkopuolella.201

Electrical impedance and image analysis methods in detecting and measuring Scots pine heartwood from a log end during tree harvesting

Scots pine (Pinus sylvestris L.) heartwood is naturally durable wood material which has not been fully utilized in the wood industry. Currently, there are no practical measurement methods for detecting and measuring heartwood in a tree harvesting. The objective of this study was to evaluate the applicability of an electrical impedance spectroscopy and an image analysis of a log end face for pine heartwood measurements from the harvesting perspective. Both methods were tested with a fresh wood material which was collected during the harvesting operations. The results indicate that both methods have potential to measure the heartwood from processed stems with an average heartwood diameter error being less than two centimeters for each method. However, the image analysis of the log end face is only appropriate when visible contrast between the heartwood and a sapwood exists. Our findings indicate that the studied heartwood detection methods show great potential in measuring the heartwood of the stem in the harvesting phase which would ideally benefit later links in wood value chains.Peer reviewe

Wheel rut measurements by forest machine-mounted LiDAR sensors - accuracy and potential for operational applications?

Soil rutting caused by forest operations has negative economic and ecological effects and thus limits for rutting are set by forest laws and sustainability criteria. Extensive data on rut depths are necessary for post-harvest quality control and development of models that link environmental conditions to rut formation. This study explored the use of a Light Detection and Ranging (LiDAR) sensor mounted on a forest harvester and forwarder to measure rut depths in real harvesting conditions in Southern Finland. LiDAR-derived rut depths were compared to manually measured rut depths. The results showed that at 10-20 m spatial resolution, the LiDAR method can provide unbiased estimates of rut depth with root mean square error (RMSE) < 3.5 cm compared to the manual rut depth measurements. The results suggest that a LiDAR sensor mounted on a forest vehicle can in future provide a viable method for the large-scale collection of rut depth data as part of normal forestry operations

Increased fly ash utilization - value addition through forest road reconstruction

201

Log end face image and stem tapering indicate maximum bow height on Norway spruce bottom logs

In cut-to-length logging, the harvester operator adjusts the bucking in accordance with visible defects on processed stems. Some of the defects, such as a sweep on the bottom of the stem, decrease the yield and quality of sawn products and are difficult for the operator to notice. Detecting the defects with improved sensors would support the operator in his qualitative decision-making and increase value recovery of logging. Predicting the maximum bow height of the bottom log in Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) with log end face image and stem taper was investigated with two modelling approaches. A total of 101 stems were selected from five clear-cut stands in southern Finland. The stems were crosscut and taper measured, and the butt ends of the bottom logs were photographed. The stem diameter, out-of-roundness, and pith eccentricity were measured from the images while the max. bow height was measured by a 3D log scanner at a sawmill. The bottom logs with an eccentric pith had higher max. bow height. In addition, a highly conical bottom part of the stem was more common on the bottom logs with a large max. bow height. Applying both log end face image and stem taper measurements gave the best model fit and detection accuracy (76%) for bottom logs with a large max. bow height. The results indicate that the log end face image and stem taper measurements can be utilised to aid harvester operator in deciding an optimised length for logs according to the bow height.Peer reviewe