Biomass Resource Allocation for Bioenergy Production on Cutaway Peatlands with Geographical Information (GI) Analyses

Viime vuosina ruokohelven (Phalaris arundinacea) käyttö polttolaitoksissa on vähentynyt merkittävästi johtuen teknisistä ja taloudellisista haasteista. Tilanne johti siihen, että huomattava määrä myös turvetuotannosta vapautuvia suopohjia jäi pois intensiivisestä ruokohelven viljelystä. Tästä huolimatta suopohjia vapautuu edelleen tuhansia hehtaareja vuodessa, mikä tarjoaisi mahdollisuuden viljellä energiakasveja kestävästi ilman kilpailua ruoantuotannon kanssa. Työn tavoitteena oli arvioida vaihtoehtoista käyttöä suopohjille bioenergiantuotannon, eli tässä tapauksessa tuoreen ruokohelven kasvatuksen muodossa. Tutkimuksessa selvitettiin, mitkä olisivat tälle toiminnalle otollisimmat alueet kansallisella ja alueellisella tasolla, ja lopulta bioenergian tuotantolaitosten sijainninoptimointi tehtiin paikallisella tasolla suomalaisella tutkimusalueella. Tutkimuksessa selvisi, että tuoreena korjattu ruokohelpi voi olla kannattava energiakasvi suopohjilla, jos sen viljely on optimoitu. Perinteiseen polttoketjuun verrattuna tuorekorjattu ruokohelpi mahdollistaa suurempia biomassasaantoja, alemman ligniinipitoisuuden ja paremman sulavuuden biokaasuntuotannossa. Turvetuotantoalueiden soveltuvuutta arvioitaessa todettiin, että Suomessa vuoteen 2045 mennessä turvetuotannosta vapautuvasta suopohjasta teoreettisesti noin 300 km2 soveltuisi energiakasvien tuotantoon biokaasuntuotantoa varten. Tältä alueelta olisi mahdollista saada energiakasveja yli 100 Gg (kuiva-aine) vuodessa, mikä olisi bruttoenergiana n. 300 GWh. Erityisesti Pohjois- ja EteläPohjanmaa ovat potentiaalisia paikkoja, koska siellä on kansallisella tasolla paljon turvetuotantoalueita sekä mahdollisuuksia maatilakohtaisille biokaasulaitoksille. Niinpä jatkotutkimuksia tehtiin eteläpohjalaisella tutkimusalueella, jossa suopohjien omistajista hankittiin lisätietoja kyselylomakkeella ja havaittiin, että suopohjien maanomistajat ovat kiinnostuneita bioenergiaa kohtaan ja he suosivat metsänkasvatusta jälkikäyttömenetelmänä. Opinnäytetyön loppuosassa määritettiin usealle biomassavaihtoehdolle soveltuvien biokaasulaitosten ja puulle tarvittavien terminaalien sijainteja tutkimusalueella. R- ja ArcGIS-ohjelmistoilla löydettiin 13 maatilakohtaisen (> 100 kW) ja 8 keskitetyn biokaasulaitoksen (> 300 kW) sekä kahden potentiaalisen puuterminaalin optimaalinen sijainti. Näitä työkaluja voitaisiin soveltaa erilaisiin biomassoihin ja hyödyntää niitä bioenergialaitosten sijainnin suunnittelussa myös muissa maissa.In recent years, technical and economic challenges in combustion of spring harvested dry reed canary grass (RCG, Phalaris arundinacea) has led into a situation where a significant amount of cutaway peatlands were out of intensive RCG growing in Finland. At the same time, thousands of hectares of cutaway peatlands were released annually from peat extraction, which still would allow energy crop growing without competition with food production. The objective of this work was to assess alternative uses for the cutaway peatlands for fresh RCG growing for bioenergy production. It was studied where are the most favourable areas for such practices at national and regional level and finally location optimization of bioenergy plants was made in a local scale inside a Finnish study area. In this work, fresh harvested RCG was shown to be a feasible energy crop on the cutaway peatlands if the cultivation is optimized. Compared to the traditional RCG combustion, fresh harvested RCG can have higher biomass yields, lower lignin content and better digestibility in biogas process. Land suitability assessment showed that, theoretically, ca. 300 km2 of future cutaway peatlands are suitable for biogas energy crop production by 2045 in Finland. It could be possible to grow energy crops, over 100 Gg total solids (TS) a year and having biogas potential of ca. 300 GWh. Especially, North and South Ostrobothnia regions are potential locations for this practice due to high peat extraction intensity in national level. Consequently, the precise local potential of cutaway peatlands was studied also with a questionnaire in a case study area in South Ostrobothnia. It was found that landowners of the cutaway peatlands are interested in bioenergy production, and they usually prefer forestry as an after-use method. In the final part of the thesis, bioenergy plant location optimization was done with multiple feedstocks including a biogas plant scenario and a wood terminal scenario. The R and ArcGIS software programs were used to identify potential locations for 13 farmscale biogas plants (>100 kW) and 8 centralized biogas plants (>300 kW), and two potential wood terminals. These tools could be applied for different biomass resources and used in relevant decision makings to plan the locations of bioenergy plants in other countries as well. Keywords: Circular economy, decentralized renewable energy production, bioenergy planning, geographic information systems, location allocatio

Biomass Resource Allocation for Bioenergy Production on Cutaway Peatlands with Geographical Information (GI) Analyses

Viime vuosina ruokohelven (Phalaris arundinacea) käyttö polttolaitoksissa on vähentynyt merkittävästi johtuen teknisistä ja taloudellisista haasteista. Tilanne johti siihen, että huomattava määrä myös turvetuotannosta vapautuvia suopohjia jäi pois intensiivisestä ruokohelven viljelystä. Tästä huolimatta suopohjia vapautuu edelleen tuhansia hehtaareja vuodessa, mikä tarjoaisi mahdollisuuden viljellä energiakasveja kestävästi ilman kilpailua ruoantuotannon kanssa. Työn tavoitteena oli arvioida vaihtoehtoista käyttöä suopohjille bioenergiantuotannon, eli tässä tapauksessa tuoreen ruokohelven kasvatuksen muodossa. Tutkimuksessa selvitettiin, mitkä olisivat tälle toiminnalle otollisimmat alueet kansallisella ja alueellisella tasolla, ja lopulta bioenergian tuotantolaitosten sijainninoptimointi tehtiin paikallisella tasolla suomalaisella tutkimusalueella. Tutkimuksessa selvisi, että tuoreena korjattu ruokohelpi voi olla kannattava energiakasvi suopohjilla, jos sen viljely on optimoitu. Perinteiseen polttoketjuun verrattuna tuorekorjattu ruokohelpi mahdollistaa suurempia biomassasaantoja, alemman ligniinipitoisuuden ja paremman sulavuuden biokaasuntuotannossa. Turvetuotantoalueiden soveltuvuutta arvioitaessa todettiin, että Suomessa vuoteen 2045 mennessä turvetuotannosta vapautuvasta suopohjasta teoreettisesti noin 300 km2 soveltuisi energiakasvien tuotantoon biokaasuntuotantoa varten. Tältä alueelta olisi mahdollista saada energiakasveja yli 100 Gg (kuiva-aine) vuodessa, mikä olisi bruttoenergiana n. 300 GWh. Erityisesti Pohjois- ja EteläPohjanmaa ovat potentiaalisia paikkoja, koska siellä on kansallisella tasolla paljon turvetuotantoalueita sekä mahdollisuuksia maatilakohtaisille biokaasulaitoksille. Niinpä jatkotutkimuksia tehtiin eteläpohjalaisella tutkimusalueella, jossa suopohjien omistajista hankittiin lisätietoja kyselylomakkeella ja havaittiin, että suopohjien maanomistajat ovat kiinnostuneita bioenergiaa kohtaan ja he suosivat metsänkasvatusta jälkikäyttömenetelmänä. Opinnäytetyön loppuosassa määritettiin usealle biomassavaihtoehdolle soveltuvien biokaasulaitosten ja puulle tarvittavien terminaalien sijainteja tutkimusalueella. R- ja ArcGIS-ohjelmistoilla löydettiin 13 maatilakohtaisen (> 100 kW) ja 8 keskitetyn biokaasulaitoksen (> 300 kW) sekä kahden potentiaalisen puuterminaalin optimaalinen sijainti. Näitä työkaluja voitaisiin soveltaa erilaisiin biomassoihin ja hyödyntää niitä bioenergialaitosten sijainnin suunnittelussa myös muissa maissa.In recent years, technical and economic challenges in combustion of spring harvested dry reed canary grass (RCG, Phalaris arundinacea) has led into a situation where a significant amount of cutaway peatlands were out of intensive RCG growing in Finland. At the same time, thousands of hectares of cutaway peatlands were released annually from peat extraction, which still would allow energy crop growing without competition with food production. The objective of this work was to assess alternative uses for the cutaway peatlands for fresh RCG growing for bioenergy production. It was studied where are the most favourable areas for such practices at national and regional level and finally location optimization of bioenergy plants was made in a local scale inside a Finnish study area. In this work, fresh harvested RCG was shown to be a feasible energy crop on the cutaway peatlands if the cultivation is optimized. Compared to the traditional RCG combustion, fresh harvested RCG can have higher biomass yields, lower lignin content and better digestibility in biogas process. Land suitability assessment showed that, theoretically, ca. 300 km2 of future cutaway peatlands are suitable for biogas energy crop production by 2045 in Finland. It could be possible to grow energy crops, over 100 Gg total solids (TS) a year and having biogas potential of ca. 300 GWh. Especially, North and South Ostrobothnia regions are potential locations for this practice due to high peat extraction intensity in national level. Consequently, the precise local potential of cutaway peatlands was studied also with a questionnaire in a case study area in South Ostrobothnia. It was found that landowners of the cutaway peatlands are interested in bioenergy production, and they usually prefer forestry as an after-use method. In the final part of the thesis, bioenergy plant location optimization was done with multiple feedstocks including a biogas plant scenario and a wood terminal scenario. The R and ArcGIS software programs were used to identify potential locations for 13 farmscale biogas plants (>100 kW) and 8 centralized biogas plants (>300 kW), and two potential wood terminals. These tools could be applied for different biomass resources and used in relevant decision makings to plan the locations of bioenergy plants in other countries as well. Keywords: Circular economy, decentralized renewable energy production, bioenergy planning, geographic information systems, location allocatio

A home-scale biogas reactor for circular economy education : A handbook for low-tech biogas technology applications

Tämän kirjan tarkoitus on antaa yleiskuva biokaasuntuotannosta sekä sen soveltamisesta pienessä mittakaavassa opetuskäyttöön. Biokaasu on uusiutuvan energian lähde, joka tukee monin tavoin kestävää kehitystä ja kiertotaloutta. Biokaasu on anaerobisen hajoamisen tuote, jota voidaan käyttää polttoaineena. Biokaasu voidaan tuottaa monista orgaanisista biomassoista, kuten lannasta tai biojätteistä, ja siksi sillä on suuri potentiaali korvata fossiilisia polttoaineita erityisesti kehittyvissä maissa. Jokainen meistä tuottaa jätteitä ja niistä ei yleensä tarvitse maksaa. Erilaisia orgaanisia jätejakeita syntyy suhteellisen tasaisesti, mikä mahdollistaa tasaisen energian saannon. Myös mädätejäännös voidaan hyödyntää kierrätyslannoitteena. Pienen mittakaavan biokaasuntuotanto on energia- ja ympäristötehokasta trooppisissa maissa, kuten Afrikassa, eteläisessä Aasiassa tai Väli- ja Etelä-Amerikassa, jossa se tukee lannoite- ja energiaomavaraisuutta sekä tehostaa jätehuoltoa. Biokaasu palaa puhtaasti, millä on vaikutuksia myös sisäilman terveyteen esimerkiksi korvattaessa polttopuita. Biokaasuntuotanto on biologinen prosessi. Lämpö on biokaasuntuotannossa tärkeä tekijä, koska mikrobit tarvitsevat toimiakseen suotuisat olosuhteet. Prosessi ei kompostoinnista poiketen itsessään tuota lämpöä. Suomessa on liian kylmä ilmasto, jotta reaktori voisi toimia ilman lisälämmitystä. Suomessa tämän teoksen ohjeita voidaan kuitenkin hyödyntää harrastemielessä sekä osana koulutusta. Tämä kirja onkin tehty oppimateriaaliksi kaikille, jotka ovat kiinnostuneet pienen mittakaavan biokaasuntuotannosta. Oppimateriaalia voi käyttää erityisesti ammatti- ja korkeakouluasteella opetuksen tukena. Kirja on syntynyt pääasiassa kirjoittajan oman ympäristöteknillisen koulutuksen ja kokemusten tuloksena. Myös erilaisia taustalähteitä on hyödynnetty paljon.The purpose of this book is to give an overview of biogas production and its application on a small scale for education. Biogas is a product of anaerobic degradation that can be used as a fuel. Biogas is a source of renewable energy that supports many ways of sustainable development and circular economy. Biogas can be produced from many organic biomasses, such as manure or biowaste, and therefore it has great potential to replace fossil fuels, especially in developing countries. Everyone produces waste and normally you don’t have to pay for it, unlike fossil fuels and firewood. Usually, organic waste are produced evenly, which also allows for a steady energy yield and the digestate can be utilized as a fertilizer. Small-scale biogas production is energy and eco-efficient in tropical countries such as Africa, South Asia or Central and South America, where it supports fertilizer and energy self-sufficiency and improves waste management. Biogas burns cleanly, which also has an impact on indoor air health. Biogas production is a biological process and heat is an important factor in biogas production because the process requires heat and it does not produce heat itself. In Finland, the climate is too cold for the reactor to operate without extra heating. In Finland, however, these guidelines can be used in recreational activities and as part of education. This book has been made as a learning material for anyone interested in small-scale biogas production. Learning materials can also be used in vocational or higher education to support teaching. The book was born mainly as a result of the author’s own academic environmental education and experience. Various background sources have also been refered