Bioenergy is one of many contributors to reducing the use of fossil fuels in order to mitigate climate change by decreasing CO2-emissions, and the potential for biofuels are large. The wood fuel pellets are a refined biofuel made of sawdust, which is dried and compressed to achieve improved fuel and transportation properties. In 2007 the amount of wood fuel pellets used for heating purposes in Sweden was 1715000 tons. The aims of this work was: to examine the moisture content and emission of monoterpenes during the drying and pelletising steps of the pellets production (Paper I); to investigate how the recirculation of drying gases affects the energy efficiency of rotary dryers and how the energy efficiency is related to the capacity of the dryer. (Paper II); to analyse the causes of the problems encountered by household end-users of pellets and investigate whether an improved pellet quality standard could reduce these problems (Paper III); to investigate how the energy consumption of the pelletising machine and chosen pellet quality parameters were affected using an increased amount of rapeseed cake in wood fuel pellets (Paper IV); and to identify gaps of knowledge about wood fuel pellet technology and needs for further research on quality, environmental and health aspects throughout the wood fuel pellet chain, from sawdust to heat. (Paper V).

De nyttor som människan får direkt och indirekt från ekosystemen kallas ekosystemtjänster. Mänsklighetens påverkan på ekosystemen idag leder till degradering av tjänsterna och då mänskligheten ytterst är beroende av vad de tillför, är bevarandet av dessa tjänster viktig. Livscykelanalys, LCA, är ett väletablerat verktyg som används för att fastställa miljöpåverkan från olika produktprocesser men få ekosystemtjänster beaktas i LCA. Det finns därför ett behov av att vidare undersöka och utveckla möjligheterna att med livscykelbaserade metoder analysera påverkan på ekosystemtjänster. Huvudsyftet med denna studie har varit att undersöka om det är möjligt att integrera ekosystemtjänstbegreppet i LCA-metodik. Detta har kartlagts med hjälp av en fallstudie på pelletsproduktion, som bl.a. identifierat berörda ekosystemtjänster och möjligheten att kvantifiera dem, vilka ekosystemtjänster som går att studera med LCA idag samt möjliga sätt att analysera påverkan på ekosystemtjänster med LCA. Ett delmål har varit att grundligt beskriva både ekosystemtjänster och LCA samt aspekter som kan koppla ihop dessa områden. En omfattande litteraturstudie och en LCA modellering rörande pelletsproduktion utgjorde grund för arbetet. I dagsläget är det inte möjligt att integrera ekosystemtjänstbegreppet i LCA-metodiken med undantag för de fåtal ekosystemtjänster som i LCA-metodiken redan beaktas i viss utsträckning. Det stora hindret är att det inte finns någon fullständig och enhetlig metodik för kartläggning, klassificering och kvantifiering av ekosystemtjänsterna, vilket anses nödvändigt för att kunna analysera påverkan på dem. Ett stort antal ekosystemtjänster såsom klimatreglering, näringsflöden, biodiversitet och rekreation kan kopplas till pelletsproduktion men påverkan på dem är inte möjlig att fullt ut analysera med LCA. Detta illustreras av LCA-modelleringen av pelletsproduktion där endast påverkan på tjänsterna förnybara energikällor och vattenanvändning ingår. Då kunskapen rörande olika ekosystemtjänster skiljer sig mycket åt varierar förutsättningarna för att inkludera dem i LCA-metodiken. Befintliga tillvägagångssätt för att försöka analysera påverkan på ekosystemtjänster med hjälp av LCA föreslår nya miljöpåverkanskategorier och samlandet av tjänsterna i gemensamma enheter såsom exergi och solekvivalenter. Metoderna är dock begränsade och täcker inte in ekosystemtjänsterna på ett fullgott sätt. Mer forskning behövs för att bättre utveckla tillvägagångsätten för analys av påverkan på ekosystemtjänster genom LCA. / The profits humankind obtains directly and indirectly from ecosystems are called ecosystem services. The impact human activities have on ecosystems lead to degradation of the ecosystem services and since humankind fully depends on what the ecosystems provide, the preservation of these services is crucial. Lifecycle assessment, LCA, is a well-established tool used to assess environmental impacts from different product processes but few ecosystem services are considered. Thus, there is a need to study and develop the possibilities to analyze ecosystem services through LCA based methods. The project aimed to determine whether it is possible to integrate the ecosystem-service concept into LCA-methodology. A case study on pellet production was carried out to identify relevant ecosystem services and the possibilities to quantify them, which ecosystem services that could be analyzed in LCA today and also available approaches to study impacts on ecosystem services with LCA. An intermediate goal was to present a comprehensive description of both ecosystem services and LCA and to map common aspects that connect the two fields. The analysis was based on a comprehensive literature study, and a specific LCA-modeling of pellet production. At present, it is not possible to integrate the ecosystem-service concept into LCA-methodology, except for the few ecosystem services that to some extent already are covered in the methodology. The main obstacle is the lack of coherent approaches to map, classify, and foremost quantify ecosystem services, which is considered crucial for analyzing the impact on them. A large number of ecosystem services such as climate regulation, nutrient cycling, biodiversity and recreation can be influenced by pellet production but it is not possible to fully analyze these impacts with LCA. This is illustrated by the LCA-modeling on pellet production where only impacts on the services renewable resources and water use could be included. The possibilities to analyze ecosystem services within LCA vary due to the variation in knowledge about certain services. The present approaches for analyzing more services with LCA propose new environmental impact categories an aggregation of services into common units such as exergy and solar equivalents. The methods are limited due to the fact that they are not able to cover the diversity of the services. More research is needed to develop the approaches for analyzing impacts on ecosystem services through LCA.

81% of the population in sub-Saharan Africa relies on charcoal and firewood to cover their energy needs for cooking. In Africa charcoal is usually produced by burning tree in a traditional kilns and then the food is cooked with a carbon-fired stoves indoors. All that links to three problems; deforestation, health issues and overpopulation, all of which can be reduced with a pellet cooking stove. Zambia in sub-Saharan Africa consumes charcoal equivalent to 6,089,000 tons of firewood each year. The total consumption of firewood being 13,967,000 tons per year. That leads to harvesting rate between 250,000 and 300,000 hectares each year making Zambia having one of the world’s fastest deforestation rates. Deforestation can be reduced by using the energy from the wood more efficient. In charcoal production and heating with charcoal about 72-86% of the produced energy is released to the atmosphere resulting the efficiency rate of only 14-28%. In comparison pellet production efficiency rate is 70-83%. Therefore if fuel pellets are used for cooking purposes energy instead of charcoal efficiency increases by 42-69% leading to lower need of wood material to cover equal energy demand. In this study five hardwood species and a softwood reference material from Zambia has been evaluated for fuel pellet production purposes. Evaluated hardwood species are Umsafwa, Umupundu, Umusamba, Umwenge and Umutondo. Reference material is already in use for pellet production in Zambia. Evaluation includes pellet production in a single pellet press, post production testing and X-ray examinations for tree different moisture contents; 8%, 10% and 12%. Pellet production includes friction energy, maximal friction energy and compression energy measurements. Post production testing includes density and hardness testing as well as X-ray examinations that indicate the amount of produced ash in the combustion process. High compression energy means higher energy cost in production so low compression energy is a desired property. Umupundu was the only wood species whose moisture content had no effect on the amount of compression energy. Umsamba and Umutondo gave the lowest and Umupundu and Umsafwa the highest compression energies of the tested hardwood pellets. Almost all of the friction energies of the tested materials were close to one another. The biggest exception was Umsafwa with 8% moisture content which had 38% higher friction energy than the reference material on average in this study. The values of the friction energy are low compared with other studies but within the reasonable limits compared with the reference material. A clear linear relationship was found between the friction energy and Fmax, so the friction energy directly implies the magnitude of the force of Fmax. A high hardness value is desirable because high hardness links directly to pellets high durability. All hardwood species tested were harder than the reference material. Ash significantly shortens the service life of the pellet stove, therefore it is desirable to produce as little ash as possible. Umsafwa and Unwenge has the lowest amount of metals that indicates the smallest amount of ash formed when burning pellets. Umsafwa with MC of 12% and Umwenge with MC of 10% are the best mix based on this study. / 81% av befolkningen i Afrika söder om Sahara är beroende av träkol och ved för att täcka sitt energibehov för matlagning. I Afrika produceras träkol vanligtvis genom att träden bränns i en traditionell ugn och sedan tillagas maten med en koleldad spis inomhus. Det leder till tre problem; avskogning, hälsoproblem och överbefolkning, allt detta kan minskas med en pellets spis. I Zambia förbrukar träkol motsvarande 6 089 000 ton ved varje år, och den totala förbrukningen av ved är 13 967 000 ton per år. Det leder till en avverkningstakt på mellan 250 000 och 300 000 hektar varje år vilket gör att Zambia har en av världens snabbaste avskogningshastigheter. Avskogningen kan minskas genom att energin från veden används mer effektivt. Vid produktion och användning av träkol frigörs cirka 72-86% av den producerade energin till atmosfären, vilket resulterar i en användningsgrad på endast 14-28%. Vid pelletstillverkning är motsvarande värde mycket högre, 70-83%. Om bränslepellets används istället för kol för matlagningsändamål ökar därför energieffektiviteten med 42-69%, vilket leder till lägre behov av trämaterial för att täcka lika energibehov. I denna studie har fem lövträslag och ett referensmaterial av barrträd från Zambia utvärderats för produktion av bränslepellets. De utvärderade lövträslag är Umsafwa, Umupundu, Umusamba, Umwenge och Umutondo. Referensmaterialet används redan för pelletstillverkning i Zambia. Utvärderingen inkluderar pelletsproduktion i enpetarpress, efterproduktionstestning och röntgenundersökningar för trädens olika fukthalter; 8%, 10% och 12%. Pelletsproduktion omfattar friktionsenergi, maximal friktionsenergi och mätningar av kompressionsenergi. Testning efter produktion inkluderar densitets- och hårdhetstestning samt röntgenundersökningar som indikerar mängden producerad aska i förbränningsprocessen. Hög kompressionsenergi innebär högre energikostnad i produktionen alltså låg kompressionsenergi är en önskad egenskap. Umupundu var det enda träslag vars fukthalt inte hade någon effekt på mängden kompressionsenergi. Umsamba och Umutondo gav de lägsta och Umupundu och Umsafwa de högsta kompressionsenergierna av de testade lövträpellets. Nästan alla friktionsenergier för de testade materialen låg nära varandra. Det största undantaget var Umsafwa med 8% fukthalt som hade 38% högre friktionsenergi än referensmaterialet i genomsnitt i denna studie. Värdena på friktionsenergierna är låga jämfört med andra studier men inom de tillåtna gränserna jämfört med referensmaterialet. Ett tydligt linjärt beroende hittades mellan friktionsenergin och Fmax, således friktionsenergin antyder direkt storleken på kraften hos Fmax. Ett högt hårdhetsvärde är önskvärt eftersom det kopplas direkt positivt till pellets hållbarhet. Alla lövträslag som testades var hårdare än referensmaterialet. Ask förkortar pelletskaminens livslängd avsevärt, därför är det önskvärt att producera så lite aska som möjligt. Umsafwa och Unwenge har den lägsta mängden metaller som anger den minsta mängd aska som bildas vid förbränning av pellets. Umsafwa med MC på 12% och Umwenge med MC på 10% är den bästa mixen baserat på denna studie.

This dissertation studies a framework in support biomass wood pellet supply chain. The worldwide wood pellet market is growing at a phenomenal rate. However, the economic sustainment of this business depends on how well the producers manage the uncertainty associated with biomass yield and quality. In the first part of the dissertation, we propose a two-stage stochastic programming model that optimizes different critical decisions (e.g., harvesting, storage, transportation, quality inspection, and production decisions) of a biomass-to-pellet supply system under biomass yield and quality uncertainty to economically produce pellets while accounting for the different pellet standards set forward by the U.S. and European markets. The study develops a hybrid algorithm that combines Sample Average Approximation with an enhanced Progressive Hedging algorithm. We propose two parallelization schemes to efficiently speed up the convergence of the overall algorithm. We use Mississippi as a testing ground to visualize and validate the algorithms performance. Experimental results indicate that the biomass-to-pellet supply system is sensitive to the biomass quality parameters (e.g., ash and moisture contents). In the second part of the dissertation, we propose a bi-level mixed-integer linear programming model that captures important features such as the hurricane’s degree, quality of damaged timbers, price-related issues, optimizes different critical decisions (e.g., purchasing, storage, and transportation decisions) of a post-hurricane damaged timber management problem. Lack of efficient tools to manage the wood market interactions in the post-hurricane situation increases timber salvage loss drastically. The overall goal is to provide an efficient decision-making tool for planning and recovering damaged timber to maximize its monetary value and mitigate its negative ecological impacts. Due to the complexity associated with solving the proposed model, we developed two exact solution methods, namely, the enhanced Benders decomposition and the Benders-based branch-and-cut algorithms, to efficiently solve the model in a reasonable time-frame. We use 15 coastal counties in southeast Mississippi to visualize and validate the algorithms' performance. Key managerial insights are drawn on the sensitivity of a number of critical parameters, such as selling/purchasing prices offered by the landowners/mills, quality-level, and deterioration rate of the damaged timbers on their economic recovery following a natural catastrophe.

Denna studie handlar om pelletering som möjlig lönsam marginalaffär vid mindre sågverk/hyvlerier. Studien, vilken skett genom djupintervjuer på plats, omfattar fem olika mindre sågverk/hyvlerier i Småland. Verksamheterna är sinsemellan på många sätt olika men har samtliga satsat på pelletering av ekonomiska skäl och av miljöskäl. Studien visar att pelletering är lönsam men också att det krävs vissa förutsättningar för att långsiktigt nå denna lönsamhet. Den viktigaste är långsiktig tillgång till råvara i form av torrt spån men det krävs även ett genuint intresse och en stor kunskap inom såväl teknik som trä för den som skall pelletera Detta beror på att produktionsprocessen är mycket komplicerad och även beroende av en del yttre omständigheter som t.ex. fukt, kyla och torka. Eftersom komplexiteten, och därmed den initiala personella insatsen är stor, bör man också uppnå vissa minimikvantiteter i produktionen. Studien visar också att det även krävs ett antal övriga element för att pelleteringen skall uppvisa den lönsamhet som en hastig förkalkyl ger vid handen. Klarar man att leva upp till de flesta av dessa finns det goda förutsättningar att pelletering över en konjunkturcykel kan medverka till att förbättra lönsamheten för den typ av mindre anläggningar som studerats. / This study is about pelleting as a possible profitable marginal business for minor saw-mills and planing mills. It has been carried out through in depth interviews of five different minor saw-mills and planing mills in Småland. These businesses are different themselves but all of them have invested in pelleting for financial and environmental reasons. The study shows that pelleting is profitable but also that a number of conditions must be fulfilled to reach profitability in the long run. The most important success factor is long-term access to raw material (dry chip) but the production process also demands a high interest and knowledge in wood and processing technology. This is due to the fact that the process is very complex and also depending on external circumstances like humidity, coldness and dryness. Due to this complexity and that the demand of manpower is rather high one should aim for producing at least a certain minimum quantity. The study also shows that there are a couple of other factors that are needed to be fulfilled to reach the profitability that the pre-calculation indicates. If most of these conditions are fulfilled there are very good possibilities that pelleting over a business cycle can contribute to an improved profitability for the type of businesses that have been studied.

<p>Denna studie handlar om pelletering som möjlig lönsam marginalaffär vid mindre sågverk/hyvlerier. Studien, vilken skett genom djupintervjuer på plats, omfattar fem olika mindre sågverk/hyvlerier i Småland. Verksamheterna är sinsemellan på många sätt olika men har samtliga satsat på pelletering av ekonomiska skäl och av miljöskäl.</p><p>Studien visar att pelletering är lönsam men också att det krävs vissa förutsättningar för att långsiktigt nå denna lönsamhet. Den viktigaste är långsiktig tillgång till råvara i form av torrt spån men det krävs även ett genuint intresse och en stor kunskap inom såväl teknik som trä för den som skall pelletera Detta beror på att produktionsprocessen är mycket komplicerad och även beroende av en del yttre omständigheter som t.ex. fukt, kyla och torka. Eftersom komplexiteten, och därmed den initiala personella insatsen är stor, bör man också uppnå vissa minimikvantiteter i produktionen. Studien visar också att det även krävs ett antal övriga element för att pelleteringen skall uppvisa den lönsamhet som en hastig förkalkyl ger vid handen.</p><p>Klarar man att leva upp till de flesta av dessa finns det goda förutsättningar att pelletering över en konjunkturcykel kan medverka till att förbättra lönsamheten för den typ av mindre anläggningar som studerats.</p> / <p>This study is about pelleting as a possible profitable marginal business for minor saw-mills and planing mills. It has been carried out through in depth interviews of five different minor saw-mills and planing mills in Småland. These businesses are different themselves but all of them have invested in pelleting for financial and environmental reasons.</p><p>The study shows that pelleting is profitable but also that a number of conditions must be fulfilled to reach profitability in the long run. The most important success factor is long-term access to raw material (dry chip) but the production process also demands a high interest and knowledge in wood and processing technology. This is due to the fact that the process is very complex and also depending on external circumstances like humidity, coldness and dryness. Due to this complexity and that the demand of manpower is rather high one should aim for producing at least a certain minimum quantity.</p><p>The study also shows that there are a couple of other factors that are needed to be fulfilled to reach the profitability that the pre-calculation indicates.</p><p>If most of these conditions are fulfilled there are very good possibilities that pelleting over a business cycle can contribute to an improved profitability for the type of businesses that have been studied.</p>

Abstract According to the EU’s strategy and the corresponding Finnish national strategy on waste materials, all kinds of waste must be utilised primarily as material (reuse, recycling) and secondarily as energy, and at the lowest level of waste hierarchy is their disposal using environmentally friendly methods. Today material efficiency is an essential topic in promoting sustainable use of natural resources, industrial by-products and waste material. The present goal proposed by the EU sets the target for the total proportion of renewable energy as high as 38% by 2020 in Finland. Up to 20 million tonnes of waste wood biomass per year are left unused in Finland, mainly in the forests during forestry operations, because supply and demand do not meet. As a consequence of high heat energy prices, the looming threat of climate change, the greenhouse effect and global as well as national demands to considerably increase the proportion of renewable energy, Finland currently has a tremendous interest in increasing decentralised pellet production alongside of large-scale factories. The aim of this thesis is to promote the development of eco-, material- and cost-efficient Nordic wood-based pellet production and utilisation of pellet bio-ash by means of chemical research. Using Finnish wood (sawdust and shavings) as a model raw material, the total functionality of a pilot-scale pellet facility combined with an extensive chemical toolbox was tested in this study to promote development of an eco-, material- and cost-efficient wood-based pellet production chain. The chemical toolbox includes measurements of moisture content, density, heat value, mechanical durability and particle size distribution, TG analysis and elementary analysis, as well as new applications for pellet biodegradation using BOD OxiTop equipment and optical microscopic staining methods. To improve the quality of pellets, considering the profitability of production and occupational safety factors (wood dust exposure, fire and explosion risk), it is profitable to use different binding agents, especially industrial by-products and locally utilisable residuals. Thus, lignosulphonate, residual potato flour and potato peel residue were used and tested as model adhesive binding agents. The results showed that binding agents increased the quality of pellets and changed their inorganic characteristics, but did not have a significant effect on their calorimetric heat values. Lignosulphonate even increased the rate of production. To characterise different starch-containing binding agents, a new specific optical microscopic staining method was developed and tested, and the initial results are presented in this thesis. Wood pellet ash has potential as a liming agent, in soil remediation, as a soil fertilizer, and in granulated form, in new applications such as road construction and waste water purification. Valuable information about raw materials, binding agents and the pelletizing process is necessary when developing good-quality pellets—a prime biofuel—from non-utilised low-value and/or moist biomass that has undergone a cost-efficient drying process. This way pellet production will have more essential importance in energy policy, especially in the European forest belt. / Tiivistelmä Vallitsevan EU:n sekä Suomen kansallisen lainsäädännön mukaan kaikenlainen jäte täytyy hyödyntää ensisijaisesti materiaalina (uudelleenkäyttö, kierrätys), toissijaisesti energiana ja jätehierarkiassa alimpana tasona on sen hävittäminen ympäristöystävällisin keinoin. Materiaalitehokkuus on nykyään välttämätön aihe edistettäessä luonnonvarojen, teollisuuden sivutuotteiden ja jätemateriaalien kestävää käyttöä. EU-strategian mukainen tavoite uusiutuvan energian osuudelle kaikesta energiantuotannosta Suomessa on 38&#160;% vuoteen 2020 mennessä. Jopa 20 miljoonaa tonnia jätepuubiomassaa vuodessa jää käyttämättä Suomessa lähinnä metsänharvennustöiden yhteydessä, koska kysyntä ja tarjonta eivät kohtaa. Seurauksena korkeista lämpöenergiahinnoista, uhkaavasta ilmastonmuutoksesta, kasvihuoneilmiöstä sekä globaalisista ja kansallisista vaatimuksista lisätä uusiutuvan energian osuutta, Suomessa on viime aikoina noussut voimakas kiinnostus lisätä hajautettua pellettituotantoa suurten pellettilaitosten rinnalle. Väitöskirjan tarkoituksena on edistää ja kehittää pohjoismaista eko- ja kustannustehokasta puupellettituotantoa ja pellettibiotuhkan hyötykäyttöä kemiallisen tutkimuksen avulla. Käyttäen suomalaista puuta (sahanpurua ja kutterinlastua) malliraaka-aineina, tässä tutkimuksessa testattiin pilot-mittakaavan pellettilaitoksen toimivuutta yhdistettynä laajaan kemialliseen ”työpakettiin”, edistämään tulevaisuuden eko-, materiaali- ja kustannustehokkaan pellettituotantoketjun kehittämistä. Kemiallinen työpaketti sisältää kosteuden, tiheyden, lämpöarvon, mekaanisen kestävyyden ja partikkelikokojakauman määritykset, TG- ja alkuaineanalyysin, kuten myös uudet sovellukset pellettien ja niiden sideaineiden biohajoavuuden määrittämiseksi BOD OxiTop -laitteistoilla sekä optisen mikroskooppivärjäysmenetelmän. Pellettien laadun kohottamiseksi, ottaen huomioon myös tuotannon kannattavuuden ja työterveydelliset ongelmat (puupölylle altistuminen, tulipalo- ja räjähdysvaara), on perusteltua käyttää sideaineita, erityisesti teollisuuden sivutuotteita ja paikallisesti hyödynnettävissä olevia jätemateriaaleja. Täten lignosulfonaattia, jäteperunajauhoa ja perunankuorijätettä käytettiin ja testattiin liimaavina mallisideaineina. Tulokset osoittivat, että sideaineet nostivat pellettien laatua ja muuttivat niiden epäorgaanisia ominaisuuksia, mutta niillä ei ollut merkittävää vaikutusta määritettyihin lämpöarvoihin. Lignosulfonaatti lisäsi selvästi pelletoinnin tuotantonopeutta. Työssä kehitettiin pelleteille uusi spesifinen optinen mikroskooppivärjäysmenetelmä erilaisten tärkkelystä sisältävien sideaineiden karakterisointiin ja ensimmäiset tulokset on esitetty tässä väitöskirjassa. Puupellettituhka on potentiaalinen kalkitus- ja maanparannusaineena, lannoitteena sekä rakeistettuna uusissa sovelluksissa, kuten tierakentamisessa ja jäteveden puhdistuksessa. Arvokas informaatio raaka-aineista, sideaineista sekä pelletöintiprosessista on välttämätöntä kehitettäessä tulevaisuudessa hyvälaatuisia pellettejä, ”priimaa” biopolttoainetta, hyödyntämättömästä huonolaatuisesta ja/tai kosteasta biomassasta, joka on ennen pelletointia käynyt läpi kustannustehokkaan kuivausprosessin. Täten voidaan olennaisesti lisätä pellettituotannon merkitystä energiapolitiikassa, erityisesti Euroopan metsävyöhykkeellä.