Väitös: Puhtaampaa ja tehokkaampaa bioenergiaa kehittyneillä laskentamalleilla

Tuuli- ja aurinkosähköstä puhutaan syystäkin paljon, sillä niiden merkitys energiantuotannossa kasvaa erittäin nopeasti. Energiantuotanto on kuitenkin monimutkainen kokonaisuus eikä mikään yksittäinen tuotantomuoto kykene ratkaisemaan kaikkia vihreän siirtymän haasteita.

– Bioenergia on yksi osa kokonaisuutta ja se on avainasemassa tasapainottavana tekijänä, kun teollisuus, liikenne, kotitaloudet ja energiantuotanto muodostavat voimakkaasti toisiinsa kytkeytyneen energiajärjestelmän, Niko Niemelä muistuttaa.

Niemelän mukaan tarvitsemme tuulivoiman lisäksi myös lämpöä ja säätövoimaa. Biomassaa kestävästi hyödyntävillä polttolaitoksilla on tässä tärkeä rooli.

– Väitöskirjassani tutkittu biomassan pölypolttoteknologia soveltuu hyvin nopeavasteiseen energiajärjestelmään, sillä laitokset ovat nopeasti käynnistettävissä silloin kun sähköä tai lämpöä tarvitaan, hän jatkaa.

Simulointi auttaa vähentämään päästöjä ja tuhkaongelmia

Biopohjaisia raaka-aineita, kuten puuta, tarvitaan ensisijaisesti muihin käyttötarkoituksiin kuin energiantuotantoon: niitä käytetään esimerkiksi korkeamman jalostusasteen tuotteiksi, rakentamiseen tai vaikkapa muovien korvaajaksi. Energiantuotantoon päätyvät biojakeet tulevat olemaan enenevissä määrin sivuvirtoja mm. teollisuudesta ja maa- ja metsätaloudesta. Tällaisia sivujakeita ovat esimerkiksi puun kuori ja olki.

– Sivujakeet ovat suuren tuhkapitoisuutensa vuoksi haastavia polttolaitosten kannalta. Tuhka aiheuttaa kattiloissa ongelmia, sillä se takertuu niiden seinämiin ja syövyttää metallirakenteita. Sivujakeiden poltosta muodostuu yleensä myös enemmän typpioksidipäästöjä, sekä erilaisia pienhiukkasia kuten sulfaatteja ja nokea. Kaasumaisten ja hiukkasmaisten päästöjen minimointi on polttolaitosten suunnittelun olennainen tavoite, Niemelä kertoo.

Niemelä pitää väitöstutkimuksessaan tärkeimpänä kehittämiään mallinnusmenetelmiä, sillä niiden avulla voidaan hyödyntää myös huonolaatuisempia biojakeita energiantuotannossa ja vähentää kattiloissa syntyviä päästöjä. Mallien avulla voidaan simuloida biopolttoaineen palamisprosessia, tuhkan ja pienhiukkasten käyttäytymistä, kaasumaisten ja nokipäästöjen muodostumista, sekä voimalaitoskattiloiden lämmönsiirtoa.

– Simuloinnit ovat äärimmäisen monimutkaisia kokonaisuuksia, sillä niissä mallinnetaan yhtäaikaisesti turbulenttia virtausta ja kemiallisia reaktioita. Siksi olikin hämmästyttävää, miten hyvin simulaatiot vastasivat mittauksia, joita teimme työn aikana Münchenin teknillisen yliopiston koereaktorille ja Helen Oy:n kaukolämpökattilalle, Niko Niemelä tiivistää.

Virtauslaskennasta hyötyä monilla tieteenaloilla

Niko Niemelä seuraa tiiviisti avaruus- ja ilmastotieteitä, sillä hänen käyttämäänsä virtauslaskentaa hyödynnetään aktiivisesti näillä aloilla.

– Olin iloisesti yllättynyt, kun viimeisin fysiikan Nobel-palkinto jaettiin Syukuro Manabelle hänen ilmastosimulointeihin liittyvästä tutkimuksestaan. Samat virtausopin lainalaisuudet pätevät kaikkialla, myös voimalaitoskattilan liekissä, maapallon ilmakehässä ja jopa galaksien mittaskaalassa. Tämä on minusta äärimmäisen kiehtovaa! Yritän käyttää monialaisia esimerkkejä omassa opetuksessani mallinnukseen liittyvien kurssien parissa, Niemelä päättää.

Diplomi-insinööri Niko Niemelän energiatekniikan alaan kuuluva väitöskirja Experimental and Modeling Studies of Pulverized Biomass Combustion tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 22.4.2022 klo 12.00 alkaen. Paikkana on Festia-rakennuksen auditorio Pieni Sali 1, Korkeakoulunkatu 8, Tampere. Vastaväittäjinä toimivat professori Markus Broström Uumajan yliopistosta Ruotsista, sekä apulaisprofessori Ville Vuorinen Aalto-yliopistosta. Kustoksena toimii professori Jukka Konttinen tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.