Modelling a sustainable industrial ecosystem

Abstract

Transforming business towards resource efficiency and the circular economy has been the key for sustainable development. The efforts in Finland for reducing waste and the carbon footprint are noteworthy. This research proposed an approach for modelling a sustainable industrial ecosystem, based on previous literature and following standard guidelines of life cycle assessment. The model entails identifying synergetic network connections to facilitate material exchange; quantifying environmental impact; life cycle cost assessment of products and waste management; analysis of material flow in the network; and energy optimisation. The model is implemented on a case study from Sodankylä, Finland where the municipality plans to establish new businesses to boost its local economy. Furthermore, the model investigates profitability of the construction of combined heat and power plants that deliver energy to the new businesses. The study also analyses the possibility of storing excess heat released from the power plants.

Data and information relating to an industrial symbiosis network came from the Natural Resources Institute Finland. Data associated with the construction of the power plants were acquired from the municipality of Sodankylä. There is evaluation of two configurations of seasonal borehole thermal energy system. Both were validated with experimental measurements. Data for the first configuration were collected from Natural Resources Canada; data about the second were acquired from a pilot project in Kokkola, Finland.

Synergetic relations of industrial participants are identified by a network matrix. The life cycle cost of products and waste management are projected at €115.20 million and €6.42 million respectively. Waste management cost reduction is one of the benefits of participating in a symbiotic environment. The potential cost saving from energy optimisation in the study is forecasted at €0.63 million. This optimisation included heat recovery and replacing fossil fuels with renewable fuel. Reduction in the region´s greenhouse gas emission is estimated at 53 % to 78 %. Furthermore, the evaluation of new power plants indicated they need a 16 % subsidy on investment to be profitable and that the proposed heat storage for excess heat should have a capacity of 280 kW.

Taloudessa tapahtunut muutos kohti resurssitehokkuutta ja kiertotaloutta on ollut avainasemassa pyrittäessä kohti kestävää kehitystä. Suomessa tehdyt hankkeet jättei-den ja hiilijalanjäljen vähentämiseksi ovat olleet merkittäviä. Tässä tutkimuksessa esitetään lähestymistapaa, jossa mallinnetaan kestävää teollista ekosysteemiä perustuen aikaisempaan kirjallisuuteen ja seuraten elinkaariarviointien vakio-ohjeistuksia. Malli koostuu synergisten verkostoyhteyksien tunnistamisesta, jolla helpotetaan materiaalien vaihtoa, kvantifioidaan ympäristövaikutuksia, tuotteiden elinkaarikustannuksia ja jätteenkäsittelyn kustannuksia, materiaalivirtoja verkostossa ja energiankäytön optimointia. Mallia on sovellettu tapaustutkimukseen Sodankylässä, missä viranomaiset suunnittelevat uusien yrityksien perustamista vauhdittamaan paikallistaloutta. Lisäksi malli tutkii uusille yrityksille energiaa jakavien sähkön ja lämmön yhteistuotantoon rakennettavien voimalaitosten edullisuutta. Tutkimuksessa myös selvitetään mahdollisuutta voimalaitoksesta vapautuvan ylijäämälämmön varastoimiseksi.

Tilastoaineistoa ja muuta informaatiota, joka liittyy teollisen symbioosin verkostoon, on saatu Suomen Luonnonvarakeskuksesta. Aineisto, joka liittyy voimalaitoksen rakentamiseen, hankittiin viranomaisilta Sodankylästä. Työssä käytettiin kahta porakaivoihin perustuvaa kausilämpöenergiajärjestelmää. Molempien toiminta varmennettiin kokeellisilla mittauksilla. Aineisto koskien ensimmäistä järjestelmää kerättiin Kanadan luonnonvaratiedoista ja toista järjestelmää koskien tieto hankittiin Kokkolassa käynnistetystä pilottihankkeesta.

Teollisuusosapuolten synergiasuhteet tunnistettiin verkkomatriisilla. Tuotteiden elinkaari- ja jätteenkäsittelykustannuksiksi saatiin 115,2 miljoonaa euroa ja 6,42 miljoonaa euroa. Kustannussäästöt jätteidenkäsittelyssä olivat yksi symbioottiseen ympäristöön osallistumisen eduista. Potentiaalisiksi energiankäytön optimoinnin kustannussäästöiksi ennustettiin 0,63 miljoonaa euroa. Tapaustutkimuksessa energian optimointiin sisältyi fossiilisen polttoaineen korvaaminen uusiutuvalla polttoaineella ja lämmön uudelleenkierrätys. Kasvihuonekaasujen päästöjen arvioitiin vähentyneen alueella 53–78 prosenttia. Lisäksi uuden voimalaitoksen laskelmat näyttävät, että tarvitaan 16 prosenttia tukea investoinnille, jotta se olisi kannattavaa. Arvioinnin mukaan ehdotetun ylijäämälämmön lämpövaraston kapasiteetin tulisi olla 280 kW.