Utilisation of Short Term Electricity Derivatives in Industrial Energy Management

Työn päätavoite on selvittää kuinka erityisesti sähkön markkinahinnan ennustamiseen ja johdannaismarkkinoiden tietämykseen perustuva lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen tapahtuu teollisessa energianhallinnassa. Tätä aihetta lähestytään luomalla prosessi lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntämiselle. Prosessi esitellään ja selvitetään aina lähtökohdista todelliseen kaupankäyntiin asti erillisen esimerkkitehtaan avulla.Lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen teollisessa energianhallinnassa perustuu pääosin tulevaisuuden odotuksiin sähkön markkinahinnan kehittymisestä sekä tehtaiden operatiiviseen tilanteeseen. Operatiiviseen tilanteeseen perustuva lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten kaupankäynti on pääasiassa pitkän tähtäimen suojausten sopeuttamista lyhyelle tähtäimelle sopivaksi.Hinnan ennustamisella on suuri rooli lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntämisprosessissa. Työssä esitelty hinnan ennustamismalli on sopiva päivä- ja viikkotason Nord Poolin Elspot -systeemihinnan ennustamiseen. Elspot -systeemihinnan ennustamismalli on suunniteltu käytännönläheiseksi ja sen perustana ovat todelliset fysikaaliset ja mitattavat suureet. Futuurimarkkinatietämys on tarpeen lyhyen tähtäimen johdannaisia käytettäessä. Työssä tutkitaan yleisiä markkinoiden odotuksia ja futuurimarkkinoiden tietoisuuden kehittymistä koskien tulevaa vallitsevaa tilannetta. Työssä luodaan myös työkalu, mikä auttaa kaupan laatijaa muodostamaan suuntaa-antavat todennäköisyydet eri hintanäkemyksille ja paikallistamaan mahdolliset markkinoiden epätodennäköiset hintaodotukset.Kokemukset Elspot -systeemihinnan ennustamismallin soveltamisesta ovat lupaavia. Lisäksi havainnot futuurimarkkinoiden käyttäytymisestä Nord Poolissa ja muodostettu työkalu suuntaa-antavien todennäköisyyksien selvittämiseksi auttavat kaupan laatijaa päätöksenteossa. Lyhyen tähtäimen sähköjohdannaisten hyödyntäminen teollisessa energianhallinnassa on periaatteessa mahdollista esitellyn prosessin avulla, vaikka täydellinen käyttöönotto vaatisi vielä joitakin järjestelyjä. Keskittymällä tilanteisiin jotka työssä kuvatulla prosessilla ovat hoidettavissa, työssä määritellyllä menettelyllä on mahdollisuudet saavuttaa epäedullisen hintakehityksen riskin väheneminen ja parempi taloudellinen tulos teollisen energianhallinnan sähkökaupankäynnissä.

Pinch-menetelmän soveltaminen sellutehtaassa

Työn tarkoituksena oli tutkia pinch-menetelmän soveltuvuutta toiminnassa olevassa UPM-Kymmene Oyj:n kaukaan sellutehtaassa ja kartoittaa pinch-analyysin avulla keittämön sekä haihduttamon lämpöenergiatarpeet sekä ylijäämät kesä ja talvitilanteissa vuodelle 1999. Kesätilanteeksi on katsottu riittävän elokuu ja talvitilanteeksi helmikuu. Työn alussa on lyhyesti käyty läpi pinch-tekniikkaan liittyvää teoriaa ja tutustutaan yleisesti työssä käytettyyn Pro_pi2 laskentaohjelmaan. Laskennan tulokset on muodostettu käsittelemällä tiedonkeruujärjestelmistä haettu virtaavien nesteiden tulo- ja kohdelämpötiloista sekä massavirroista muodostuva data Pro_pi2 laskentaohjelmalla. Tulokset on esitetty kappaleessa 5, jossa kesä ja talvitilanteista saatuja tuloksia on verrattu keskenään. Mielenkiinnon vuoksi mukaan vertailuun on otettu vuoden 1999 tietojen lisäksi myös tiedot vuoden 2000 talvelle. Pinch-menetelmään perustuvan Pro_pi2 laskentaohjelman todettiin soveltuvan ennemminkin lämmön talteenottojärjestelmän sekä tehtaan energiakäytön esisuunnitteluun kuin jo olemassa olevan tehtaan tutkimiseen.

Pohjavesihanke ja sen toteutus

Pohjavesihankkeen onnistunut toteutus vaatii tietoa useilta eri aloilta. Perustieto pohjavesistä, niiden muodostumisesta ja esiintymisestä, pohjavesiä koskevan lainsäädännön ja vedenottoon tarvittavien lupien tuntemus, pohjavesitutkimuksen eri vaiheiden hallitseminen ja tieto näiden vaiheiden kestoon, aikatauluun ja kustannuksiin vaikuttavista tekijöistä ovat kaikki onnistuneen hankkeen edellytyksiä. Tässä diplomityössä selvitetään pohjavesihankkeen eri vaiheet sekä niiden sisältö ja tarvittavat toimenpiteet vesihuoltolaitoksen kannalta.Työssä tarkastellaan yleisesti kunnallista vesihuoltoa Suomessa ja Suomen pohjavesioloja. Lisäksi tarkastellaan pohjavesiä koskevaa lainsäädäntöä sekä pohjavesialueiden kartoituksen ja luokituksen nykytilannetta. Työssä käsitellään esiintymäkohtaisen pohjavesitutkimuksen eri vaiheet menetelmineen. Pohjavesitutkimusten ja pohjavedenoton vaatimat luvat käydään läpi.Pohjavesihanke on jaettu osiin, joiden kestoa ja niihin vaikuttavia tekijöitä tarkastellaan. Lisäksi pohjavesihankkeesta on tehty esimerkkiaikataulu, jossa eri työvaiheiden vaatimat ajat esitetään suhteessa toisiinsa. Hankkeen kustannukset on jaettu henkilöstö-, materiaali- ja muihin kustannuksiin. Näiden rakenne eri työvaiheissa on selvitetty.Joensuun Veden Paavonlammen alueella Kiihtelysvaaran kunnassa tekemän esimerkkihankkeen avulla havainnollistetaan sitä, millä tavoin käyttöön otettavan pohjavesialueen ominaisuudet sekä käytettävissä oleva työvoima ja kalusto vaikuttavat kustannuksiin, aikatauluun ja eri tutkimusvaiheiden tarpeellisuuteen.Pohjavesihanketta aloitettaessa ja sen aikana on kiinnitettävä erityisesti huomiota avoimeen tiedottamiseen vaikutusalueen asukkaille ja maanomistajille. Keskeistä työn edetessä on ottaa huomioon se, että pohjavesihankkeen toteutus etenee vaiheittain aikaisempien tulosten perusteella.

Sulfaattimassan D/Q(EOP)D-valkaisimon optimointi

Työssä tutkittiin sulfaattisellutehtaan ECF-valkaisimon toimintaan vaikuttavia tekijöitä. Tavoitteena oli selvittää tekijöiden vaikutus massan laatuominaisuuksiin, valkaisimon kemikaalikustannuksiin ja klooridioksidin kulutukseen. Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu nykyaikaisen sulfaattisellutehtaan eri prosesseja. Erityistä huomiota on kiinnitetty sellun ECF-valkaisuun ja kyseisessä valkaisussa käytettäviin kemikaaleihin. Lisäksi on tarkasteltu TCF-valkaisua ja mahdollisuuksia sulkea sellutehtaan vesikiertoja. Kokeellisessa osassa selvitettiin Oy Metsä-Botnia Ab Joutsenon tehtaan kolmivaiheisen ECF-valkaisimon massan laatuominaisuuksiin, kustannuksiin ja klooridioksidin kulutukseen vaikuttavia tekijöitä. Tavoitteena oli vaikuttaa positiivisesti massan laatuominaisuuksiin valkaisun keinoin. Samalla pyrittiin minimoimaan valkaisusta aiheutuvia kemikaalikustannuksia ja vähentämään klooridioksidin kulutusta. Työssä käytettiin Taguchi-menetelmää. Tehdyn tutkimuksen myötä saatiin runsaasti tietoa mihin eri ominaisuuksiin tutkitut tekijät vaikuttivat. Metallien poistolla eli kelatoinnilla havaittiin olevan suuri merkitys hapettavan alkaliuuttovaiheen ja samalla koko valkaisimon toimintaan. Suurella kelatointiaineannoksella valkaisimon selektiivisyys ja tehokkuus paranivat. Muista tekijöistä happiannoksella havaittiin olevan vaikutusta vain massan paperiteknisiin ominaisuuksiin ja hiilihydraattien koostumukseen. Happiannoksen kasvattaminen paransi repäisyindeksiä ja vähensi massan jauhatustarvetta yli valkaisimon. Kyseisiin ominaisuuksiin vaikuttivat myös klooridioksidi ja sen toimintaolosuhteet. Kemikaalikustannuksiin vaikuttavista tekijöistä valkaisimon tulokapalla ja ensimmäisen klooridioksidivaiheen kemikaaliannoksella havaittiin olevan suuri merkitys. Samat tekijät vaikuttivat myös valkaisimon klooridioksidin kokonaiskulukseen.

Hiomon AI-järjestelmän toimivuuden arviointi

Työn tavoitteena oli uudentyyppisen hiontaprosessin ohjausjärjestelmän kehittäminen ja testaaminen UPM-Kymmene Kaukaan hiomossa. Uuden ohjausjärjestelmän perusajatuksena oli pitää yksittäistä hiomakiveä jatkuvasti optimaalisessa toimintapisteessä, ja hiomon kaikilla koneilla pyrittiin samaan kivenalusmassan laatuun. Uutta ohjaustapaa kutsuttiin Optimum operating point -strategiaksi (OOPS). Hiomakiven pitäminen optimaalisessa toimintapisteessä tapahtui pääosin vesiteräyskäsittelyllä, jonka intensiteettiä ohjasi asiantuntijajärjestelmä (AI-järjestelmä). Lisäksi testattiin ohjelmoidun anturan nopeussäädön vaikutusta hiomakoneen resurssien käyttöön. AI-järjestelmä päätteli vesiteräyskäsittelyn tarpeellisuuden CSF-mallin ja hiomakoneen resurssien perusteella. Seurannasta saatujen tulosten perusteella AI-järjestelmän käyttöönotto vesiteräyskäsittelyssä paransi tuotannon ja massan laadun tasaisuutta. Hiomakoneiden resurssien havaittiin pienenevän puunsyöttölinjan mukaisesti. Paksummat pöllit kerääntyvät linjan päähän, jolloin varsinkin hydrauliikkapaineiden tarve lisääntyy linjan päässä olevilla hiomakoneilla. Hiomakoneen resurssit saatiin paremmin käyttöön kuormittamalla konetta ohjelmoidulla anturan nopeussäädöllä (ONS) kuin vakioidulla anturan nopeussäädöllä (VNS). Kuitenkin hydraulipaineresurssien puutteellisuus rajoitti koeajon aikana ONS:n toimintaa. Resursseja ei optimoitu koeajon aikana, koska kiven pinnan haluttiin pysyvän mahdollisimman stabiilina. Kivelle ei suoritettu mekaanista käsittelyä, vaikka kivenpinnan massan kuljetuskapasiteetin havaittiin olevan huono. AI-järjestelmä otettiin ohjaamaan vesiteräyskäsittelyä vasta ONS - VNS -koeajon jälkeen. Mekaanisen rullateräyksen jälkeen massan ominaisuudet muuttuivat, koska kiven pinnan terävät särmät katkoivat kuituja alentaen massan sitoutumiskykyä. Heti rullakäsittelyn jälkeen mitattu CSF saattoi jopa alentua huomattavasti, mutta AI-järjestelmän laskema CSF nousi selvästi indikoiden energian ominaiskulutuksen (EOK) laskua. Muutaman päivän hionnan jälkeen mitattu ja laskettu CSF saavuttivat saman tason.