Urbaania energiaa. Suvilahden, Hanasaaren A- ja Vuosaaren voimalaitokset osana helsinkiläistä kaupunkiympäristöä

Tutkimus koostuu kolmen Helsingissä sijaitsevan, kolmena eri aikakautena, 1910-, 1950- ja 1990-luvuilla, rakennetun voimalaitoksen arkkitehtuurista ja rakennustyypistä sekä niiden eroista ja erityisyyksistä samoin kuin näiden voimalaitosten roolista ja vaikutuksesta Helsingin kaupunkisuunnitteluun ja -rakentamiseen, kaupunkikuvaan sekä ympäristöestetiikkaan. Tutkimus on rajattu koskemaan erityyppisten voimalaitosten osalta yksinomaan kolmea helsinkiläistä kaupungissa sijaitsevaa voimalaitosta, Suvilahtea, Hanasaari-A:ta ja Vuosaaren A- ja B-laitoksia. Tutkimuksen tarkoituksena on ensinnäkin selvittää sekä periaatteessa että edellä mainittujen kolmen esimerkkikohteen kautta seikkoja, jotka ovat vaikuttaneet kunkin voimalaitoksen arkkitehtuuriin ja rakennustyyppiin kunakin aikakautena. Kaupunkivoimalan olennaiset elementit ovat korkea savupiippu, mittava polttoainevarasto sekä massiiviset rakennusmassat, jotka vaativat runsasta maankäyttöä. Toiseksi tutkimuksessa paneudutaan kaupunkisuunnitteluun laitoksen sijoittumisen osalta sekä ajallisesti että paikallisesti. Kolmanneksi selvitetään kaupunkikuvallisia ja ympäristöesteettisiä seikkoja, sekä niiden vaikutusten kehitystä voimalaitoksen toteutuksen ja nykyhetken kesken. Tutkimuksessa haetaan vastausta kysymykseen, miten Helsingissä sijaitseva voimalaitos arkkitehtuuriltaan, rakennustyypiltään ja sijoitukseltaan on soveltunut ja jatkossa soveltuu kaupunkisuunnittelun kannalta kaupunkikuvallisesti sekä ympäristöesteettisesti kyseiseen kaupunkiympäristöön. Tutkimus selvittää myös sitä ilmeistä ristiriitaa, joka syntyy kaupungin kehittyessä ja laajentuessa, jolloin voimalaitos infrastruktuurinsa ja useimmiten suunnattoman kokonsa vuoksi edustaa pysyvyyttä rakentuvan alueen sisällä. Tässä yhteydessä tutkimuksessa pohditaan esimerkkikohteiden avulla voimalaitoksen säilyttämistä puoltavia rakennustaiteellisia arvoja, mahdollista korvattavuutta, ja siinä yhteydessä haetaan vastauksia jäljelle jäävälle laitosrakennukselle kaupunkisuunnittelun kannalta asetettavista uusiokäytön vaatimuksista ja mahdollisuuksista. Tutkimuksen metodologia on sekä kvantitatiivisesti että kvalitatiivisesti historiallinen, esimerkkikohteita käsiteltäessä tarvittavassa määrin myös mikrohistoriallinen.

Computational modelling of non-equilibrium condensing steam flows in low-pressure steam turbines

The steam turbines play a significant role in global power generation. Especially, research on low pressure (LP) steam turbine stages is of special importance for steam turbine man- ufactures, vendors, power plant owners and the scientific community due to their lower efficiency than the high pressure steam turbine stages. Because of condensation, the last stages of LP turbine experience irreversible thermodynamic losses, aerodynamic losses and erosion in turbine blades. Additionally, an LP steam turbine requires maintenance due to moisture generation, and therefore, it is also affecting on the turbine reliability. Therefore, the design of energy efficient LP steam turbines requires a comprehensive analysis of condensation phenomena and corresponding losses occurring in the steam tur- bine either by experiments or with numerical simulations. The aim of the present work is to apply computational fluid dynamics (CFD) to enhance the existing knowledge and understanding of condensing steam flows and loss mechanisms that occur due to the irre- versible heat and mass transfer during the condensation process in an LP steam turbine. Throughout this work, two commercial CFD codes were used to model non-equilibrium condensing steam flows. The Eulerian-Eulerian approach was utilised in which the mix- ture of vapour and liquid phases was solved by Reynolds-averaged Navier-Stokes equa- tions. The nucleation process was modelled with the classical nucleation theory, and two different droplet growth models were used to predict the droplet growth rate. The flow turbulence was solved by employing the standard k-ε and the shear stress transport k-ω turbulence models. Further, both models were modified and implemented in the CFD codes. The thermodynamic properties of vapour and liquid phases were evaluated with real gas models. In this thesis, various topics, namely the influence of real gas properties, turbulence mod- elling, unsteadiness and the blade trailing edge shape on wet-steam flows, are studied with different convergent-divergent nozzles, turbine stator cascade and 3D turbine stator-rotor stage. The simulated results of this study were evaluated and discussed together with the available experimental data in the literature. The grid independence study revealed that an adequate grid size is required to capture correct trends of condensation phenomena in LP turbine flows. The study shows that accurate real gas properties are important for the precise modelling of non-equilibrium condensing steam flows. The turbulence modelling revealed that the flow expansion and subsequently the rate of formation of liquid droplet nuclei and its growth process were affected by the turbulence modelling. The losses were rather sensitive to turbulence modelling as well. Based on the presented results, it could be observed that the correct computational prediction of wet-steam flows in the LP turbine requires the turbulence to be modelled accurately. The trailing edge shape of the LP turbine blades influenced the liquid droplet formulation, distribution and sizes, and loss generation. The study shows that the semicircular trailing edge shape predicted the smallest droplet sizes. The square trailing edge shape estimated greater losses. The analysis of steady and unsteady calculations of wet-steam flow exhibited that in unsteady simulations, the interaction of wakes in the rotor blade row affected the flow field. The flow unsteadiness influenced the nucleation and droplet growth processes due to the fluctuation in the Wilson point.

Puupolttoaineen varastonhallinta- ja hankintamalli

Työssä luodaan energiapuun varastonhallintamalli ja hankintamalli energiantuotantolaitoksen näkökulmasta sekä kuvataan kustannustehokkaita ja toimitusvarmoja vaihtoehtoja puupolttoaineen varastoinnille ja haketukselle. Varastonhallintamallissa keskitytään varastotason hallintamenetelmiin toimintaympäristössään. Hankintamalli määrittää oman varaston ja suoran laitostoimituksen suhteen sekä auttaa pohtimaan strategisen hankinnan merkitystä hankinnan toteuttamiseen ja hankintakanavien valintaan. Työ antaa vastauksia koko hankintatoiminnan toteutukseen ja hallitsemiseen. Varastonhallintamallin skenaariotarkastelussa selvisi, että yrityksen oma varasto vaatii 18 – 37 % varmuusvaraston suhteessa käyttövarastoon. Hankintamallin mukaan oman varaston kannattavimman puupolttoainejakeen hankintaetäisyys voisi olla keskimäärin korkeintaan 96 km. Tarpeen, saatavuuden, jakeiden kustannustasojen ja toimintaympäristön mahdollisuuksien ollessa selvillä, on mahdollista tehdä päätöksiä hankintakanavista ja varmuusvarastoista kustannustehokkuuden perusteella. Yrityksen polttoainemäärien ohjauksen toteutukseen vaaditaan kehittämistoimia. Oman toimintaympäristön vakiointi ja toimintamallien dokumentointi on tärkeää tiedonjaon, toimitussopimusten mitoittamisen ja toiminnan kehittämisen kannalta. Toiminnan pullonkaulojen vähentäminen ja puupolttoaineen ohjaaminen kustannustehokkaimpien haketusketjujen kautta mahdollisimman tehokkaasti synnyttävät kustannussäästöjä toimitusketjussa.

Economics of Power-to-Gas integration to wastewater treatment plant

Solar and wind power produce electricity irregularly. This irregular power production is problematic and therefore production can exceed the need. Thus sufficient energy storage solutions are needed. Currently there are some storages, such as flywheel, but they are quite short-term. Power-to-Gas (P2G) offers a solution to store energy as a synthetic natural gas. It also improves nation’s energy self-sufficiency. Power-to-Gas can be integrated to an industrial or a municipal facility to reduce production costs. In this master’s thesis the integration of Power-to-Gas technologies to wastewater treatment as a part of the VTT’s Neo-Carbon Energy project is studied. Power-to-Gas produces synthetic methane (SNG) from water and carbon dioxide with electricity. This SNG can be considered as stored energy. Basic wastewater treatment technologies and the production of biogas in the treatment plant are studied. The utilisation of biogas and SNG in heat and power production and in transportation is also studied. The integration of the P2G to wastewater treatment plant (WWTP) is examined mainly from economic view. First the mass flows of flowing materials are calculated and after that the economic impact based on the mass flows. The economic efficiency is evaluated with Net Present Value method. In this thesis it is also studied the overall profitability of the integration and the key economic factors.

Environmental requirements and environmental management system of boiler plant supplier

Työn tärkeimpänä tavoitteena oli edistää ympäristöjärjestelmän laatimista Kvaerner Pulping, Power divisioonan Kattilat-liiketoimintayksikölle. Lisäksi tavoitteena oli tarkastella yritykseen kohdistuvia ympäristövaatimuksia ja niiden vaikutusta yrityksen toimintaan. Aluksi työssä tarkasteltiin ympäristöjärjestelmästandardien sisältöjä ja niiden eroja. Työssä käsiteltiin myös erilaisia elinkaarijohtamisen malleja, joita voidaan hyödyntää yrityksen kokonaisvaltaisessa ympäristöjärjestelmässä. Työssä tarkasteltiin myös sidosryhmien vaikutusta yrityksen ympäristötoimintaan. Kattilalaitostoimittajan tärkeimpiä asiakkaita ovat sellu- ja paperiteollisuus. Näihin yrityksiin on kohdistunut runsaan kymmenen vuoden aikana paineita ympäristötoiminnan tehostamiseksi. Tämän kehityksen seurauksena vastaavat tehostamispaineet ovat siirtymässä myös alihankkijoille, kuten kattilaitostoimittajille. Tehokkaan ympäristöjohtamisen takaamiseksi työssä määriteltiin ympäristövastuut ja –valtuudet sekä ympäristöpäämäärät ja –tavoitteet. Lisäksi tunnistettiin yrityksen toimintaan liittyvät ympäristönäkökohdat ja –riskit. Työn yhteydessä laadittiin ympäristöjärjestelmän luonnos, ja se sisältää jatkuvan parantamisen periaatteen. Työn yhteydessä laadittiin lisäksi Kvaerner Pulping Oy:n koelaitokselle ympäristölupahakemus. Työssä on kuvattu koelaitosta ja sen ympäristölupahakemukseen liittyviä asioita esimerkkinä parantuneesta ympäristöasioiden hoidosta.

Performance of high power fibre laser cutting of thick-section steel and mediumsection aluminium

Cutting of thick section stainless steel and mild steel, and medium section aluminium using the high power ytterbium fibre laser has been experimentally investigated in this study. Theoretical models of the laser power requirement for cutting of a metal workpiece and the melt removal rate were also developed. The calculated laser power requirement was correlated to the laser power used for the cutting of 10 mm stainless steel workpiece and 15 mm mild steel workpiece using the ytterbium fibre laser and the CO2 laser. Nitrogen assist gas was used for cutting of stainless steel and oxygen was used for mild steel cutting. It was found that the incident laser power required for cutting at a given cutting speed was lower for fibre laser cutting than for CO2 laser cutting indicating a higher absorptivity of the fibre laser beam by the workpiece and higher melting efficiency for the fibre laser beam than for the CO2 laser beam. The difficulty in achieving an efficient melt removal during high speed cutting of the 15 mmmild steel workpiece with oxygen assist gas using the ytterbium fibre laser can be attributed to the high melting efficiency of the ytterbium fibre laser. The calculated melt flow velocity and melt film thickness correlated well with the location of the boundary layer separation point on the 10 mm stainless steel cut edges. An increase in the melt film thickness caused by deceleration of the melt particles in the boundary layer by the viscous shear forces results in the flow separation. The melt flow velocity increases with an increase in assist gas pressure and cut kerf width resulting in a reduction in the melt film thickness and the boundary layer separation point moves closer to the bottom cut edge. The cut edge quality was examined by visual inspection of the cut samples and measurement of the cut kerf width, boundary layer separation point, cut edge squareness (perpendicularity) deviation, and cut edge surface roughness as output quality factors. Different regions of cut edge quality in 10 mm stainless steel and 4 mm aluminium workpieces were defined for different combinations of cutting speed and laserpower.Optimization of processing parameters for a high cut edge quality in 10 mmstainless steel was demonstrated

Reduction of specific energy consumption of a thermomechanical pulping plant

Kuumahiertoprosessi on erittäin energiaintensiivinen prosessi, jonka energianominaiskulutus (EOK) on yleisesti 2–3.5 MWh/bdt. Noin 93 % energiasta kuluu jauhatuksessa jakautuen niin, että kaksi kolmasosaa kuluu päälinjan ja yksi kolmasosa rejektijauhatuksessa. Siksi myös tämän työn tavoite asetettiin vähentämään energian kulutusta juuri pää- ja rejektijauhatuksessa. Päälinjan jauhatuksessa tutkimuskohteiksi valittiin terityksen, tehojaon ja tuotantotason vaikutus EOK:een. Rejektijauhatuksen tehostamiseen pyrittiin yrittämällä vähentää rejektivirtaamaa painelajittelun keinoin. Koska TMP3 laitoksen jauhatuskapasiteettia on nostettu 25 %, tavoite oli nostaa päälinjan lajittelun kapasiteettia saman verran. Toisena tavoitteena oli pienentää rejektisuhdetta pää- ja rejektilajittelussa ja siten vähentää energiankulutusta rejektijauhatuksessa. Näitä tavoitteita lähestyttiin vaihtamalla päälinjan lajittimiin TamScreen-roottorit ja rejektilajittimiin Metso ProFoil-roottorit ja optimoimalla kuitufraktiot sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Syöttävällä terätyypillä pystyttiin vähentämään EOK:ta 100 kWh/bdt, mutta korkeampi jauhatusintensiteetti johti myös alempiin lujuusominaisuuksiin, korkeampaan ilmanläpäisyyn ja korkeampaan opasiteettiin. Myös tehojaolla voitiin vaikuttaa EOK:een. Kun ensimmäisen vaiheen jauhinta kuormitettiin enemmän, saavutettiin korkeimmillaan 70 kWh/bdt EOK-vähennys. Tuotantotason mittaamisongelmat heikensivät tuotantotasokoeajojen tuloksia siinä määrin, että näiden tulosten perusteella ei voida päätellä, onko EOK tuotantotasoriippuvainen vai ei. Päälinjan lajittelun kapasiteettia pystyttiin nostamaan TS-roottorilla vain 18 % jääden hieman tavoitetasosta. Rejektilajittelussa pystyttiin vähentämään rejektimäärää huomattavasti Metso ProFoil-roottorilla sekä sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Lajittamokehityksellä saavutettu EOK-vähennys arvioitiin massarejektisuhteen pienentymisen ja rejektijauhatuksessa käytetyn EOK:n avulla olevan noin 130 kWh/bdt. Yhteenvetona voidaan todeta, että tavoite 300 kWh/bdt EOK-vähennyksestä voidaan saavuttaa työssä käytetyillä tavoilla, mikäli niiden täysi potentiaali hyödynnetään tuotannossa.

Modeling and Control of the Power Conversion Unit in a Solid Oxide Fuel Cell Environment

In this doctoral thesis, a power conversion unit for a 10 kWsolid oxide fuel cell is modeled, and a suitable control system is designed. The need for research was identified based on an observation that there was no information available about the characteristics of the solid oxide fuel cell from the perspective of power electronics and the control system, and suitable control methods had not previously been studied in the literature. In addition, because of the digital implementation of the control system, the inherent characteristics of the digital system had to be taken into account in the characteristics of the solid oxide fuel cell (SOFC). The characteristics of the solid oxide fuel cell as well the methods for the modeling and control of the DC/DC converter and the grid converter are studied by a literature survey. Based on the survey, the characteristics of the SOFC as an electrical power source are identified, and a solution to the interfacing of the SOFC in distributed generation is proposed. A mathematical model of the power conversion unit is provided, and the control design for the DC/DC converter and the grid converter is made based on the proposed interfacing solution. The limit cycling phenomenon is identified as a source of low-frequency current ripple, which is found to be insignificant when connected to a grid-tied converter. A method to mitigate a second harmonic originating from the grid interface is proposed, and practical considerations of the operation with the solid oxide fuel cell plant are presented. At the theoretical level, the thesis discusses and summarizes the methods to successfully derive a model for a DC/DC converter, a grid converter, and a power conversion unit. The results of this doctoral thesis can also be used in other applications, and the models and methods can be adopted to similar applications such as photovoltaic systems. When comparing the results with the objectives of the doctoral thesis, we may conclude that the objectives set for the work are met. In this doctoral thesis, theoretical and practical guidelines are presented for the successful control design to connect a SOFC-based distributed generation plant to the utility grid.

Power to Gas - sähköenergiasta luonnonkaasua, liiketoimintamahdollisuudet Suomessa

Uusiutuvan sähköntuotannon osuuden kasvaessa kasvaa tarve tasata sähköntuotannon ja kulutuksen vaihteluita varastoimalla sähköä. Power to Gas (PtG) - sähköenergiasta luonnonkaasua tarjoaa yhden mahdollisuuden varastoida sähköä. Sähköä käytetään veden elektrolyysiin, jossa syntynyt vety käytetään metanoinissa yhdessä hiilidioksidin kanssa muodostamaan korvaavaa luonnonkaasua. Näin syntynyttä korvaava luonnonkaasua sähköstä kutsutaan e-SNG-kaasuksi. Tässä työssä tutkitaan PtG-laitoksen investointi, käyttö- ja kunnossapitokuluja. Työssä luodaan laskentamalli, jolla lasketaan PtG-laitoksen neljälle käyttötapaukselle kannattavuuslaskelma. Käyttötapauksille lasketaan myös herkkyystarkasteluja. Kannattavuuslaskelmien perusteella päätellään PtG-laitoksen liiketoimintamahdollisuudet Suomessa. Työssä laskettujen kannattavuuslaskelmien perusteella PtG-laitoksen perustapausten liiketoimintamahdollisuudet ovat huonot. Laskettujen herkkyystarkastelujen perusteella havaittiin, että investointikulut, laitoksen ajoaika ja lisätulot hapesta ja lämmöstä ovat kannattavuuden kannalta kriittisimmät menestystekijät.

Promoting Growth in the Use of Bioenergy in Europe by Converting Existing Coal-Fired Power Plants to Biomass

Repowering existing power plants by replacing coal with biomass might offer an interesting option to ease the transition from fossil fuels to renewable energy sources and promote a fur-ther expansion of bioenergy in Europe, on account of the potential to decrease greenhouse gas emissions, as well as other pollutants (SOx, NOx, etcetera). In addition, a great part of the appeal of repowering projects comes from the opportunity to reuse the vast existing invest-ment and infrastructure associated with coal-based power generation. Even so, only a limited number of experiences with repowering are found. Therefore, efforts are required to produce technical and scientific evidence to determine whether said technology might be considered feasible for its adoption within European conditions. A detailed evaluation of the technical and economic aspects of this technology constitutes a powerful tool for decision makers to define the energy future for Europe. To better illustrate this concept, a case study is analyzed. A Slovakian pulverized coal plant was used as the basis for determining the effects on perfor-mance, operation, maintenance and cost when fuel is shifted to biomass. It was found that biomass fuel properties play a crucial role in plant repowering. Furthermore, results demon-strate that this technology offers renewable energy with low pollutant emissions at the cost of reduced capacity, relatively high levelized cost of electricity and sometimes, a maintenance-intensive operation. Lastly, regardless of the fact that existing equipment can be reutilized for the most part, extensive additions/modifications may be required to ensure a safe operation and an acceptable performance.

Integrated energy storage tank for large scale power-to-gas applications

The global interest towards renewable energy production such as wind and solar energy is increasing, which in turn calls for new energy storage concepts due to the larger share of intermittent energy production. Power-to-gas solutions can be utilized to convert surplus electricity to chemical energy which can be stored for extended periods of time. The energy storage concept explored in this thesis is an integrated energy storage tank connected to an oxy-fuel combustion plant. Using this approach, flue gases from the plant could be fed directly into the storage tank and later converted into synthetic natural gas by utilizing electrolysis-methanation route. This work utilizes computational fluid dynamics to model the desublimation of carbon dioxide inside a storage tank containing cryogenic liquid, such as liquefied natural gas. Numerical modelling enables the evaluation of the transient flow patterns caused by the desublimation, as well as general fluid behaviour inside the tank. Based on simulations the stability of the cryogenic storage and the magnitude of the key parameters can be evaluated.

Pico Cell Integration to Operator’s Incident Management Process

Mobile network coverage is traditionally provided by outdoor macro base stations, which have a long range and serve several of customers. Due to modern passive houses and tightening construction legislation, mobile network service is deteriorated in many indoor locations. Typically, solutions for indoor coverage problem are expensive and demand actions from the mobile operator. Due to these, superior solutions are constantly researched. The solution presented in this thesis is based on Small Cell technology. Small Cells are low power access nodes designed to provide voice and data services.. This thesis concentrates on a specific Small Cell solution, which is called a Pico Cell. The problem regarding Pico Cells and Small Cells in general is that they are a new technological solution for the mobile operator, and the possible problem sources and incidents are not properly mapped. The purpose of this thesis is to figure out the possible problems in the Pico Cell deployment and how they could be solved within the operator’s incident management process. The research in the thesis is carried out with a literature research and a case study. The possible problems are investigated through lab testing. Pico Cell automated deployment process was tested in the lab environment and its proper functionality is confirmed. The related network elements were also tested and examined, and the emerged problems are resolvable. Operators existing incident management process can be used for Pico Cell troubleshooting with minor updates. Certain pre-requirements have to be met before Pico Cell deployment can be considered. The main contribution of this thesis is the Pico Cell integrated incident management process. The presented solution works in theory and solves the problems found during the lab testing. The limitations in the customer service level were solved by adding the necessary tools and by designing a working question pattern. Process structures for automated network discovery and pico specific radio parameter planning were also added for the mobile network management layer..