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.

Phenolics of the Inner Bark of Silver Birch: Characterization and Intraspecific Variation

This thesis describes work related to the in-depth characterization of the phenolic compounds of silver birch (Betula pendula) inner bark. Phenolic compounds are the most ubiquitous class of plant secondary compounds. The unifying feature of this structurally diverse group is an aromatic ring containing at least one hydroxyl group. Due to the structural diversity, phenolics have various roles in the plant defense against biotic and abiotic stresses. In addition, they can confer several health-promoting properties to humans. Furthermore, the structural diversity of this class of compounds causes challenges for their analysis. The study species in the present work, silver birch, is economically the most important hard wood species in northern Europe. Its inner bark contains a high level of phenolic compounds and it has shown one of the strongest antioxidant activities among 92 Finnish plant materials. The literature review surveys the diversity and organ specific distribution of phenolic compounds in silver birch as well as the proposed ecological functions of phenolic compounds in nature. In addition, the basis for the characterization of phenolics by mass spectrometry (MS), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), and circular dichroism spectroscopy (CD) are reviewed. The objective of the experimental work was to extract, purify, characterize, and quantify the inner bark phenolic compounds. Overall 36 compounds were characterized by MS and ultraviolet spectroscopy (UV). 24 compounds were isolated and their structures confirmed by NMR and CD spectroscopy. Five novel natural compounds were identified. Special emphasis was placed on the establishment of a method for the characterization of proanthocyanidins (PAs). Hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) was utilized because of its high resolution power and predictable elution order of oligomeric and polymeric PAs according to an increasing degree of polymerization. The combination of HILIC and high-resolution MS detection allowed the identification of procyanidin (PC) polymers up to the degree of polymerization of 22. In addition, a series of oligomeric and polymeric PC monoxylosides were observed for the first time in nature. Season and genotype influenced the quantities of the main inner bark phenolics, yet qualitative differences were not observed. However, manual wounding of the inner bark induced the production of ellagitannins (ETs) in the wounded tissues, i.e. callus. Since ETs were not detected in the intact inner bark, this finding may reflect the capacity of silver birch to exploit ellagitannins in its defense.

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.

Lauhdevoimakapasiteetin ennenaikaisen poistumisen energiataloudelliset vaikutukset

Tässä diplomityössä on tutkittu lauhdekapasiteetin ennenaikaisen markkinoilta poistumisen energiataloudellisia vaikutuksia. Tarkastelu toteutettiin sähkömarkkinamallinnuksen avulla luomalla kaksi erilaista lauhdekapasiteettiskenaariota perustuen arvioituun lauhdekapasiteetin poistumiseen sekä vastavuoroisesti sen säilymiseen markkinoilla. Skenaarioiden vaikutuksia tutkittiin myös herkkyystarkasteluin ja tuloksia analysoitiin energiataloudellisesta näkökulmasta. Työn tavoitteena oli selvittää lauhdekapasiteetin ennenaikaisen poistumisen energiataloudellista kustannusta. Viime vuosien pitkittynyt talouden taantuma on hillinnyt kysynnän ennakoitua kehitystä johtaen alhaiseen sähkön markkinahintatasoon. Samalla tiukentuneet energiatuotannon ympäristövaatimukset asettavat investointirasitteita perinteisille voimalaitoksille heikentäen niiden taloudellisen kannattavuuden edellytyksiä. Markkinasähkön alhainen hintataso yhdessä investointirasitteiden kanssa asettaa haasteita etenkin usein rajatuotantomuotona toimiville lauhdelaitoksille. Alhaisen kannattavuuden seurauksena lauhdekapasiteettia arvioidaan poistuvan ennen teknisen käyttöiän täyttymistä markkinoilta merkittävästi lähivuosina. Kapasiteetin poistuminen kasvattaa oman tuotannon ja kysynnän välistä tehovajetta, minkä vuoksi sähköjärjestelmän nähdään tiukentuvan merkittävästi ennen rakenteilla olevan ydinvoimalaitoksen valmistumista. Työssä toteutettujen mallinnusten perusteella lauhdekapasiteetin väheneminen nostaa sähkön hintatasoa sekä lisää korkeiden hintapiikkien esiintymistä merkittävästi suhteessa korkeamman kapasiteetin tuloksiin. Sähköjärjestelmä on hyvin tiukka ennen rakenteilla olevan ydinvoimalaitoksen käyttöönottoa, minkä vuoksi lauhdekapasiteetin eroavaisuuksien vaikutukset ovat merkittävä etenkin poikkeuksellisen kylmänä vuotena. Lauhdekapasiteetin merkitys pienenee selvästi 2020-luvulla, kun oma tuotantokapasiteetti kasvaa. Työn tulosten perusteella lähivuosina alhaisemman lauhdekapasiteetin aiheuttama vuotuinen energiataloudellinen kustannus on huomattavasti korkeampi kuin laitosten kannattavan ylläpidon vaatima kustannus.

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.