Pienet alle 4MW yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto mahdollisuudet

Tässä energiatekniikan kandidaatintyössä tarkastellaan pieniä yhdistetyn sähkön- ja lämmön tuotantotekniikoita ja niiden mahdollisuuksia nykypäivänä. Työssä selvitetään millaisia laitosratkaisuja eri valmistajilla on tällä hetkellä. Lisäksi työssä tarkastellaan voimalaitoksen rakennus- ja käyttökustannuksia, kannattavuutta, sekä verkkoon liitäntä mahdollisuuksia, kun polttoaineena käytetään biopolttoainetta.

Comparison of electricity generation costs

The economical competitiveness of various power plant alternatives is compared. The comparison comprises merely electricity producing power plants. Combined heat and power (CHP) producing power will cover part of the future power deficit in Finland, but also condensing power plants for base load production will be needed. The following types of power plants are studied: nuclear power plant, combined cycle gas turbine plant, coal-fired condensing power plant, peat-fired condensing power plant, wood-fired condensing power plant and wind power plant. The calculations are carried out by using the annuity method with a real interest rate of 5 % per annum and with a fixed price level as of January 2008. With the annual peak load utilization time of 8000 hours (corresponding to a load factor of 91,3 %) the production costs would be for nuclear electricity 35,0 €/MWh, for gas based electricity 59,2 €/MWh and for coal based electricity 64,4 €/MWh, when using a price of 23 €/tonCO2 for the carbon dioxide emission trading. Without emission trading the production cost of gas electricity is 51,2 €/MWh and that of coal electricity 45,7 €/MWh and nuclear remains the same (35,0 €/MWh) In order to study the impact of changes in the input data, a sensitivity analysis has been carried out. It reveals that the advantage of the nuclear power is quite clear. E.g. the nuclear electricity is rather insensitive to the changes of nuclear fuel price, whereas for natural gas alternative the rising trend of gas price causes the greatest risk. Furthermore, increase of emission trading price improves the competitiveness of the nuclear alternative. The competitiveness and payback of the nuclear power investment is studied also as such by using various electricity market prices for determining the revenues generated by the investment. The profitability of the investment is excellent, if the market price of electricity is 50 €/MWh or more.

Optimised Utilization of Bioenergy in Poland

The aim of the study was to ford out the availability of biomasses, which are available for energy production, in Poland. Biomasses which were examined were forest residues and surplus straw. Availability was examined by 16 Polish voivodeships, which are provinces in Poland. After fording out the amounts of biomasses for energy production was examined the need of biomass in the biggest CHP plants in Poland. It was expected that all the plants uses 15 % of biomass as the fuel. In the first parts of the report are explained the legislation which effects to biomass use in energy production in EU level and in Polish level. Also the combustion methods best for biomasses are explained by examples. After this, is studied the general situation of renewable energy use in Poland and the facts about the country. In the last parts it's explained the calculations and is shown the example cases. When it was found out the needs and supply of biomass it was examined by examples how it could be transported to the plants from the producers. Also was examined costs effected, if there were logistical terminals between the producer and the end user. The estimation was done by setting prices for the biomass, and fording out average costs for producing and transporting biomass. There are a lot of surplus biomasses in Poland which could be used for energy production, and this is a one way to reach the goals that EU has set of renewable energies. But because biomasses doesn't have such a good calorific value, it isn't worth able to transport it very long distances. In the research was set the prices for producer 9€/MWh and for end user 15€/MWh, the maximum transportation distance for forest residues was 52 km and for straw 56 km. These are example estimations and it has to be remembered that there are a lot of factors that makes inaccurate. The model is really sensitive and by changing one parameter the results change a lot.

Utilisation of biomass for energy production in the North-West Russian forest industry

Traditionally, fossil fuels have always been the major sources of the modern energy production. However prices on these energy sources have been constantly increasing. The utilization of local biomass resources for energy production can substitute significant part of the required energy demand in different energy sectors. The introduction of the biomass usage can easily be started in the forest industry first as it possesses biomass in a large volume. The forest industry energy sector has the highest potential for the fast bioenergy development in the North-West Russia. Therefore, the question concerning rational and effective forest resources use is important today as well as the utilization of the forestry by-products. This work describes and analyzes the opportunities of utilising biomass, mainly, in the form of the wood by-products, for energy production processes in general, as well as for the northwest Russian forest industry conditions. The study also covers basic forest industry processes and technologies, so, the reader can get familiar with the information about the specific character of the biomass utilization. The work gives a comprehensive view on the northwest forest industry situation from the biomass utilisation point of view. By presenting existing large-scale sawmills and pulp and paper mills the work provides information for the evaluation of the future development of CHP investments in the northwest Russian forest industry.

Euroopan unionin kestävyyskriteerien soveltuvuus liikenteen biopolttoaineiden kasvihuonekaasuvaikutusten arviointiin

Euroopan unioni on niin sanotussa RES-direktiivissä asettanut tavoitteet uusiutuvan energian käytön lisäämiseksi 10 %:iin liikenteen energian kulutuksesta kaikissa jäsenmaissa vuoteen 2020 mennessä. Eräs näistä uusiutuvan energian muodoista on biopolttoaineet. Tässä työssä testataan RES-direktiivissä esitettyä laskentamenetelmää biopolttoaineiden tuotannon ja käytön kasvihuonekaasupäästöjen arviointiin. Esimerkkitapauksena on yhdyskuntien ja teollisuuden jätemateriaalia raaka-aineena käyttävän jäte-etanoliprosessin ja siihen yhdistetyn sähköä ja lämpöä tuottavan CHP-laitoksen päästölaskenta. Laskennan yhteydessä käy ilmi RES-direktiivin laskentamenetelmän tulkinnanvaraisuus. Laskentamenetelmän perusteella järjestelmäraja voidaan asettaa usealla eri tavalla, jolloin saadut päästövähennystulokset vaihtelevat huomattavasti eri tulkintavaihtoehtojen välillä. Jäte-etanolin tapauksessa tulokset ovat myös hyvin riippuvaisia jätemateriaalille määritellystä päästökertoimesta. Laskennan perusteella voidaankin sanoa, että RES-direktiivin laskentamenetelmällä saadut päästövähennystulokset biopolttoaineille ovat hyvin epävarmoja ja riippuvat sekä laskennan lähtöoletuksista että direktiivin tulkintatavasta. RES-direktiivin laskentamenetelmää voidaan myös pitää hyvin suppeana lähestymistapana biopolttoaineiden kasvihuonekaasuvaikutusten arviointiin. Tarkastelua tehdään suppealla järjestelmärajalla ja esimerkiksi biopolttoaineketjujen aiheuttamat epäsuorat ilmastovaikutukset jäävät huomioimatta. RES-direktiivin laskentamenetelmä perustuu perinteiseen staattiseen elinkaariarviointiin eli syytarkasteluun eikä sovellu arvioimaan muutosta. Ilmastomuutoksen hillinnän haastavuuden ja kiireellisyyden vuoksi biopolttoaineiden ilmastovaikutuksia tulisi kuitenkin arvioida myös laajemmin muutostarkasteluna, ja verrata biopolttoaineiden avulla saatuja päästövähennyksiä muilla keinoin saavutettuihin päästövähennyksiin. Näin voitaisiin paremmin arvioida sitä, mitkä keinot soveltuvat parhaiten nopeiden päästövähennysten saavuttamiseen.

Project owner’s and outside engineering consultant’s role in power plant implementation projects

The purpose of this study was to investigate the nature of co-operation between a project owner and an outside engineering consultant in combined heat and power plant implementation projects. Moreover, as another focal subject of the study was to familiarize the purchasing behavior of the energy producer and how an outside engineering consultant participated into different stages of the purchasing process. The study was carried out as a multiple case study including altogether six Finnish power plant implementation projects that had been taken into commercial use during 1995 – 2015. By adjusting the findings of empirical interview data and comparing those to the theoretical framework concerning, among others, Finnish energy production, engineering consulting businesses, delivery methods of construction project and finally the purchasing process, it can be concluded that especially in the power plant implementation projects in the past have a great influence to decisions made during the project. The role of the main engineering consultant is to act as an assistant, who helps to achieve the project goals successfully rather than an advisor who only knows how the project should be conducted. At least in these five project cases this was the case, meaning that the final decision power always remaining with project owner.

Keskitetyn lämmöntuotannon kehittämismahdollisuudet Lahden seudulla ilmastonmuutoksen näkökulmasta

Tämä diplomityö on tehty Aalto yliopiston Teknillisen korkeakoulun Lahden keskuksen IMMU-hankkeeseen. Teoriaosassa tarkastellaan kaukolämmityksen nykytilannetta ja sen tulevai-suuteen vaikuttavia tekijöitä. Työssä on tarkasteltu Lahti Energia Oy:n Kymijärven voimalaitosalueen kehittämismahdollisuuksia vuosina 2012 ja 2016. Vertailukohtana käytetään nykytilannetta vuoden 2009 tiedoilla. Työssä on selvitetty voimalaitosalueen elinkaaren aikaisia kasvihuonekaasupäästöjä ja niiden muutoksia mahdollisten uusien voimalaitosinvestointien myötä. Vuonna 2012 alueelle rakennetaan kiinteää polttoainetta käyttävä kaasutusvoimalaitos jolloin nykyisen laitoksen käyttö ja samalla kivihiilen käyttö vähenee huomattavasti. Tässä työssä vuoden 2016 skenaariossa alueelle ajatellaan rakennettavan kolmas voimalaitos, maakaasukäyttöinen kaasukombiturbiini. Tarkasteluissa energiantuotantomäärien oletetaan pysyvän nykytilanteen suuruisina. Työssä tarkasteltujen skenaarioiden perusteella alueen yhdistetyn kaukolämmön- ja sähköntuotannon (CHP) päästöjä voitaisiin vähentää vuonna 2012 noin 20 % ja vuonna 2016 noin 30 % nykytilanteesta. Esitettyjen investointien riskinä on sopivan polttoaineen saatavuus ja riittävyys. Lisäksi työssä tarkasteltiin kaasutusvoimalaitoksen ja kaasukombiturbiinin takaisinmaksuaikoja. Kierrätyspolttoaineen hinnan kallistuminen hinnasta 5 €/MWh hintaan 15 €/MWh vaikutti kaasutusvoimalaitoksen takaisinmaksuaikaan yhdeksällä vuodella. Kaasukombiturbiinin takaisinmaksuaika piteni tämän hetkiseen maakaasun hintaan 27 €/MWh verrattuna päästöoikeuden lisäkustannus 6 €/MWh huomioiden kahdeksan vuotta. Takaisinmaksuaikaan vaikuttaa muun muassa polttoaineen hinta ja laitoksen huipunkäyttöaika.

Biopolttoaineiden lisäämismahdollisuudet kaukolämmön tuotannossa pienen kokoluokan tuotantolaitoksissa Lahden seudulla

Tämä diplomityö on tehty IMMU-hankkeeseen, jossa selvitetään konkreettisia keinoja ilmastonmuutoksen hillintään Lahden seudulla. Diplomityössä tarkastellaan mahdollisuuksia lisätä biopolttoaineita pienen kokoluokan kaukolämmön tuotantolaitoksissa. Teoria osuuden pohjalta luodaan skenaariot Nastolaan ja Vääksyyn (Asikkala). Skenaarioissa tarkastellaan biopolttoaineiden lisäämisen vaikutuksia kasvihuonekaasu- ja hiukkaspäästöihin käyttämällä elinkaariarviointimenetelmää. Taloudellisia seikkoja tarkastellaan laskemalla takaisinmaksuaikoja eri biolaitosratkaisuille nettonykyarvomenetelmällä. Tutkimuksen tuloksena saatiin, että kasvihuonekaasupäästöt tuotannon elinkaaren ajalta vähenevät eniten tuottamalla kaukolämmön perustuotanto Nastolassa ja Vääksyssä bio-CHP-laitoksella haketta polttamalla. Kiinteitä biopolttoaineita poltettaessa tulevat kuitenkin suurimmat hiukkaspäästöt, mikä vaikuttaa asuinympäristön viihtyvyyteen tuotantolaitoksen läheisyydessä. Bio-CHP-laitoksen investointikustannukset ovat suurimmat ja takaisinmaksuaika pisin. Nastolan kulutusperusteisiä päästöjä pystytään vähentämään eniten investoimalla biolämpölaitokseen tai bio-CHP-laitokseen. Päästöjä Nastolassa pystyttäisiin kyseisillä investoinneilla vähentämään enimmillään 6,4 %. Lahti energian kokonaispäästöjä pystyttäisiin enimmillään vähentämään noin 1,6 %. Johtopäätöksenä tutkimuksesta voidaan sanoa, että kasvihuonekaasupäästöjä pystytään vähentämään investointien avulla. Toiset ratkaisut ovat vain kalliimpia kuin toiset. Lisäksi kiinteitä biopolttoaineita käytettäessä jotkut poltto-ominaisuudet voivat heiketä esim. verrattuna maakaasun polttoon. Biopolttoaineiden lisäämisellä kuitenkin päästään irti riippuvuudesta fossiilisiin polttoaineisiin kuten öljyyn ja maakaasuun. Investointeja tehdessä on vaikea sanoa suoraan, mikä vaihtoehto on paras tapa tuottaa kaukolämpöä. Investointipäätöksiä tehdessä päätökseen vaikuttaa se, mitä tuotannon ominaispiirteitä painotetaan eniten.

Biokaasun tuottaminen ja hyödyntäminen Lappeenrannassa

Lappeenrannassa kerätään ja hyödynnetään tällä hetkellä kaatopaikkakaasua 0,3 milj.m3 vuodessa. Biokaasua voitaisiin tuottaa Lappeenrannassa mädättämällä bioperäisiä jätteitä ja biokaasuntuotantoa varten kasvatettuja energiakasveja. Biokaasuntuotantoon soveltuvia jätteitä ovat erilliskerätty biojäte, jätevedenpuhdistamon jätevesiliete, puutarhajäte, lietelannat ja oljet. Kesannolla olevilla peltoaloilla voitaisiin kasvattaa ruokohelpeä. Biokaasun tuotantoon soveltuvia materiaaleja voitaisiin kerätä 143 000 t/a ja kasvattaa 68 000 t/a. Työssä tarkastellaan vaihtoehtoa, jossa mädätetään vain puhdistamoliete, sekä useita materiaaleja mädättävää yhteismädättämöä, johon liittyen tutkitaan kolmea eri vaihtoehtoa: kunnallisen jätteen mädätystä, kaiken jätteen mädätystä ja jätteen sekä energiakasvien mädätystä. Paras sijoituspaikka mädättämölle olisi jätevedenpuhdistamon läheisyydessä. Jätemateriaalista saataisiin kaasua enintään 12 milj. m3 ja energiakasveista enintään 16 milj. m3. Kaasusta voitaisiin tuottaa energiaa CHP-laitoksessa enintään 184 GWh. Mikäli biokaasun tuotannolla halutaan ensisijaisesti vähentää kasvi-huonekaasupäästöjä, kannattaa kaasu jalostaa ajoneuvopolttoaineeksi. Jalostettu kaasu on mahdollista myös syöttää maakaasuverkostoon. Suurimmat tulot on mahdollista saavuttaa yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa, mikäli biokaasulle suunniteltu syöttötariffi toteutuu. Muussa tapauksessa suurimmat tulot saadaan jalostamalla biokaasua ajoneuvojen polttoaineeksi.

Uudisrakennusalueen lämmitysratkaisujen valinta – tulevaisuuden haasteet ja niihin vastaaminen

Matalaenergiarakentaminen asettaa uudenlaisia haasteita ja mahdollisuuksia lämpöenergian tuotannolle. Lämmitysjärjestelmien mitoitustehot eivät laske samassa suhteessa kuin lämmitysenergiankulutus, mikä suosii alhaisia investointeja muuttuvien kulujen kustannuksella. Työssä tutkittiin viittä vaihtoehtoista tapaa tuottaa kohdealueen rakennuskannan vuotuinen lämpöenergiantarve. Kohdealue koostui pääasiallisesti matalaenergiakerrostaloista. Neljä vaihtoehtoa perustui kaukolämpöön ja yksi matalaenergiaverkkoon varustettuna kiinteistökohtaisilla lämpöpumpuilla. Lähialueen jätevedenpuhdistamolle sijoitettu keskitetty lämpöpumppuratkaisu muodostui kokonaiskustannuksiltaan edullisimmaksi vaihtoehdoksi tuottaa kohdealueen rakennuskannan lämpöenergiantarve. Haketta polttoaineenaan käyttävä pien-CHPlaitos omasi vastaavasti pienimmän hiilijalanjäljen, mutta oli kustannusrakenteeltaan epäedullinen. Kohdealue ja vaihtoehtoiset lämmitysjärjestelmät mallinnettiin GaBi 4.3 elinkaarimallinnusohjelmistolla vaihtoehtojen hiilijalanjälkien selvittämiseksi.

ORC-prosessin käyttö sähköntuotannossa

Tässä energiatekniikan kandidaatintyössä tarkastellaan ORC-prosessia ja -tekniikkaa, sen erilaisia osa-alueita, ORC:n käyttökohteita, markkinoita sekä tulevaisuuden haasteita. Työssä selvitetään myös millaisia teknisiä ratkaisuja valmistajilla on tarjota tällä hetkellä. Työn tavoitteena on tehdä selvitys ORC-teknologian nykytilasta. ORC-prosessilla (Organic Rankine Cycle) tarkoitetaan Rankine-prosessia, jossa kiertoaineena veden sijaan on käyttökohteeseen sopiva orgaaninen fluidi. Orgaanisen kiertoaineen käyttö mahdollistaa verrattain matalalla lämpötilatasolla vapautuvan lämmön hyödyntämisen, mikä olisi muuten vaikea tai mahdoton hyödyntää perinteisellä vesihöyryprosessilla. Huoli energian riittävyydestä, kasvavista polttoainekustannuksista, päästörajoitusten tiukentumisesta sekä vihreän ajattelutavan yleistyminen ovat lisänneet mielenkiintoa tuottaa sähköä hyödyntämällä matalamman lämpötilatason lämpöä. ORC:n periaate on ollut jo vuosikymmeniä hyvin tiedossa. Monia uusia menetelmiä on kehitetty tuottamaan sähköä matalammista lämpötiloista, mutta kaikista sovelluksista ORC-prosessi on yleisin.

Biokaasu pienen kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotannossa

Tässä työssä tarkastellaan mädättämällä saadun biokaasun käyttöä pienen kokoluokan alle 100 kWe sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Työssä esitellään biokaasun tuotanto biokaasureaktorissa anaerobisella käsittelyllä eli mädättämällä sekä nykypäivänä käytössä olevat biokaasua käyttävät pienen kokoluokan energiantuotantotekniikat alle 100 kWe kokoluokassa. Lisäksi tutkitaan maatilakokoluokan biokaasulaitoksen kannattavuutta, sekä esitellään eri toimittajia biokaasulaitokseen liittyen. Työn loppuosassa käsitellään myös tulevaisuudennäkymiä biokaasusektorilla. Hajautettu energiantuotanto on nouseva teknologia-alue ja monet toimenpiteet Euroopan unionin alueella kannustavat hajautettuun sekä kestävään energiantuotantoon. Suomen uusiutuvan energian velvoitepaketissa on tavoitteena lisätä biokaasulla tuotetun kokonaisenergian määrä vuodessa 1 TWh:iin vuoteen 2020 mennessä, kun se vuonna 2009 oli 0,44 TWh. Kiinnostus biokaasuteknologiaa ja biokaasua käyttävien pienen kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotantoratkaisuja kohtaan onkin lisääntynyt viime vuosien aikana.

Economics of combined power plant and pyrolysis bio-oil production

There are reasons of necessity in bio-fuel use and bio-energy fast development. It includes the material about bio-energy technologies, applications and methods. There are basic thermodynamics and economic theories. The economic calculation presents the comparison between two combinations. There are boiler plant below 20 MW in combination with ablative pyrolysis plant for bio-oil production and CHP plant below 100 MW in combination with the RTP pyrolysis bio-oil production technology. It provides a material about wood chips and bio-oil characteristics and explains it nature, presents the situation around the bio-fuel market or bio-fuel trade. There is a description of pyrolysis technologies such as ablative and RTP. The liquid product of the pyrolysis processes is bio-oil. The bio-oil could be different even of the same production process, because of the raw material nature and characteristics. The calculation shows advantages and weaknesses of combinations and obtained a proof of suppositions. The next thing, proven by this work is the fact that to get more efficiency from energy project it is good possibility to built plants in combinations.

Energiantuotantovaihtoehtojen vertailu, Jousenpuiston uusi asuinalue

Tämän diplomityön tavoitteena oli vertailla paikallisia energiantuotantovaihtoehtoja eri-tyisesti lämmöntuotantoon painottuen. Tarkastelu sovitettiin uuden matalaenergiarakentamista vastaavan kerrostaloasuinalueen tarpeisiin. Näkökulmana olivat sekä taloudellisuus että hiilidioksidipäästöt. Yksityiskohtaisemman tarkastelun kohteena olivat maalämpö, alueellinen biolämpölaitos sekö alueellinen pien-CHP-laitos. Perusvaihtoehtona tutkittiin kaukolämpöä. Kaikkiin vaihtoehtoihin kuului myös kapasiteetiltaan rajoitettu jäähdytys. Tulosten mukaan kokonaistaloudellisin vaihtoehto oli maalämpö yhdistettynä kaukolämpöön. Tässä vaihtoehdossa peruslämpö tuotetaan maalämmöllä, mutta huippu-lämpöön sekä käyttöveden lämmitykseen käytetään kaukolämpöä. Ratkaisulla saadaan aikaan myös päästövähennyksiä kaukolämpöön verrattuna. Tulosten mukaan pienimmät päästöt olivat pien-CHP-biovoimalaitoksella. Toisaalta nykyisillä sähkön myyntihinnoilla pienimuotoinen yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto ei pysty kilpailemaan kustannusrakenteensa puolesta muiden tutkittujen vaihtoehtojen kanssa.

Bioenergia – verkoston operatiivinen ja strateginen kehittäminen

Nykypäivän entisestään kovenevassa globaalissa liiketoimintaympäristössä jatkuvan ja pitkäaikaisen kilpailukyvyn ylläpitämiseen ja kehittämiseen vaaditaan laajalti kyvykkyyksiä, kompetensseja ja erilaisia resursseja. Etenkään pienet yritykset eivät pysty vastaamaan nykypäivän liiketoiminnan vaatimuksiin ja tavoitteisiin, jolloin ne tarvitsevat osaamista ja resursseja ulkopuolisilta toimijoilta, jopa mahdollisilta kilpailijoiltaan. Painotus on kilpailutilanteessa siirtynyt yksittäisistä yrityksistä verkostojen välisiksi turnauksiksi liiketoiminnan armottomilla pelikentillä. Diplomityö pohjautuu Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimuskeskuksessa (TBRC) toteutettuun moniosaiseen tutkimukseen lämpöliiketoiminnan verkostorakenteista ja niiden ominaisuuksista. Tavoitteena on yleisen tietouden kasvattaminen pienten lämpölaitosalan toimijoiden verkostorakenteista, niiden eroista ja tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista. Pääpaino diplomityössä on juuri verkostojen kuvaamisella ja tietouden kasvattamisella, mutta myös rakenteiden ja toimintojen kehittämisessä vertikaalisen ja horisontaalisen verkostokehityksen viitekehyksen avulla, huomioiden operatiiviset ja strategiset tarpeet kilpailukyvyn ylläpitämisessä. Tutkimuksessa tunnistettiin huomattavia eroavaisuuksia lämpölaitosten toiminta-tavoissa sekä verkostorakenteissa ja niissä tapahtuvissa transaktioissa. Kirjallisuudessa esitettyjä onnistuneiden ja tehokkaasti toimivien verkostojen ominaisuuksien korrelaatioita lämpöliiketoiminnan operatiivisiin ja strategisiin toimintoihin vertaillaan tarkoitukseen muokatulla laadun talo -matriisilla. Tärkeimmiksi tulevaisuuden kehityskohteiksi analyysien perusteella havaittiin resurssien ja tietotaidon tehokkaamman jakamisen, yhteistyösuhteiden laajuuksien ja lukumäärien kasvattamisen sekä yhteistyösuhteiden strategisuuden lisäämisen.