Aurinkovoimalaitoksen mitoittaminen suunnitteilla olevaan kerrostaloon

Aurinkopaneelien ja inverttereiden hinnat ovat laskeneet viime vuosina, joten au-rinkosähköstä on tullut kannattava sähköntuotantomuoto kiinteistöille. Tässä kandidaatintyössä kerrotaan, kuinka arvioida suunnitteilla olevan rakennuksen peruskuormaa aurinkopaneeleiden asennuksen näkökulmasta. Voimalaitoksen sijoituskohde sijaitsee Järvenpäässä. Kohteessa on 69 huoneistoa 8 kerroksessa ja yhteiset tilat 9. kerroksessa. Voimalaitoksen kannattavuutta tutkitaan simuloimalla tuotantoja ja arvioimalla kulutusta. Tuotantoja simuloidaan HOMER-ohjelmistolla. Rakennuksen kulutusta arvioidaan suunnittelijoilta saatujen tietojen perusteella, ja vanhempien samankaltaisten kohteiden kulutusten perusteella, jotka saadaan Nuuka-portaalista. Saaduista tuloksista huomataan, että nykyisillä sähkönhinnoilla aurinkopaneelit ovat kannattava investointi, vaikka sähköä tuotettaisiin hieman ylimääräistä, joten paneelit voidaan mitoittaa hieman kulutusta suuremmaksi. Takaisinmaksuaika on noin 20 vuotta. Tulokset ovat linjassa vanhempien tutkimusten kanssa. Tuloksista huomataan, myös että paneeleita jakamalla eri ilmansuuntiin saadaan tuotannon huipputeho pienemmäksi ja samalla tuotanto jakautumaan laajemmalle ajanjaksolle. Paneelien hintojen laskettua on kannattavaa asentaa paneeleja epäedullisempiin suuntiin, täten saadaan tuotantoa ajoitettua mahdollisesti paremmin kulutus-ta vastaavaksi. Mitoituksen voi tarkistaa rakennuksen valmistuttua, sillä raken-nuksesta tullaan mittaamaan paneeleiden tuottama sähkö ja kohteen kiinteistösähkönkulutus.

Pk-yrityksen aurinkovoimalainvestointiin vaikuttavat tekijät

Tutkielman tavoitteena on selvittää pienten ja keskisuurten yritysten aurinkovoimalainvestointiin liittyviä tekijöitä sekä erityispiirteitä. Tutkielmassa pk-yritykset on rajattu alueellisesti Etelä-Suomeen ja tekijöitä tarkastellaan investoinnin sekä päätöksenteon näkökulmasta. Keskeisenä asiana tutkielmassa on aurinkosähkömarkkinoiden nykytila sekä mahdollisuudet. Osatavoitteena on tutkia aurinkosähkön hyödyntämistä ja käyttöönottoa Suomessa sekä luoda aurinkosähkön mahdollisuuksista selkeämpi kokonaiskuva. Tutkielman tutkimusmenetelmänä käytetään laadullista tutkimusta. Tutkielma koostuu teoreettisesta katsauksesta sekä empiirisestä osuudesta. Teoreettinen osuus tarkastelee investointeja ja rahoitusvaihtoehtoja. Empiirinen osuus pitää sisällään kolmen kohdeyrityksen haastattelut. Haastattelut toteutettiin marraskuussa 2015 aurinkosähkömarkkinoilla toimiville ratkaisuntarjoajille. Haastatteluiden avulla kartoitettiin alalla toteutettujen aurinkovoimalainvestointien taustatekijöitä ja erityispiirteitä. Tutkimustuloksina havaittiin selkeitä aurinkovoimalainvestointiin vaikuttavia tekijöitä sekä muutamia erityispiirteitä. Taloudellista kannattavuutta voidaan pitää investointien lähtökohtana. Tähän vaikuttaa uusiutuvan energian investointeihin saatavilla oleva energiatuki, jolla on merkittävä vaikutus pk-yrityksen päätöksentekoon. Lisäksi ekologinen sähkön tuotanto sekä omavaraisuus nousivat haastatteluissa esiin. Johtopäätöksinä voidaan todeta aurinkosähkön sisältävän useita tekijöitä ja erityispiirteitä, joita investoijien sekä ratkaisuntarjoajien tulee ottaa huomioon. Aurinkosähkömarkkinoiden suurta potentiaalia voidaan hyödyntää tehokkaammin kehittämällä alan tiedonjakoa esille nousseiden tekijöiden ja erityispiirteiden osalta.

Aurinkosähköjärjestelmä pientaloon

Tässä kandidaatintyössä selvitetään aurinkosähköjärjestelmän rakentamisen kannattavuutta, teknisiä ratkaisuja sekä vaatimuksia pientaloon. Tutkimus suoritetaan tarkasteltavaan kiinteistöön aurinkosähköjärjestelmän teknisten ratkaisumahdollisuuksien sekä taloudellisesti kannattavimman mallin löytämiseksi. Työssä käydään läpi järjestelmän teknisten komponenttien rakennetta ja ominaisuuksia, niille määriteltyjä vaatimuksia sekä hintaa. Työssä myös simuloidaan eri voimalakokonaisuuksien tuotantoa voimalan koon optimoimiseksi kohteelle. Saatujen tulosten perusteella voimalan hankkiminen on vielä kallista ja takaisinmaksuajat pitkiä johtuen järjestelmän kalliista hinnasta. Tulevaisuudessa aurinkosähkö tulee olemaan kannattava investointi samalla, kun yhä enenevissä määrin energistyvässä maailmassa luovutaan fossiilisista polttoaineista niiden ympäristövaikutusten ja resurssien puutteen vuoksi. Aurinkosähkö on yksi potentiaalisista korvaajista tulevaisuudessa ja voimme odottaa järjestelmien hintojen laskevan kilpailun lisääntyessä. Myös valtion tuki tulevaisuudessa on mahdollinen pientuottajillekin.

Opistorakennusten energiatehokkuuden parantaminen

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää Kymenlaakson Opiston energiatehokkuuden parantamista ja tutkia onko olemassa selvästi taloudellisempi sekä ekologisempi tapa kattaa Opiston lämmitystarve verrattuna nykyisin käytössä olevaan kaukolämpöön. Työn teoriaosuudessa tehdään katsaus rakennusten energiatehokkuuteen vaikuttaviin seikkoihin, lähienergian tuotantoon ja energiatehokkuuden parantamiseen liittyvään lainsäädäntöön ja säädöksiin. Useasta rakennuksesta koostuva kansanopisto tarjoaa mielenkiintoisen pohjan selvitystyölle ja suuri lämmitystehontarve yhdistettynä monille saneerauskohteille tyypillisiin ahtaisiin teknisiin tiloihin asettaa rajoituksia lämmitysjärjestelmän suunnittelulle. Soveltavassa osuudessa määritellään reunaehdot mahdolliselle kaukolämmön korvaavalle lämmitysratkaisulle. Tutkitaan vesistölämmön hyödyntämisen mahdollisuutta ja lasketaan aurinkosähkön ja -lämmön tuotantopotentiaalia. Maalämpöjärjestelmän mitoituksessa ja taloudellisessa vertailussa käytettiin apuna maalämpöjärjestelmiä toimittavia yrityksiä. Työssä saatujen tulosten perusteella maalämpöjärjestelmä on taloudellisesti kannattava isossa kohteessa, tosin järjestelmän asennukseen liittyy ahtaiden tilojen johdosta ongelmia. Maalämpö on myös selvästi ekologisempi, kuin nykyisin käytössä oleva kaukolämpö. Aurinkosähkön tuotannolle on Kymenlaakson Opistolla hyvä potentiaali ja sähkön tuotanto kohtaa hyvin sähkön käytön.

Renewable energy scenarios for South Karelia – non-industrial energy demands

Tässä diplomityössä tarkastellaan täysin uusiutuvaa energiajärjestelmää Etelä-Karjalan maakunnan alueella, mikä onkin jo tällä hetkellä Suomen uusiutuvin maakunta. Diplomityössä tarkastellaan julkisen sektorin, liikenteen ja rakennusten energian kulutusta mutta teollisuuden energiankäyttö jätetään tarkastelun ulkopuolelle. Työssä tutustutaan tämän hetken Etelä-Karjalan energiajärjestelmään ja sen perusteella tehdään referenssi-skenaario. Tulevaisuuden skenaariot tehdään vuosille 2030 ja 2050. Tulevaisuuden skenaarioissa muutos keskittyy järjestelmän sähköistymiseen ja uusiutuvien tuotantomuotojen integroimiseen järjestelmään. Sähköistyminen kasvattaa sähkönkulutusta, joka pyritään kattamaan uusiutuvilla tuotantomuodoilla, lähinnä tuuli- ja aurinkovoimalla. Liikennesektori rajataan kumipyöräliikenteeseen ja sen muutos tulee olemaan haastavin ja aikaa vievin. Muutokseen pyritään liikennepolttoaineiden tuotannolla maakunnassa sekä sähköautoilulla. Uusiutuva energiajärjestelmä tarvitsee tuotannon ja kysynnän joustoa sekä älyä järjestelmältä. Työssä tarkastellaan myös järjestelmän kustannuksia sekä työllisyysvaikutuksia.

RF disturbances produced by high-power photovoltaic solar plants

In this thesis, analysis of electromagnetic compatibility of high-power photovoltaic solar plant is made. Current standards suitable for photovoltaic applications are given. Measurements of antenna factor for experimental setup are shown. Also, measurements of common mode disturbance voltages in high-power solar plant are given. Importance of DC-side filter is shown. In the last part of the work, electromagnetic simulations are made. These simulations show influence of several factors to EMC of power plant. Based on these simulations and measurements recommendations are given.

Analyzing the Effects of the New Renewable Energy Policy in Russia on Investments into Wind, Solar and Small Hydro Power

This thesis presents an analysis of recently enacted Russian renewable energy policy based on capacity mechanism. Considering its novelty and poor coverage by academic literature, the aim of the thesis is to analyze capacity mechanism influence on investors’ decision-making process. The current research introduces a number of approaches to investment analysis. Firstly, classical financial model was built with Microsoft Excel® and crisp efficiency indicators such as net present value were determined. Secondly, sensitivity analysis was performed to understand different factors influence on project profitability. Thirdly, Datar-Mathews method was applied that by means of Monte Carlo simulation realized with Matlab Simulink®, disclosed all possible outcomes of investment project and enabled real option thinking. Fourthly, previous analysis was duplicated by fuzzy pay-off method with Microsoft Excel®. Finally, decision-making process under capacity mechanism was illustrated with decision tree. Capacity remuneration paid within 15 years is calculated individually for each RE project as variable annuity that guarantees a particular return on investment adjusted on changes in national interest rates. Analysis results indicate that capacity mechanism creates a real option to invest in renewable energy project by ensuring project profitability regardless of market conditions if project-internal factors are managed properly. The latter includes keeping capital expenditures within set limits, production performance higher than 75% of target indicators, and fulfilling localization requirement, implying producing equipment and services within the country. Occurrence of real option shapes decision-making process in the following way. Initially, investor should define appropriate location for a planned power plant where high production performance can be achieved, and lock in this location in case of competition. After, investor should wait until capital cost limit and localization requirement can be met, after that decision to invest can be made without any risk to project profitability. With respect to technology kind, investment into solar PV power plant is more attractive than into wind or small hydro power, since it has higher weighted net present value and lower standard deviation. However, it does not change decision-making strategy that remains the same for each technology type. Fuzzy pay-method proved its ability to disclose the same patterns of information as Monte Carlo simulation. Being effective in investment analysis under uncertainty and easy in use, it can be recommended as sufficient analytical tool to investors and researchers. Apart from described results, this thesis contributes to the academic literature by detailed description of capacity price calculation for renewable energy that was not available in English before. With respect to methodology novelty, such advanced approaches as Datar-Mathews method and fuzzy pay-off method are applied on the top of investment profitability model that incorporates capacity remuneration calculation as well. Comparison of effects of two different RE supporting schemes, namely Russian capacity mechanism and feed-in premium, contributes to policy comparative studies and exhibits useful inferences for researchers and policymakers. Limitations of this research are simplification of assumptions to country-average level that restricts our ability to analyze renewable energy investment region wise and existing limitation of the studying policy to the wholesale power market that leaves retail markets and remote areas without our attention, taking away medium and small investment into renewable energy from the research focus. Elimination of these limitations would allow creating the full picture of Russian renewable energy investment profile.

Energy and Dynamics of the solar agricultural robot "SolarSprayer"

The main objective of the present study was to design an agricultural robot, which work is based on the generation of the electricity by the solar panel. To achieve the proper operation of the robot according to the assumed working cycle the detailed design of the main equipment was made. By analysing the possible areas of implementation together with developments, the economic forecast was held. As a result a decision about possibility of such device working in agricultural sector was made and the probable topics of the further study were found out.

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.

Electromagnetic and thermal design of a multilevel converter with high power density and reliability

Electric energy demand has been growing constantly as the global population increases. To avoid electric energy shortage, renewable energy sources and energy conservation are emphasized all over the world. The role of power electronics in energy saving and development of renewable energy systems is significant. Power electronics is applied in wind, solar, fuel cell, and micro turbine energy systems for the energy conversion and control. The use of power electronics introduces an energy saving potential in such applications as motors, lighting, home appliances, and consumer electronics. Despite the advantages of power converters, their penetration into the market requires that they have a set of characteristics such as high reliability and power density, cost effectiveness, and low weight, which are dictated by the emerging applications. In association with the increasing requirements, the design of the power converter is becoming more complicated, and thus, a multidisciplinary approach to the modelling of the converter is required. In this doctoral dissertation, methods and models are developed for the design of a multilevel power converter and the analysis of the related electromagnetic, thermal, and reliability issues. The focus is on the design of the main circuit. The electromagnetic model of the laminated busbar system and the IGBT modules is established with the aim of minimizing the stray inductance of the commutation loops that degrade the converter power capability. The circular busbar system is proposed to achieve equal current sharing among parallel-connected devices and implemented in the non-destructive test set-up. In addition to the electromagnetic model, a thermal model of the laminated busbar system is developed based on a lumped parameter thermal model. The temperature and temperature-dependent power losses of the busbars are estimated by the proposed algorithm. The Joule losses produced by non-sinusoidal currents flowing through the busbars in the converter are estimated taking into account the skin and proximity effects, which have a strong influence on the AC resistance of the busbars. The lifetime estimation algorithm was implemented to investigate the influence of the cooling solution on the reliability of the IGBT modules. As efficient cooling solutions have a low thermal inertia, they cause excessive temperature cycling of the IGBTs. Thus, a reliability analysis is required when selecting the cooling solutions for a particular application. The control of the cooling solution based on the use of a heat flux sensor is proposed to reduce the amplitude of the temperature cycles. The developed methods and models are verified experimentally by a laboratory prototype.

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.

Screening of power to gas projects

The purpose of this thesis was the screening of power to gas projects worldwide and reviewing the technologies used and applications for the end products. This study focuses solely on technical solutions and feasibility, economical profitability is excluded. With power grids having larger penetrations of intermittent sources such as solar and wind power, the demand and production cannot be balanced in conventional methods. Technologies for storing electric power in times of surplus production are needed, and the concept called power to gas is a solution for this problem. A total of 57 projects mostly located in Europe were reviewed by going through publications, presentations and project web pages. Hydrogen is the more popular end product over methane. Power to gas is a viable concept when power production from intermittent sources needs to be smoothed and time shifted, when carbon free fuels are produced for vehicles and when chemical industry needs carbon neutral raw materials.

Techno-Economic Assessment of LNG and Diesel Production and Global Trading Based on Hybrid PV-Wind Power Plants and PtG, GtL and PtL Technologies

With growing demand for liquefied natural gas (LNG) and liquid transportation fuels, and concerns about climate change and causes of greenhouse gas emissions, this master’s thesis introduces a new value chain design for LNG and transportation fuels and respective fundamental business cases based on hybrid PV-Wind power plants. The value chains are composed of renewable electricity (RE) converted by power-to-gas (PtG), gas-to-liquids (GtL) or power-to-liquids (PtL) facilities into SNG (which is finally liquefied into LNG) or synthetic liquid fuels, mainly diesel, respectively. The RE-LNG or RE-diesel are drop-in fuels to the current energy system and can be traded everywhere in the world. The calculations for the hybrid PV-Wind power plants, electrolysis, methanation (H2tSNG), hydrogen-to-liquids (H2tL), GtL and LNG value chain are performed based on both annual full load hours (FLh) and hourly analysis. Results show that the proposed RE-LNG produced in Patagonia, as the study case, is competitive with conventional LNG in Japan for crude oil prices within a minimum price range of about 87 - 145 USD/barrel (20 – 26 USD/MBtu of LNG production cost) and the proposed RE-diesel is competitive with conventional diesel in the European Union (EU) for crude oil prices within a minimum price range of about 79 - 135 USD/barrel (0.44 – 0.75 €/l of diesel production cost), depending on the chosen specific value chain and assumptions for cost of capital, available oxygen sales and CO2 emission costs. RE-LNG or RE-diesel could become competitive with conventional fuels from an economic perspective, while removing environmental concerns. The RE-PtX value chain needs to be located at the best complementing solar and wind sites in the world combined with a de-risking strategy. This could be an opportunity for many countries to satisfy their fuel demand locally. It is also a specific business case for countries with excellent solar and wind resources to export carbon-neutral hydrocarbons, when the decrease in production cost is considerably more than the shipping cost. This is a unique opportunity to export carbon-neutral hydrocarbons around the world where the environmental limitations on conventional hydrocarbons are getting tighter.

The Middle East in the American quest for world order : ideas of power, economics, and social development in United States foreign policy, 1953-1961

Doctoral dissertation, University of Tampere