Commercialization of Modern Renewable Energy

The threat of global warming and its consequences are widely recognized, and the question of how to proceed with the long transition towards fossil fuel -neutral economies concerns many nations and people. At the same time the world’s primary energy use is predicted to increase significantly during the next decades as a result of global population and welfare increase. Improved energy efficiency and increased use of renewable energy sources in the world’s energy mix play important roles in the future energy production and consumption. The objective of this thesis is to study how novel renewable energy technologies, such as distributed small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies could be commercialized efficiently. A wide array of attributes may contribute to the diffusion of new products. In general, the bioenergy and wind power technologies are in emerging phases, and the diffusion stage varies from country to country. The effects of firms’ technology choices, collaboration and alliances are studied in this thesis. Furthermore, the roles of national energy infrastructure and energy support schemes in the commercialization of new renewable energy products are explored. The empirical data is based on energy expert interviews, financial and patent data, and literature reviews of different case studies. The thesis comprises two parts. The first part provides an overview of the study, and the second part includes six research publications. The results reveal that small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies are still in emerging phases in their life cycles, and energy support schemes are crucial in the market diffusion. The study contributes to earlier findings in the literature and industry by confirming that adequate energy policies and energy infrastructure are fundamental in the commercialization of novel renewable energy technologies. Firm-specific issues, including business relationships and new business models, and market-related issues will have a more significant role in the market penetration in the future, when the technologies mature and become competitive without political support schemes.

Greenhouse gas emissions from peat and biomass-derived fuels, electricity and heat — Estimation of various production chains by using LCA methodology

More discussion is required on how and which types of biomass should be used to achieve a significant reduction in the carbon load released into the atmosphere in the short term. The energy sector is one of the largest greenhouse gas (GHG) emitters and thus its role in climate change mitigation is important. Replacing fossil fuels with biomass has been a simple way to reduce carbon emissions because the carbon bonded to biomass is considered as carbon neutral. With this in mind, this thesis has the following objectives: (1) to study the significance of the different GHG emission sources related to energy production from peat and biomass, (2) to explore opportunities to develop more climate friendly biomass energy options and (3) to discuss the importance of biogenic emissions of biomass systems. The discussion on biogenic carbon and other GHG emissions comprises four case studies of which two consider peat utilization, one forest biomass and one cultivated biomasses. Various different biomass types (peat, pine logs and forest residues, palm oil, rapeseed oil and jatropha oil) are used as examples to demonstrate the importance of biogenic carbon to life cycle GHG emissions. The biogenic carbon emissions of biomass are defined as the difference in the carbon stock between the utilization and the non-utilization scenarios of biomass. Forestry-drained peatlands were studied by using the high emission values of the peatland types in question to discuss the emission reduction potential of the peatlands. The results are presented in terms of global warming potential (GWP) values. Based on the results, the climate impact of the peat production can be reduced by selecting high-emission-level peatlands for peat production. The comparison of the two different types of forest biomass in integrated ethanol production in pulp mill shows that the type of forest biomass impacts the biogenic carbon emissions of biofuel production. The assessment of cultivated biomasses demonstrates that several selections made in the production chain significantly affect the GHG emissions of biofuels. The emissions caused by biofuel can exceed the emissions from fossil-based fuels in the short term if biomass is in part consumed in the process itself and does not end up in the final product. Including biogenic carbon and other land use carbon emissions into the carbon footprint calculations of biofuel reveals the importance of the time frame and of the efficiency of biomass carbon content utilization. As regards the climate impact of biomass energy use, the net impact on carbon stocks (in organic matter of soils and biomass), compared to the impact of the replaced energy source, is the key issue. Promoting renewable biomass regardless of biogenic GHG emissions can increase GHG emissions in the short term and also possibly in the long term.

Large-eddy simulation of wind flows over complex terrains for wind energy applications

Wind energy has obtained outstanding expectations due to risks of global warming and nuclear energy production plant accidents. Nowadays, wind farms are often constructed in areas of complex terrain. A potential wind farm location must have the site thoroughly surveyed and the wind climatology analyzed before installing any hardware. Therefore, modeling of Atmospheric Boundary Layer (ABL) flows over complex terrains containing, e.g. hills, forest, and lakes is of great interest in wind energy applications, as it can help in locating and optimizing the wind farms. Numerical modeling of wind flows using Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a popular technique during the last few decades. Due to the inherent flow variability and large-scale unsteadiness typical in ABL flows in general and especially over complex terrains, the flow can be difficult to be predicted accurately enough by using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). Large- Eddy Simulation (LES) resolves the largest and thus most important turbulent eddies and models only the small-scale motions which are more universal than the large eddies and thus easier to model. Therefore, LES is expected to be more suitable for this kind of simulations although it is computationally more expensive than the RANS approach. With the fast development of computers and open-source CFD software during the recent years, the application of LES toward atmospheric flow is becoming increasingly common nowadays. The aim of the work is to simulate atmospheric flows over realistic and complex terrains by means of LES. Evaluation of potential in-land wind park locations will be the main application for these simulations. Development of the LES methodology to simulate the atmospheric flows over realistic terrains is reported in the thesis. The work also aims at validating the LES methodology at a real scale. In the thesis, LES are carried out for flow problems ranging from basic channel flows to real atmospheric flows over one of the most recent real-life complex terrain problems, the Bolund hill. All the simulations reported in the thesis are carried out using a new OpenFOAM® -based LES solver. The solver uses the 4th order time-accurate Runge-Kutta scheme and a fractional step method. Moreover, development of the LES methodology includes special attention to two boundary conditions: the upstream (inflow) and wall boundary conditions. The upstream boundary condition is generated by using the so-called recycling technique, in which the instantaneous flow properties are sampled on aplane downstream of the inlet and mapped back to the inlet at each time step. This technique develops the upstream boundary-layer flow together with the inflow turbulence without using any precursor simulation and thus within a single computational domain. The roughness of the terrain surface is modeled by implementing a new wall function into OpenFOAM® during the thesis work. Both, the recycling method and the newly implemented wall function, are validated for the channel flows at relatively high Reynolds number before applying them to the atmospheric flow applications. After validating the LES model over simple flows, the simulations are carried out for atmospheric boundary-layer flows over two types of hills: first, two-dimensional wind-tunnel hill profiles and second, the Bolund hill located in Roskilde Fjord, Denmark. For the twodimensional wind-tunnel hills, the study focuses on the overall flow behavior as a function of the hill slope. Moreover, the simulations are repeated using another wall function suitable for smooth surfaces, which already existed in OpenFOAM® , in order to study the sensitivity of the flow to the surface roughness in ABL flows. The simulated results obtained using the two wall functions are compared against the wind-tunnel measurements. It is shown that LES using the implemented wall function produces overall satisfactory results on the turbulent flow over the two-dimensional hills. The prediction of the flow separation and reattachment-length for the steeper hill is closer to the measurements than the other numerical studies reported in the past for the same hill geometry. The field measurement campaign performed over the Bolund hill provides the most recent field-experiment dataset for the mean flow and the turbulence properties. A number of research groups have simulated the wind flows over the Bolund hill. Due to the challenging features of the hill such as the almost vertical hill slope, it is considered as an ideal experimental test case for validating micro-scale CFD models for wind energy applications. In this work, the simulated results obtained for two wind directions are compared against the field measurements. It is shown that the present LES can reproduce the complex turbulent wind flow structures over a complicated terrain such as the Bolund hill. Especially, the present LES results show the best prediction of the turbulent kinetic energy with an average error of 24.1%, which is a 43% smaller than any other model results reported in the past for the Bolund case. Finally, the validated LES methodology is demonstrated to simulate the wind flow over the existing Muukko wind farm located in South-Eastern Finland. The simulation is carried out only for one wind direction and the results on the instantaneous and time-averaged wind speeds are briefly reported. The demonstration case is followed by discussions on the practical aspects of LES for the wind resource assessment over a realistic inland wind farm.

Suomessa ja Itävallassa toimivien liiketoimintamallien siirrettävyys puupohjaisen uusiutuvan energian tuotantoon Puolaan, Romaniaan ja Slovakiaan

Tutkimus kuvaa tiedon, osaamisen ja teknologian siirtoa Suomesta ja Itävallasta Puolaan, Romaniaan ja Slovakiaan hajautetussa puupohjaisessa sähkö- ja lämpöenergian tuotannossa. Metsävaroiltaan rikas ja bioenergia-asioissa toimintatavoiltaan edistynyt Suomi toimi Metsäntutkimuslaitoksen (nykyisin Luonnonvarakeskus) johdolla tutkimuksen empiirisen aineiston tuottaneen kehittäjäverkostohankkeen pääkoordinaattorina vuosina 2011-2014. Tutkimusmenetelmänä käytettiin hankkeen dokumentaation sisällönanalyysiä. Itävalta on tunnettu edistyksellisistä bioenergia-alan tuki- ja ohjausjärjestelmistä. Suomi ja Itävalta kuuluvat EU:n viiden edistyneimmän maan joukkoon uusiutuvien energialähteiden hyödyntämisessä. Tämän työn tavoitteena oli selvittää, miten Suomessa ja Itävallassa hyvin toimivia liiketoimintamalleja voidaan siirtää kohdemaihin puupohjaisen uusiutuvan energian tuotannossa hyödynnettäviksi. Työssä kuvataan tiedonsiirtäjämaiden eli Suomen ja Itävallan ydinosaaminen kiinteän biomassan energiantuotannossa politiikkatasolta käytännön liiketoiminnan tasolle. Lisäksi työssä analysoidaan poliittisen ohjauksen merkitystä alan kehittämisessä, missä käydään läpi maakohtaiset uusiutuvan energian toimintasuunnitelmat vuodelta 2010. Lopuksi arvioidaan tiedonsiirtäjä- ja tiedonhyödyntäjämaiden välisiä eroavaisuuksia kyseisellä liiketoiminta-alueella, ja onko olemassa sellaisia tekijöitä, mitkä estävät tiedonsiirtoa tai hyväksi todettujen liiketoimintamallien soveltamista kohdemaissa. Kussakin maassa metsänomistusolosuhteet ratkaisevat kiinteän biomassan tarjonnan toimivuuden eli tilanteen toimitusketjun alkupäässä. Tuotannon ohjauksen pyrkimys on myös hyödyntää mekaanisen puunjalostuksen sivutuotevirrat mahdollisimman tarkoin energiantuotannon tarpeisiin. Yleiset taloudelliset suhdanteet vaikuttavat ketjun toimivuuteen ja tehokkuuteen. Yksin energiantuotannon tarpeisiin puunkorjuuta ei kannata suunnitella, koska se harvemmin erikseen toteutettuna on kannattavaa liiketoimintaa. Puun käyttö energiantuotantoon tarvitsee hyvin suunniteltua tuki- ja ohjausjärjestelmää, joista kansalliset hallitukset vastaavat. Suomalainen tuotannon suunnittelun ja ohjauksen ajattelutapa sekä itävaltalainen energiapuun varastointi biomassan logistiikkakeskuksiin koettiin kohdemaiden yrittäjäkunnassa varteenotettavimpina liiketoiminnan kehittämisvaihtoehtoina paikallisissa toimintaympäristöissä. Lean-tuotantoajatteluun kuuluva hukan poistaminen toimitusketjusta liittyy mm. varastonhallinnan järjestelyihin ja sivutuotevirtojen hyödyntämiseen. Näitä piirteitä oli myös löydettävissä tiedonhyödyntäjämaiden yritysten toiminnassa hankkeen toteutuksen aikana.

Advanced biofuel production: Engineering metabolic pathways for butanol and propane biosynthesis.

Greenhouse gases emitted from energy production and transportation are dramatically changing the climate of Planet Earth. As a consequence, global warming is affecting the living conditions of numerous plant and animal species, including ours. Thus the development of sustainable and renewable liquid fuels is an essential global challenge in order to combat the climate change. In the past decades many technologies have been developed as alternatives to currently used petroleum fuels, such as bioethanol and biodiesel. However, even with gradually increasing production, the market penetration of these first generation biofuels is still relatively small compared to fossil fuels. Researchers have long ago realized that there is a need for advanced biofuels with improved physical and chemical properties compared to bioethanol and with biomass raw materials not competing with food production. Several target molecules have been identified as potential fuel candidates, such as alkanes, fatty acids, long carbon‐chain alcohols and isoprenoids. The current study focuses on the biosynthesis of butanol and propane as possible biofuels. The scope of this research was to investigate novel heterologous metabolic pathways and to identify bottlenecks for alcohol and alkane generation using Escherichia coli as a model host microorganism. The first theme of the work studied the pathways generating butyraldehyde, the common denominator for butanol and propane biosynthesis. Two ways of generating butyraldehyde were described, one via the bacterial fatty acid elongation machinery and the other via partial overexpression of the acetone‐butanol‐ethanol fermentation pathway found in Clostridium acetobutylicum. The second theme of the experimental work studied the reduction of butyraldehyde to butanol catalysed by various bacterial aldehyde‐reductase enzymes, whereas the final part of the work investigated the in vivo kinetics of the cyanobacterial aldehyde deformylating oxygenase (ADO) for the generation of hydrocarbons. The results showed that the novel butanol pathway, based on fatty acid biosynthesis consisting of an acyl‐ACP thioesterase and a carboxylic acid reductase, is tolerant to oxygen, thus being an efficient alternative to the previous Clostridial pathways. It was also shown that butanol can be produced from acetyl‐CoA using acetoacetyl CoA synthase (NphT7) or acetyl‐CoA acetyltransferase (AtoB) enzymes. The study also demonstrated, for the first time, that bacterial biosynthesis of propane is possible. The efficiency of the system is clearly limited by the poor kinetic properties of the ADO enzyme, and for proper function in vivo, the catalytic machinery requires a coupled electron relay system.

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.

Excavation-drier method of energy-peat extraction reduces long-term climatic impact

Climatic impacts of energy-peat extraction are of increasing concern due to EU emissions trading requirements. A new excavation-drier peat extraction method has been developed to reduce the climatic impact and increase the efficiency of peat extraction. To quantify and compare the soil GHG fluxes of the excavation drier and the traditional milling methods, as well as the areas from which the energy peat is planned to be extracted in the future (extraction reserve area types), soil CO2, CH4 and N2O fluxes were measured during 2006–2007 at three sites in Finland. Within each site, fluxes were measured from drained extraction reserve areas, extraction fields and stockpiles of both methods and additionally from the biomass driers of the excavation-drier method. The Life Cycle Assessment (LCA), described at a principal level in ISO Standards 14040:2006 and 14044:2006, was used to assess the long-term (100 years) climatic impact from peatland utilisation with respect to land use and energy production chains where utilisation of coal was replaced with peat. Coal was used as a reference since in many cases peat and coal can replace each other in same power plants. According to this study, the peat extraction method used was of lesser significance than the extraction reserve area type in regards to the climatic impact. However, the excavation-drier method seems to cause a slightly reduced climatic impact as compared with the prevailing milling method.

A high efficiency microturbine concept

There is a growing trend towards decentralized electricity and heat production throughout the world. Reciprocating engines and gas turbines have an essential role in the global decentralized energy markets and any improvement in their electrical efficiency has a significant impact from the environmental and economic viewpoints. This paper introduces an inter-cooled and recuperated two-shaft microturbine at 500 kW electric output range. The microturbine is optimized for a realistic combination of the turbine inlet temperature, the recuperation rate and the pressure ratio. The new microturbine design aims to achieve significantly increased performance within the range of microturbines and even competing with the efficiencies achieved in large industrial gas turbines. The simulated electrical efficiency is 45%. Improving the efficiency of combined heat and power (CHP) systems will significantly decrease the emissions and operating costs of decentralized heat and electricity production. Cost-effective, compact and environmentally friendly micro-and small-scale CHP turbine systems with high electrical efficiency will have an opportunity to successfully compete against reciprocating engines, which today are used in heat and power generation all over the world and manufactured in large production series. This paper presents a small-scale gas turbine process, capable of competing with reciprocating engine in terms of electrical efficiency.

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.

LM-vesiturbiinin tuotteistaminen

Tämän työn tarkoituksena on kehittää LM-vesiturbiini tuotantoon soveltuvaksi, käytöltään pitkäikäiseksi ja helposti huollettavaksi tuotesarjaksi. Työn ohjaavana runkona on käytetty VDI-Richtlinie 2221: 'Kehitystyön ja konstruoinnin yleinen kulku', mukaista järjestelmää. Lisäksi on käytetty valmistuksellista modulointia tuotteen osien suunnittelussa. Erityisesti on huomioitu tuotteen koko elinkaaren aikaiset kustannukset (LCC) ja sen vaatimukset mitoitukseen. LM-vesiturbiinistaon kehitetty kolmen erikokoisen laitteiston tuotesarja. Tuoteperheen yksittäisistä sylinteriryhmistä voidaan koota joustavasti erikokoisia ja -tehoisia energiantuotantoyksiköitä, jotka soveltuvat käyttöön hyvin pieniinkin virtauksiin ja putouskorkeuksiin. Piensarjatuotantoon hyvin soveltuvat materiaalit on valittu silmälläpitäen mahdollisimman edullista kokonaiskustannusta. Kiertomäntä laitteiston toiminnan kannalta tärkeimpänä ja siten vaativimpana osana on edellyttänyt laserhitsausta ja -leikkausta sekä koekappaleiden valmistusta, joiden perusteellalopulliseen rakenteeseen on päädytty. Mitoitus perustuu perinteisiin lujuuslaskentamenetelmiin, joiden avulla eri osien kestävyys käyttöolosuhteissa on pyrittysaamaan luotettavaksi vähintään 20 vuoden kestoiälle ja väsymiskestävyyteen käytön aikaisissa vaihtelevissa olosuhteissa. Kiertomäntä on ns. kevytrakenne koostuen ohutlevykennorakenteesta ja täytteenä olevasta kompound-materiaalista.

Polttoaineiden vastaanotonja käytön tarkastelu ja optimointi biopolttoaineita käyttävässä voimalaitoksessa

Kioton pöytäkirja velvoittaa teollisuusmaita vähentämään hiilidioksidipäästöjään. Energiantuotantolaitosten on vähennettävä tuotantoaan tai siirryttävä käyttämään vähäpäästöisempiä polttoaineita vähennystavoitteiden saavuttamiseksi. Etelä-Savon Energia Oy Mikkelissä rakentaa uuden kattilalaitoksen, joka soveltuu hiilidioksidivapaiden puupolttoaineiden polttoon. Kun uusi kattilalaitos otetaan käyttöön, kasvaa voimalaitoksen polttoaineiden kulutus 1,7 -kertaiseksi. Tämä merkitsee laitokselle tulevien polttoainekuljetusten määrän kasvamista kylmimpinä aikoina yli 70:neen autoon vuorokaudessa. Työssä on tarkasteltu nykyisen polttoaineiden vastaanoton ja kuljettimien kykyä ottaa vastaan kasvavat polttoainevirrat. Vastaanoton sujuvuus on polttoaineiden laadunhallinnan lisäksi edellytys laitoksen käytölle. Työn tavoitteena on ollut kartoittaa vastaanoton ongelmakohtia ja löytää näihin parannusmahdollisuuksia. Vastaanottokapasiteetti tulee venymään äärimmilleen tulevaisuudessa. Jotta määrällisesti riittävä ja laadullisesti sopiva polttoaineseos saadaan vastaanotettua nykyisenä vastaanottoaikana, tulee autojen saapua entistä tasaisemmin laitokselle. Tasainen saapuminen on mahdollista aikatauluttamalla sopivasti polttoainekuljetusten saapumisajat laitokselle. Vastaanoton kapasiteettia voitaisiin nostaa kasvattamalla kenttävaraston kokoa ja pienillä muutoksilla vastaanottoasemissa. Polttoaineen laadun ja vastaanoton tarkastelun lisäksi työssä on tarkasteltu polttoaineen saatavuutta.

Kaatopaikkakaasun hyötykäyttömahdollisuudet Anjalankosken Ekoparkissa

Kaatopaikalle sijoitetut biohajoavat orgaaniset jätteet muodostavat jätetäytön hapettomissa olosuhteissa kaatopaikkakaasua, joka koostuu pääasiassa metaanista ja hiilidioksidista. Kaatopaikkakaasun sisältämän metaanin takia, kaasusisältää merkittävästi energiaa, joka on hyödynnettävissä eri tavoin. Tämän diplomityön tavoitteena oli tarkastella vaihtoehtoja Anjalankosken Keltakankaan kaatopaikoilla muodostuvan kaatopaikkakaasun hyödyntämiseksi. Tarkastellut vaihtoehdot tarjoavat ympäristöllisten hyötyjen lisäksi liiketoiminnallista hyötyä Ekoparkissa toimiville yrityksille. Tutkimuksessa tehdyt laskelmatosoittivat, että työssä tarkastellut kaatopaikkakaasun hyötykäyttövaihtoehdot ovat sekä taloudellisesti että kaasun riittävyyden kannalta hyödynnettävissä. Esimerkiksi kaatopaikkakaasun hyödyntämisellä kaukolämmön tuotannossa voidaan kattaa noin kolmannes Anjalankosken vuotuisesta kaukolämmön tarpeesta. Kaatopaikkakaasun lietteen kuivauskapasiteetti kattaa Pohjois-Kymenlaaksossa muodostuvan jätevesilietteen käsittelytarpeen. Biopolttoaineen kuivauskapasiteetti on riittävä olemassa oleviin valmistuslaitosten tuotantokapasiteetteihin verrattuna. Myös perinteisillä sähkön- ja lämmöntuotantotekniikoilla voidaan kattaa Ekoparkin oma sähkön- ja lämmöntarve. Kaatopaikkavesien haihdutus ei tulosten perusteella ole sekä taloudellisesti että kaasun riittävyyden kannalta hyödynnettävissä. Tuhkan vitrifioinnissa haasteen muodostaa investointikustannuksen suuruus. Anjalankosken Ekoparkin yritykset voivat hyödyntää työn tuloksia uuden liiketoiminnan kehittämiseen. Lisäksi tuloksia voidaan hyödyntää soveltaen eri kokoluokan kaatopaikkojen kaatopaikkakaasujen hyötykäyttöä suunniteltaessa.

Hybridilämmityksen vaikutus sähkön- ja lämmöntuotantoon

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää kaukolämmityksen rinnalla käytettävän toisen lämmitysmuodon, tässä tapauksessa sähkölämmityksen, vaikutusta sähkön- ja lämmöntuotantoon. Tämä tutkimus liittyy ¿Kehittyvä kaukolämpö -hankkeen pilottiosaan. Hankkeen pilottiosassa tutkitaan hybridilämmityksen kannattavuutta ja vaikutuksia sekä kuluttajan että yhdyskunnan kannalta. Tämätutkimus jatkaa jo aikaisemmin tehtyä tutkimusta 'Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset', jossa tutkittiin kaukolämmityksen taloudellisuutta kuluttajan kannalta elinkaarianalyysin avulla. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on määrittää hybridilämmityksen niin taloudelliset kuin ympäristölliset vaikutukset yhdyskunnan kannalta. Yhdyskunnan osalta vaikutuksia tarkasteltiin referenssikaupungin avulla. Referenssikaupungin alkuarvot perustuvat jo aiemmin tähän pilottiosaan tehtyyn tutkimukseen 'Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset'. Näitä arvoja hyväksi käyttäen referenssikaupungille perustettiin kaksi energian tuotantorakennemallia ja molemmille malleille kaksi eri skenaariota hybridilämmityksen kasvamisesta. Skenaarioissa otettiin huomioon myös päästökaupan vaikutukset. Molemmat skenaariot osoittivat päästökaupan vaikutukset mukaan luettuna, ettei sähkölämmityksen käyttäminen kaukolämmityksen ohella tuo ainoastaan yhdyskunnalle lisää tuotantokustannuksia, vaan se lisää myös päästöjä. Tulevaisuuden epävarmuutta analysoitiin herkkyysanalyysin avulla. Tutkimusta varten laadittiin tuontienergian ja kotimaisten polttoaineiden hinnoille kaksi skenaariota, joilla laskettiin vuositason tuotantokustannukset. Jokainen skenaario toi huomattavan lisän niin tuotantokustannuksiin kuin päästöihin. Eri skenaarioilla oli vaikutus kaukolämmön pysyvyyskäyrän muotoon ja näin myös voimalaitoksien käyttötunteihin. Laitoksien huipun käyttötunnit pienenevät ja tuotantokustannukset tuotettua energiayksikköä kohden kasvavat. Tapauksessa, jossa on edullista käyttää peruskuormalaitoksia mahdollisimman paljonvuoden aikana, hybridilämmityksen käyttäminen siirsi tilannetta päinvastaiseen suuntaan. Tämä suunta tarkoittaa sitä, että halpaa peruskuormatuotantoapitää korvata kalliimmalla ja enemmän päästöjä aiheuttavalla erillistuotannolla. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että mikäli sähkölämmityksen yleistyminen kaukolämmityksen rinnalla lisääntyy, aiheuttaa se yhdyskunnalle huomattavia lisäkustannuksia ja päästöjä. Yksi sähkölämmityksen käyttöä lisäävä tekijä on kuluttajien mielikuva. Kuluttajien mielikuva sähkölämmityksestä on, että se on asennuskustannuksiltaan edullinen ja helppo asentaa. Todellisuudessa sähkölämmityksen käyttäminen tuo odottamattomia lisäkustannuksia kuluttajille energiantuotantolaitoksien omien lisääntyvien tuotantokustannusten kautta. Nämä kustannukset voivat realisoitua esimerkiksi kohonneiden sähkön ja kaukolämmön energiamaksujen tai sähkön siirtomaksujen muodossa. Ainoastaan kuluttajien mielikuvien muuttamisella voidaan päästä yhdyskunnan kannalta taloudellisempaan ja ympäristöystävällisempään energiantuotantomalliin.

Energiatehokkaiden tuotteiden myynti voimalaitoksiin

Tämän diplomityö käsittelee energiasäästömahdollisuuksia taajuusmuuttajien ja korkean hyötysuhteen moottoreiden avulla Suomen voimalaitoksissa. Energiatehokkuuden parantaminen voimalaitosten tuotantoprosessissa tarjoaa suuria myyntimahdollisuuksia ja on siten mielenkiintoinen tutkimuksen kohde. Työn tavoitteena on analysoida voimalaitostoimialaa Suomessa ja selvittäävoimalaitosten energiansäästöpotentiaalia suurimpien sähköä kuluttavien laitteiden osalta. Työn perusteella saadaan muodostettua kuva taajuusmuuttaja ja korkean hyötysuhteen moottorien markkinoista voimalaitoksiin. Työnalkuosassa keskitytään voimalaitostoimialan ja energiamarkkinoiden analyysiin. Analyysissä käydään läpi yleisimpien voimalaitosten toimintaperiaatteet ja energiatehokkaiden tuotteiden markkinakehitys sekä teollisuuden investointeihin liittyviä tekijöitä. Työn loppuosa käsittelee voimalaitosten suurimpien pumppujen ja puhaltimien energiansäästömahdollisuutta taajuusmuuttajien avulla. Työn tuloksena on muodostettu analyysi eri voimalaitostyyppien laittokannasta ja arvio energiasäästöstä sekä myyntipotentiaalista, jos laitteet muutetaan taajuusmuuttajakäytöiksi.

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.