The legal framework for energy provisions in the European Union – With special regard to providing of energy provisions within the scope of Article 194(2) TFEU

The thesis interprets the caveat of Article 194(2) TFEU in order to assess the use of the Article as a legal basis for energy provisions provided by the European Union. The research subject is the Energy Title in the Treaty of the Functioning of the European Union and the possibilities of the application of the legal basis provided therein. The purpose is analysis of the possibilities for providing of provisions within the scope of the caveat found in Article 194(2) TFEU with special regard to the possibilities of providing renewable energy legislation. The purpose of the thesis is on one hand to provide an overview of the premises for providing of energy provisions in the EU, and on the other hand to analyse the Treaty text in order to determine the legal basis for energy provisions. The ultimate objective is to determine the correct legal basis for renewable energy provisions, aimed at the mitigation of climate change. According to Article 194(2) TFEU, the practice of the shared legislative powers in the field of energy are restricted by the retention of certain energy matters within the power of the Member States. The wording of the caveat containing the restrictions is open to interpretation and has been a subject of extensive discussion. Many scholars have argued that the caveat in Article 194(2) TFEU might obstruct decision-making in energy matters. This argument is contested, and the factual impact of the codification of the energy competences is analysed. The correct legal basis for energy provisions depends on the final interpretation of the text of the caveat and the level of significance of the effect of the measure. The use of Article 194(2) TFEU as a legal basis might not be the only option. There is a possibility that the legal bases within the Environmental Title might be used as legal bases for energy provisions in addition to Article 194(2) TFEU.

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.

Energiankäytön tehostamispotentiaalit UPM-Pelloksen vaneritehtailla

UPM-Pelloksen vaneritehtaat muodostavat Euroopan suurimman vanerintuotantoyksiköntuotantokapasiteetilla mitattuna. Pelloksen vaneritehtailla on kolme eri tehdasta yhdellä tehdasalueella. Vaneritehtaiden viilunkuivaus on hyvin merkittävä primäärienergian kuluttaja. Tehtaiden prosessienergian saannista huolehtii Järvi-Suomen Voiman voimalaitos. Viilunkuivaajien poistokaasuista jalauhteista saadaan talteen merkittävästi sekundäärienergiaa. Sekundäärienergia kulutetaan pääosin hautomoaltaalla tukkien haudontaan. Tukkien haudonta pyritäänhoitamaan lähes kokonaan sekundäärienergialla. Primäärihöyryä tarvitaan altaalle kuitenkin huoltoseisakkien aikana. Tässä diplomityössä tutustutaan vanerin valmistuksen prosessiin Pelloksen vaneritehtailla. Työssä kartoitetaan tehtaiden prosessien, hautomoaltaan ja voimalaitoksen välisiä energiavirtauksia. Työn tarkoituksena on saada selville mahdollisia hyödyntämättömiä potentiaaleja tehtaiden energiankäytössä. Työssä pohditaan myös mahdollisia eri tapoja energiankäytön tehostukselle. Voimalaitoksen höyrykuorma on kuivauskoneiden kulutuksesta riippuen ajoittain voimakkaasti vaihtelevaa. Höyrykuorman vaihtelu aiheuttaa ongelmia voimalaitoksen tuotannolle. Työssä pohditaan höyrykuorman tasausmahdollisuutta muun muassa höyryakun avulla.

Päästökauppa murrosvaiheessa

Tässä diplomityössä selvitetään EU:n alueella ja erityisesti Suomessa vuoden 2005 alusta alkavaa hiilidioksidin päästökauppaa. Työssä käsitellään päästökaupan tulevia vaikutuksia energia-, metalli- ja metsäteollisuuden kannalta. Myös kansantaloudelliset sekä kokonaistaloudelliset vaikutukset ovat mielenkiinnon kohteena. Työ koskee joiltakin osin myös ilmastonmuutoksen hillintää yleisesti ja ns. Kioton mekanismeja. Työn kuluessa pyritään myös ennakoimaan tulevan päästökaupan volyymia ja päästöyksikön eli hiilidioksiditonnin hintaa, joka on suurimpia epävarmuustekijöitä koko prosessissa. Tulevaa päästökauppaa tarkastellaan myös päästökauppadirektiivin, päästökauppalain ja muiden sitä koskevien lakien säännösten ja määräysten luomassa toimintakehikossa. Työn nimi "Päästökauppa murrosvaiheessa" kuvastaa täten myös sitä, että tarkastelussa ei pyritä välttämättä lopullisiin ja varmoihin tai tarkkoihin arvioihin, koska se on käytännössä mahdotonta. Työn painopiste onkin meneillään olevan päästökaupan valmistelun selvittely monimuotoisena prosessina, jolloin tämän prosessin kuvaus on suurelta osin tässä vaiheessa myös kvalitatiivista. Päästökaupan tulosten ja vaikutusten seuranta jatkossa puolestaan olisi mitä mielenkiintoisin jatkotutkimuksen aihe. Työtä havainnollistetaan kolmella käytännön case -esityksellä, jotka käsittelevät energiayritystä, kattila- ja laitetoimittajaa sekä metsäteollisuuden voimalaitosta, ja niiden varautumista alkavaan päästökauppaan.

Energiansäästömahdollisuudet energiayhtiön toiminnassa

Työn tarkoituksena oli etsiä energian säästökohteita Etelä-Savon Energia Oy:n voimalaitos-, kaukolämpö- sekä sähkön siirto- ja jakelualalta. Työ liittyi Etelä-Savon Energia Oy:n sopimaan valtakunnalliseen energiansäästösopimukseen, jossa yhtiö sitoutui analysoimaan energian käyttönsä ja tekemään energia-analyysin pohjalta energiansäästösuunnitelman. Tässä työssä analysoitiin nykyinen energian käyttö ja etsittiin säästökohteita. Löydetyille säästökohteille määritettiin säästön sekä tarvittavan investoinnin suuruus ja suora takaisinmaksuaika investoinnille. Voimalaitoksen osalta ei löydetty suuria säästökohteita, mutta muutamia pienempiä lähinnä lämmityksiin liittyviä kohteita havaittiin. Kaukolämmön osalta säästökohteita löytyi lähinnä lämpökeskusten seisonta-aikaisista lämmityksistä, mutta kaukolämpöverkon osalta ei kannattavia säästökohteita löydetty. Sähkön siirron ja jakelun osalta loistehon kompensoinnin lisääminen vähentäisi häviöitä verkossa ja vähentäisi kompensoinnin tarvetta voimalaitoksen generaattorilla. Isoja säästökohteita ei löydetty, koska yhtiö on vuosien varrella tehostanut toimintaansa ja pienentänyt aktiivisesti energiahäviöitä.

Parallel-Operating Three-Phase Voltage Source Inverters – Circulating CurrentModeling, Analysis and Mitigation

The maximum realizable power throughput of power electronic converters may be limited or constrained by technical or economical considerations. One solution to this problemis to connect several power converter units in parallel. The parallel connection can be used to increase the current carrying capacity of the overall system beyond the ratings of individual power converter units. Thus, it is possible to use several lower-power converter units, produced in large quantities, as building blocks to construct high-power converters in a modular manner. High-power converters realized by using parallel connection are needed for example in multimegawatt wind power generation systems. Parallel connection of power converter units is also required in emerging applications such as photovoltaic and fuel cell power conversion. The parallel operation of power converter units is not, however, problem free. This is because parallel-operating units are subject to overcurrent stresses, which are caused by unequal load current sharing or currents that flow between the units. Commonly, the term ’circulatingcurrent’ is used to describe both the unequal load current sharing and the currents flowing between the units. Circulating currents, again, are caused by component tolerances and asynchronous operation of the parallel units. Parallel-operating units are also subject to stresses caused by unequal thermal stress distribution. Both of these problemscan, nevertheless, be handled with a proper circulating current control. To design an effective circulating current control system, we need information about circulating current dynamics. The dynamics of the circulating currents can be investigated by developing appropriate mathematical models. In this dissertation, circulating current models aredeveloped for two different types of parallel two-level three-phase inverter configurations. Themodels, which are developed for an arbitrary number of parallel units, provide a framework for analyzing circulating current generation mechanisms and developing circulating current control systems. In addition to developing circulating current models, modulation of parallel inverters is considered. It is illustrated that depending on the parallel inverter configuration and the modulation method applied, common-mode circulating currents may be excited as a consequence of the differential-mode circulating current control. To prevent the common-mode circulating currents that are caused by the modulation, a dual modulator method is introduced. The dual modulator basically consists of two independently operating modulators, the outputs of which eventually constitute the switching commands of the inverter. The two independently operating modulators are referred to as primary and secondary modulators. In its intended usage, the same voltage vector is fed to the primary modulators of each parallel unit, and the inputs of the secondary modulators are obtained from the circulating current controllers. To ensure that voltage commands obtained from the circulating current controllers are realizable, it must be guaranteed that the inverter is not driven into saturation by the primary modulator. The inverter saturation can be prevented by limiting the inputs of the primary and secondary modulators. Because of this, also a limitation algorithm is proposed. The operation of both the proposed dual modulator and the limitation algorithm is verified experimentally.

Arinakattilalaitoksen polttoainekäytön tarkastelu

Tässä diplomityössä on tutustuttu Lahti Energia Oy:n Heinolan voimalaitoksen energiantuotantoon. Heinolan voimalaitos on vanha, mutta sen pääkattilana toimiva arinakattila on uusittu 2004. Voimalaitoksen toimintaa halutaan kehittää nykyaikaisemmaksi ja energiatehokkaammaksi. Voimalaitoksella on nykyään kolme asiakasta, joista uusin on liittynyt höyryverkkoon vuonna 2011. Työssä on tutkittu miten voimalaitoksen polttoaineiden käyttö muuttuu uuden asiakkaan myötä. Diplomityön teoriaosassa on keskitytty antamaan tietoa erilaisista polttoaineista sekä arinapolttamisesta polttotekniikkana. Työssä on laskettu voimalaitoksen asiakkaiden käyttämä energiavuositasolla, voimalaitoksen kattilahyötysuhde, prosessihyötysuhde ja niiden avulla laitoksen tarvitsema polttoaine-energia vuodessa. Laskelmat antavat hyvän yleisen kuvan voimalaitoksen käytöstä tällä hetkellä. Käyttöennusteen avulla voidaan arvioida myös laitoksen taloudellista tilaa polttoaineseoksen näkökulmasta.

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Raportti on jatkoa aikaisemmille tutkimuksille, joista viimeisin julkaistiin 2008. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos, tuulivoimala ja uutena aurinkovoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja maaliskuun 2012 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus, kun laitos rakennetaan olemassaolevalle tontille olisi 43,7 €/MWh, täysin uuden ydinvoimalaitoksen 57,9 €/MWh, kaasusähkön 75,4 €/MWh, turvelauhteen 75,4 €/MWh ja hiilisähkön hiilidioksidin talteenotolla 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Vastaavasti uusiutuvista puupolttoainelauhdesähkön tuotantokustannus olisi 70,2 €/MWh kun taas 2200 tunnin huipunkäyttöajalla maalla sijaitsevan tuulivoimalaitoksen sähkön tuotantokustannus 52,7 €/MWh ja merellä sijaitsevan tuulivoimalaitoksen 76,8 €/MWh. Erillistarkastelussa arvioitiin suurien keskittävää teknologiaa käyttävän aurinko-voimalaitoksen tuotantokustannuksen ylittävän 100 €/MWh ollen todennäköisesti lähempänä 150 €/MWh. Arvio piensähkön tuotantokustannuksista aurinkosähköisillä paneeleilla vaihtelee 90 – 130 €/MWh. Merkittävin kustannussäästö syntyy, jos aurinkosähköpaketteja voidaan tarjota kuluttajalle kokonaistoimituksena avaimet käteen. Aurinkosähkön tuottaminen kotikeräimillä näyttääkin olevan vaiheessa, jossa se on selkeästi pienkäyttäjälle edullista mikäli sijoitettava pääoma 6000 – 18000 € ei vaadi ulkopuolista rahoitusta.

Finnish cleantech SMEs in China: Challenges and solutions

The rapid economic growth in China has resulted in environmental challenges ranging from air pollution to water-related issues. Thus supporting clean technology, or cleantech, that encompasses industries that focus on alternative energy, pollution and recycling, power supplies and conservation has become one of the focal points in the Chinese economic policy for the next decade. Simultaneously, the Finnish government has initiated programs to support the internationalisation of domestic cleantech companies in an attempt to spiral the industry into one of the pillars of Finnish economic growth. This study concentrates on the conjunction of these two themes and studies the challenges faced by Finnish cleantech SMEs in the Chinese market. Consequently, the study answers the following sub questions: 1. What human and financial resource-based challenges do Finnish cleantech SMEs face in the Chinese market and what are their solutions? 2. What knowledge-based challenges do Finnish cleantech SMEs face in the Chinese market and how can these difficulties be resolved? 3. What network-based challenges do Finnish cleantech SMEs face in the Chinese market, how do they relate to the resource- and knowledge-based challenges, and how can these difficulties be resolved? This qualitative study is conducted by analysing four semi structured interviews collected from four Finnish SMEs that operate in China. The findings of the study indicate that in human resources the most important challenges are related to the hiring and retaining of employees. In contrast to extant academic literature results distinguish salary and social status as the main solutions to this challenge. Regarding financial resources it is discovered that cleantech companies enjoy a benign business environment in China and benefit from the Chinese government’s support for cleantech industry. Challenges related to knowledge resources can be grouped into categories with the most interesting knowledge flows being the stream of local market knowledge into to the foreign parent company and the outward flow of manufacturing and business practice information into the target venture. The challenge related to the first flow is gathering relevant information and the main solutions are clustering at the foreign location and hiring knowledge prior to internationalisation. Regarding the second flow the main challenge is related to intellectual property rights and the most interesting solution is the purposeful transformation of explicit knowledge into tacit knowledge. Finally, it is discovered that networks, called guanxi in China, greatly affect the business processes. Within the guanxi system there is the concept of face which was found to affect employee propensity to stay as well as, as a novel academic result, employees’ knowledge sharing intention.

Soodakattilalaitosten energiantuotannon lisääminen

The aim of this thesis is to study different methods to increase the energy production of recovery boilers. This improvement is encouraged by the current energy policy and the rapid rise in energy prices, especially in electricity. In addition, the energy efficiency of the power plants is intended to be improved. There are several methods to increase the energy production. The methods taken into more accurate study are lower pressure steam for soot blowing and flue gas coolers. Energy balances are made for these two cases to check a plausible addition of power generation of turbo-generator of the steam turbine. Also, the viability issues are studied. Solvo Power Plant Simulation program is used for the energy balance research. Two case power plants are simulated to solve the balances. To solve the addition of power generation with the flue gas coolers, basic balance calculation is performed. The viabilities are also taken into account, especially the payback times of these alternatives. On the basis of the results, installing the system to the process is viable in both cases. By installing the lowest possible pressure steam system for the soot blowing, the advantages are the most significant. The investment costs are the highest but the payback time is less than 1,5 years and the profit in the next 20 years is the greatest. In the case of flue gas coolers, the results did not entirely agree with past studies. Nevertheless, installing the flue gas coolers into the process also seems to be significant and profitable.

Säilöntämenetelmien parantaminen höyryvoimaprosessissa

Lahti Energia Oy:n kivihiiltä polttavan Kymijärvi I voimalaitoksen vuotuiset käyttötunnit ovat vähentyneet. Syy vähennykseen on ollut uuden kaasutusvoimalaitoksen käyttöönotto vuonna 2012, jolloin vanhan voimalaitoksen käytölle ei ole ollut tarvetta kesäkuukausina. Seisonta-aikana voimalaitoksen höyryvoimaprosessi tulee säilöä. Säilönnällä tarkoitetaan toimenpiteitä, joilla estetään korroosio-olosuhteiden syntyminen voimalaitoksen laitteisiin. Säilöntätavasta riippuen estetään joko hapen tai kosteuden esiintyminen. Tässä diplomityössä tutkitaan eri säilöntämenetelmien ominaisuuksia tavoitteena löytää sopivin vaihtoehto vanhalle kivihiilivoimalaitokselle. Työssä perehdytään teorian kautta kolmeen menetelmään voimalaitoksen kattilan säilönnässä. Typpi- ja märkäsäilönnässä estetään hapen ja kuivailmasäilönnässä kosteuden esiintyminen. Työssä on myös tutkittu kattilan säilöntämenetelmien vaikutuksia muihin laitteistoihin ja järjestelmiin. Tuloksien perusteella voidaan todeta, että kuivailmasäilöntä on toimivin ratkaisu voimalaitoksen viimeisille käyttövuosille. Voimalaitoksen jäädessä varavoimalaitokseksi on typpisäilöntä kustannustehokkain vaihtoehto.

Aurinkovoimalan kannattavuusanalyysi

Tässä työssä tarkastellaan 300 kW:n voimalan energiantuottopotentiaalia. Työssä lasketaan tuotetun energian perusteella saadut vuosittaiset säästöt. Säästöjen avulla voidaan arvioida voimalan kannattavuutta. Lasketaan myös aurinkovoimalan tuottamalle energialle hinta, jota verrataan ostetun energian hintaan. Kannattavuuden arvioinnissa käytetään yleisiä menetelmiä: takaisinmaksuaikaa, sekä annuiteetti- ja nykyarvomenetelmää.

Robust current control of a phase shifted full-bridge buck converter

In this thesis, the main point of interest is the robust control of a DC/DC converter. The use of reactive components in the power conversion gives rise to dynamical effects in DC/DC converters and the dynamical effects of the converter mandates the use of active control. Active control uses measurements from the converter to correct errors present in the converter’s output. The controller needs to be able to perform in the presence of varying component values and different kinds of disturbances in loading and noises in measurements. Such a feature in control design is referred as robustness. This thesis also contains survey of general properties of DC/DC converters and their effects on control design. In this thesis, a linear robust control design method is studied. A robust controller is then designed and applied to the current control of a phase shifted full bridge converter. The experimental results are shown to match simulations.

Torrefioidun biohiilipelletin kirjallisuustutkimus ja koeajot pilottilaitoksessa

Tämä raportti käsittelee ”Torrefioidun biohiilipelletin laatu ja varastoitavuus” hankkeen tuloksia. Hankkeen tavoitteena oli tutkia torrefioidun biohiilipelletin prosessiteknologiaa, markkinoita ja tuotantokustannuksia kirjallisuustutkimusosiossa. Hankkeen päätutkimus keskittyi koeajoihin pilottilaitoksella, jossa valmistettiin biohiilipellettiä erilaisista puuraaka-aineista. Pilottilaitos oli perustettu Torrec Oy:n toimesta Etelä-Savon Energian Pursialan voimalaitoksen yhteyteen Mikkelissä ja sen tuotanto oli käynnistynyt kesällä 2014. Kaikki koe-erät valmistettiin vain käyttämällä sidonta-aineena lauhdevettä, jota oli tiivistynyt säiliön pohjalle torrefiointiprosessin aikana. Näin ollen erillistä lisäsidonta-aineita ei tarvittu, jolloin voidaan säästää tuotantokustannuksissa jatkossakin. Euroopan Unioni on asettanut 20 % tavoitteen uusiutuvien energioiden käytölle vuoteen 2020, josta biomassalla voidaan kattaa kaksi kolmannesta. Tutkimushankkeen tavoitteena oli metsään perustuvan bioenergiatuotannon lisääminen ja tuontienergian korvaaminen kotimaisella polttoaineella. Hankkeen tarkoituksena oli tutkimusanalyysien kautta kehittää uutta kilpailukykyistä teknologiavaihtoehtoa puupolttoaineiden hyödyntämiseksi. Torrefiointiteknologiaa ollaan kaupallistamassa ympäri Eurooppaa parasta aikaa ja uusia biohiilen tuotantolaitoksia on kehitteillä ja rakenteilla. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että biohiilipelletillä on mahdollisuudet suurimittakaavaiseen energiantuotantoon laadun suhteen, kunhan sen käyttäminen tulee edullisemmaksi laitoksissa. Toisaalta, tämä kehitys vaatii tukimekanismeja valtion puolelta, jotta pelletit lähtisivät todella liikkeelle markkinoilla.

Electrical Safety of Island Operated Low Voltage DC Network

Today, renewable energy technologies and modern power electronics have made it feasible to implement low voltage direct current (LVDC) microgrids (MGs) ca-pable to island operation. Such LVDC networks are particularly useful in remote areas. However, there are still pending issues in island operated LVDC MGs like electrical safety and controlled operation, which should be addressed before wide-scale implementation. This thesis is focused on the overall protection of an island operated LVDC network concept, including protection against electrical shocks, mains equipment protection and protection of photovoltaic (PV) power sources and battery energy storage systems (BESSs). The topic is approached through ex-amination of the safety hazards and the appropriate methods to protect against them, comprising considerations for earthing system selection and realisation of the protection system.