Sähkön varastointi

Kiinnostus sähkön varastointia kohtaan on kasvussa. Nykypäivänä ja etenkin tulevaisuudessa sähkövarastoilla voidaan parantaa energiantuotannon resurssitehokkuutta ja tukea aurinko- ja tuulisähkön käytön lisäämistä. Sähkövarastoja on pieniä ja suuria. On olemassa mekaanisia, sähkökemiallisia, kemiallisia ja sähköisiä varastoteknologioita. Varastoitua energiaa voidaan käyttää eri tehtävissä. Tehtävät vaihtelevat varastoidun energian määrässä ja siinä, millä teholla energia voidaan purkaa varastosta. Suurilla sähkövarastoilla taataan sähköntoimitus ja pienillä parannetaan sähkön laatua jakeluverkossa. Sähkövarastoja ei ole vielä laajasti otettu käyttöön, koska ne ovat kalliita. Sähkövaraston investointikustannukset ovat tällä hetkellä vähintään yhtä suuret kuin samankokoisen perinteisen voimalaitoksen. Sähkövarastojen tutkimus ja kehitys pienentää investointikustannuksia ja nopeuttaa varastojen laajempaa käyttöönottoa.

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.

Akkuvarastot omakotitaloissa

Energian varastointi on noussut keskeiseksi energia-alan teemaksi viime vuosina. Erityi-sesti uusiutuvan tuotannon lisääntyminen ja energian käytön tehostaminen ovat edesautta-neet energiavarastoratkaisuiden mukaantuloa. Työssä tarkastellaan litiumrautafosfaattiak-kujen käytön kannattavuutta omakotitaloissa. Tavoitteena on selvittää, millä reunaehdoilla näiden akkujen käyttö energiavarastoina tulee kannattavaksi Lappeenrannan olosuhteissa. Kannattavuutta selvitetään litiumrautafosfaattiakkujen markkina-analyysin ja teknistalou-dellisen analyysin sekä Matlab-simulaation avulla.

Natural born weight gainers: The mechanisms of obesity in transgenic mice overexpressing neuropeptide Y

Neuropeptide Y (NPY) is a neurotransmitter promoting energy storage by activating Y-receptors and thus affecting food intake, thermogenesis and adipose tissue metabolism. NPY is expressed both in the central and sympathetic nervous system. Hypothalamic NPY is known to stimulate feeding, but the effects of noradrenergic neuron NPY are more ambiguous. Chronic stress stimulates fat accumulation via NPY release from noradrenergic neurons. Furthermore, polymorphism in the human Npy gene has been associated with metabolic disturbances and increased NPY secretion after sympathetic stimulation. The main objective of this study was to clarify the mechanisms of noradrenergic neuron NPY in the development of obesity. The metabolic phenotype of a homozygous mouse overexpressing NPY in the brain noradrenergic neurons and sympathetic nervous system (OE-NPYDβH mouse) was characterized. OE-NPYDβH mice had an increased fat mass and body weight, which caused impairments of glucose metabolism and hyperinsulinaemia with age. There were no differences in energy intake or expenditure, but the sympathetic tone was down-regulated and the endocannabinoid system activated. Furthermore, peripheral Y2-receptors in energy-rich conditions played an important role in mediating the fat-accumulating effect of NPY. These results indicate that noradrenergic neuron NPY promotes obesity via direct effects in the periphery and by modulating the sympatho-adrenal and endocannabinoid systems. Additionally, NPY in the central noradrenergic neurons is believed to possess many important roles. The phenotype of the OE-NPYDβH mouse resembles the situations of chronic stress and Npy gene polymorphism and thus these mice may be exploited in testing novel drug candidates for the treatment of obesity.

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.

Paperikoneen kuivatusosan olosuhteiden vaikutus viiranjohtotelojen vaipan materiaalin ja pinnoitteen valintaan korroosiovaurion ehkäisemiseksi

Diplomityön tavoitteena on löytää UPM Kymin paperikone 8:n ensimmäisen kuivatusryhmän johtoteloihin kulumis- ja korroosiokestävämpi materiaali ja pinnoite vallitsevaan olosuhteeseen. Teloihin muodostuu pistemäistä korroosiota ja korroosioalue on paikallinen. Korroosiota syntyy kuivatusviiran alueella, jossa ei ole paperirainaa. Työssä suoritetaan kuivatusosan olosuhdemittauksia ja tutkitaan niiden vaikutuksia korroosion muodostumiseen. Suoritettavat olosuhdemittaukset ovat huuvan ilmatase, paineen 0-taso sekä lämpötilat ja kosteudet eri huuvan osissa. Savukaasumittauksen avulla tutkitaan huuvan ilmankiertoa ensimmäisen kuivatusryhmän viiranjohtotelojen läheisyydessä. Kuivatusviiran ilmanläpäisymittauksen avulla saadaan tietoa viiran ilmanläpäisykyvystä. Hypoteesina viiran tukkeutuminen johtuu pölyävästä kuivaus-prosessista ja kosteudesta. SEM/EDS-alkuainemittauksen avulla pystytään analysoimaan korrosiivisia alkuaineita niin korroosioalueella kuin ympäristössä. Työn tutkimuksen perusteella korroosion muodostuminen aiheutuu tukkeutuneen viiran muodostamasta happipitoisuuseroalueesta. Viiran saostumat sisältävät korrosiivisia kemikaaleja, kuten kloridia, rikkiä ja mangaania. Nämä kiihdyttävät korroosiota happipuutosalueella. Huuvan olosuhdemittauksien perusteella huuvan paineen 0-taso on vino. Savukaasu- ja kosteusmittauksien avulla huomattiin kostean ilman jäävän telojen läheisyyteen. Työssä kehitettiin paineilmapuhdistin viiran reuna-alueen puhdistamiseen. Kaavattaviin telapositioihin valittiin kobolttikromiseostettu volframikarbidipinnoite PTFE -fluoripolymeeritiivistyksellä. Muihin telapositioihin valittiin ETFE –fluori-polymeeripinnoite korroosion ehkäisemiseksi. Pinnoitteiden ja paineilmapuhdistimen avulla telojen käyttöaika nousee nykyisestä kahdesta vuodesta tavoiteltuun 10 vuoteen.

Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.

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.

Traktorin sähköistysanalyysi virtuaalisimulaatiomallilla

Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle osana yliopiston sähköisen liikkumisen tutkimusta. Työssä on jatkokehitetty ja dokumentoitu Drive!-projektin hybriditraktorin simulaatiomallia, joka toimii Mevea- ja Simulink-ohjelmistoissa. Mevean simulaatioalustalla on mallinnettu traktorin mekaniikkaa ja ympäristöä, kun taas Simulinkillä on simuloitu hybriditraktorin sähkötekniikkaa, dieselgeneraattoria, energiavarastoa ja apulait-teita. Työssä on tarkasteltu traktorin erilaisia maatalouden työtehtäviä ja tämän jälkeen tarkasteltu simulaatiomallin ja simulaatioiden avulla minkälaisella hybriditraktorilla näitä töitä olisi mahdollista suorittaa. Lopuksi tarkastellaan vielä simulaatiomallilla noin 75 kW:n hybriditraktorin toimintaa maatalon pihapiirin työtehtävissä ja lasketaan hybridisoinnin lisäinvestoinnille takaisinmaksuaika. Virtuaalimallilla tehtyjen simulaatioiden ja laskelmien perusteella saatiin tulokseksi, että tämän hetken komponentti- ja energiahinnoilla maataloustraktorin hybridisointi ei ole taloudellisesti kannattavaa. Kuitenkin on huomionarvoista, että ajettaessa pelkällä akkusähköllä käytetyn energian hinta on noin kolmannes verrattaessa perinteiseen dieseltraktoriin.

Tulevaisuuden energiatehokas teollisuuspuisto

Tutkimuksessa selvitetään uusiutuvien energiateknologioiden soveltumista valmistavan teknologiateollisuuden toimintaan ja teollisuuspuistossa toimimisen tuottamia mahdollisia etuja yritysten energiankäytön osalta. Toimimalla teollisuuspuistossa yritykset voivat hyötyä alueen vahvasta infrastruktuurista ja vastata tulevaisuuden kiristyviin tehokkuus- tai vähähiilisyysvaatimuksiin. Teollisuuspuistot mahdollistavat teollisten symbioosien syntymisen sekä energianhankinnan ja -käytön huomattavat mittakaavahyödyt. Useissa teknologiayrityksissä energian kustannukset ovat olleet vähällä huomiolla, sillä ne eivät ole yritysten ydinliiketoimintaa tai vaikuta merkittävästi tuotantoprosessiin. Oikein mitoitettuna paikalliset energian tuotantotavat ja energiatehokkuustoimet voivat olla kannattavia investointeja jo tänään. Tulevaisuudessa teollisuuspuistot voivat osoittautua kiinnostaviksi sijaintikohteiksi energiavarastoille. Tuloksissa esitetään näkemys erilaisten paikallisten uusiutuvien energiantuotantomuotojen ja synteettisten polttoaineiden tuotannon soveltumisesta valmistavan teollisuuden keskittymään. Teollisuuspuiston yritykset voivat hyödyntää monia synteettisten polttoaineiden tuotannon sivuvirtoja vähentäen samalla nykyisiä kustannuksia sekä päästöjä. Uuden teollisuuspuiston ratkaisuja suunniteltaessa tulee ottaa huomioon tulevaisuuden vaatimukset ja uudenlaisten ratkaisujen kuten teollisuuden ylijäämälämpöjen hyödyntämisen mahdollisuudet.

Liquid-phase alcohol promoted methanol synthesis from CO2 and H2

Methanol is an important and versatile compound with various uses as a fuel and a feedstock chemical. Methanol is also a potential chemical energy carrier. Due to the fluctuating nature of renewable energy sources such as wind or solar, storage of energy is required to balance the varying supply and demand. Excess electrical energy generated at peak periods can be stored by using the energy in the production of chemical compounds. The conventional industrial production of methanol is based on the gas-phase synthesis from synthesis gas generated from fossil sources, primarily natural gas. Methanol can also be produced by hydrogenation of CO2. The production of methanol from CO2 captured from emission sources or even directly from the atmosphere would allow sustainable production based on a nearly limitless carbon source, while helping to reduce the increasing CO2 concentration in the atmosphere. Hydrogen for synthesis can be produced by electrolysis of water utilizing renewable electricity. A new liquid-phase methanol synthesis process has been proposed. In this process, a conventional methanol synthesis catalyst is mixed in suspension with a liquid alcohol solvent. The alcohol acts as a catalytic solvent by enabling a new reaction route, potentially allowing the synthesis of methanol at lower temperatures and pressures compared to conventional processes. For this thesis, the alcohol promoted liquid phase methanol synthesis process was tested at laboratory scale. Batch and semibatch reaction experiments were performed in an autoclave reactor, using a conventional Cu/ZnO catalyst and ethanol and 2-butanol as the alcoholic solvents. Experiments were performed at the pressure range of 30-60 bar and at temperatures of 160-200 °C. The productivity of methanol was found to increase with increasing pressure and temperature. In the studied process conditions a maximum volumetric productivity of 1.9 g of methanol per liter of solvent per hour was obtained, while the maximum catalyst specific productivity was found to be 40.2 g of methanol per kg of catalyst per hour. The productivity values are low compared to both industrial synthesis and to gas-phase synthesis from CO2. However, the reaction temperatures and pressures employed were lower compared to gas-phase processes. While the productivity is not high enough for large-scale industrial operation, the milder reaction conditions and simple operation could prove useful for small-scale operations. Finally, a preliminary design for an alcohol promoted, liquid-phase methanol synthesis process was created using the data obtained from the experiments. The demonstration scale process was scaled to an electrolyzer unit producing 1 Nm3 of hydrogen per hour. This Master’s thesis is closely connected to LUT REFLEX-platform.

CloudSimDisk: Energy-Aware Storage Simulation in CloudSim

Cloud Computing paradigm is continually evolving, and with it, the size and the complexity of its infrastructure. Assessing the performance of a Cloud environment is an essential but strenuous task. Modeling and simulation tools have proved their usefulness and powerfulness to deal with this issue. This master thesis work contributes to the development of the widely used cloud simulator CloudSim and proposes CloudSimDisk, a module for modeling and simulation of energy-aware storage in CloudSim. As a starting point, a review of Cloud simulators has been conducted and hard disk drive technology has been studied in detail. Furthermore, CloudSim has been identified as the most popular and sophisticated discrete event Cloud simulator. Thus, CloudSimDisk module has been developed as an extension of CloudSim v3.0.3. The source code has been published for the research community. The simulation results proved to be in accordance with the analytic models, and the scalability of the module has been presented for further development.

Uusien energianormien vaikutus pientalojen rakenteisiin ympäristön kannalta

Tehokkaimpia keinoja vähentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta ja lämmityksen aiheuttavia hiilidioksidi- ja happamoitavia päästöjä on tiukentaa rakentamismääräysten lämmöneristysvaatimuksia. Hyvin lämmöneristetyissä, tiiveissä ja ilmanvaihdoltaan optimoiduissa taloissa on pienet lämpöhäviöt. Näin ympäristöä kuormittava vaikutus saadaan paljon vähemmäksi kuin nykynormien mukaisissa asuinrakennuksissa. Johtumislämpöhäviö pienenee suoraan eristekerroksia paksuntamalla ja siihen on helpointa vaikuttaa. Mitä suurempiin eristepaksuuksiin mennään sen suuremmaksi tulee konvektion osuus kokonaislämpöhäviöstä. Tulevaisuudessa parempia ratkaisuja haetaan erityisesti konvektiosta ja säteilystä aiheutuvien lämpöhäviöiden pienentämiseksi. Eristeen osastointi ilmanpitävillä, vesihöyryä diffuusisesti läpäisevillä pystysuuntaisilla konvektiokatkoilla vähentää tehokkaasti paksun seinäeristeen kuljettumis-ilmavirtauksia. Katkoina käytetään erilaisia kalvoja ja rakennuspapereita, joilla on pieni emissiviteetti. Katkojen merkitys kasvaa, kun mennään uusien normien mukaisiin eristepaksuuksiin. Lämmöneriste voidaan toteuttaa myös kokoamalla ohuita kalvoja paketiksi, jotka jakavat ilmatilan ja siis eristeelle varatun paksuuden suljettuihin ilmaväleihin. Kun kalvoiksi valitaan pieniemissiviteettisiä pintoja, saadaan säteilylämmönsiirto lähes eliminoiduksi. Tällaisen ilmatilan lämmönjohtumisluku lähestyy paikallaan pysyvän ilman lämmönjohtumislukua, l = 0,025 W/Km, eli tällä rakennesysteemillä on mahdollista toteuttaa ohuempia rakenteita kuin perinteisillä eristeillä. Hygroskooppisen massan käyttö sisäilman kosteutta tasaavana rakenteena voi olla tulevaisuutta. Kehitystyö tuottaa uusia, kosteusteknisesti toimivia sovelluksia. Toisaalta palomääräykset tulevat kehitystyötä vastaan. Hygroskooppinen pintamateriaali on kevyt (pieni tiheys) ja paloteknisesti arka. Suoraa sähkölämmitystä ei voida pitää ympäristöystävällisenä. Sen jalostusketju on pitkä ja monivaiheinen. Millä peruspolttoaineella sähköä tuotetaan, vaikuttaa asiaan luonnollisestikin. Suoraa sähkölämmitystä voidaan suositella vain yksinäisen ihmisen taloudessa lämmitysmuotona taloudellisista syistä. Halvan polttoaineen säästöllä ei voida maksaa suuria laiteinvestointeja. Aurinkoenergian hyvä hyödyntäminen edellyttää hyvää säätöä, joka kytkee lämmityksen pois päältä silloin, kun aurinko lämmittää. Auringon hetkelliset säteilytehot ovat suuria verrattuna rakenteen lämpöhäviöihin ja huonetilojen lämmöntarpeeseen. Ratkaisu aurinkoenergian hetkellisyyteen ja paikallisuuteen on energian siirtäminen lämmöntarpeen mukaan rakennuksen eri osiin ja sen varastoiminen päivätasolla. Kun varastoivasta massasta ei ole suoraa yhteyttä ulos, voidaan kerääjäeristeeltä saatu lämpö käyttää häviöttömästi huonetilojen lämmittämiseen. Vaikka lämmitysenergian käytössä päästään 30 % vähennyksiin uudisrakennusten osalta, ei kokonaisenergian käyttö merkittävästi pienene, jos taloussähkön kulutus pysyy vakiona. Sama pätee myös CO2 -päästöihin. Saavutettava etu lämmitys-energian kulutuksessa voidaan hukata yhä suurenevaksi taloussähkön käytöksi, mikä olisi erityisen huono asia ympäristön kannalta.

Life cycle costs in heating, ventilation and air-conditioning systems with drive

Energy consumption and energy efficiency have become an issue. Energy consumption is rising all over the world and because of that, and the climate change, energy is becoming more and more expensive. Buildings are major consumers of energy, and inside the buildings the major consumers are heating, ventilation and air-conditioning systems. They usually run at constant speed without efficient control. In most cases HVAC equipment is also oversized. Traditionally heating, ventilation and air-conditioning systems have been sized to meet conditions that rarely occur. The theory part in this thesis represents the basics of life cycle costs and calculations for the whole life cycle of a system. It also represents HVAC systems, equipment, systems controls and ways to save energy in these systems. The empirical part of this thesis represents life cycle cost calculations for HVAC systems. With these calculations it is possible to compute costs for the whole life cycle for the wanted variables. Life cycle costs make it possible to compare which variable causes most of the costs from the whole life point of view. Life cycle costs were studied through two real life cases which were focused on two different kinds of HVAC systems. In both of these cases the renovations were already made, so that the comparison between the old and the new, now existing system would be easier. The study indicates that energy can be saved in HVAC systems by using variable speed drive as a control method.

House heating in Finland and Russia

Achievement of house heating efficiency is one of key questions in building construction field. Finland and nothern part of Russia have similar climate conditions that gives a reason for comparation of their house heating approaches. In this work main questions concerned to house heating energy efficiency are studied, building norms and standards of Russia and Finland are studied and compared from heat storage efficiency point of view, review of statistics is done, some different factors influencing house heating energy efficiency are derived.