Etelä-Karjalan energiaselvitys ja maakunnan energiatalouden tulevaisuus

Diplomityössä on selvitetty Etelä-Karjalan maakunnan energian käyttöä nyt ja tulevaisuudessa. Tavoitteena on selvittää eri energialähteiden hankintavaihtoehtoja, sekä eri energialähteiden käytön kehittymissuunnat seuraavan 10 - 20 vuoden kuluessa. Diplomityö on tehty Etelä-Karjalan liiton toimeksiannosta ja sitä tullaan käyttämään taustaselvityksenä maakuntakaavan laadinnassa sekä maakunnan aluevarauksia määriteltäessä. Tarkoituksena on arvioida miten energiahuollon rakenne tulee muuttumaan tulevaisuudessa ja mikä merkitys tulevaisuuden energiaratkaisuilla on alueiden käyttöön ja aluerakenteeseen liittyen. Etelä-Karjala on osa Euroopan suurinta metsäteollisuuskeskittymää ja maakunta on Suomen suurimpia teollisuuden energian- ja sähkönkäyttäjiä. Etelä-Karjalan vahva metsäteollisuus ja sen käyttämät puupolttoaineet sekä sijainti Venäjän maakaasuvarojen läheisyydessä ja kattava maakaasuverkko vaikuttavat merkittävästi maakunnan energiataseeseen. Vuonna 2007 Etelä-Karjalan primäärienergiankäyttö oli 24,3 TWh, tästä uusiutuvien energialähteiden osuus oli 68 % ja fossiilisten energialähteiden osuus 22 %. Etelä-Karjalan energiatalouden tulevaisuuteen vaikuttaa merkittävästi maakunnan metsäteollisuuden tulevaisuus. Tiukentuvan energia- ja ilmastopolitiikan ja ympäristömääräysten myötä maakunnan energiatehokkuutta on parannettava kaikilla sektoreilla. Maakunnan energiankulutusta voidaan vähentää tehostamalla energiantuotantoa, tiivistämällä yhdyskuntarakennetta ja lisäämällä bioenergian käyttöä energiantuotannossa. Etelä-Karjalassa on myös potentiaalia lisätä vaihtoehtoisten energialähteiden osuutta maakunnan energiatalouden tulevaisuudessa.

Energy harvesting methods for wireless sensor nodes in heavy-duty vehicles

The number of autonomous wireless sensor and control nodes has been increasing rapidly during the last decade. Until recently, these wireless nodes have been powered with batteries, which have lead to a short life cycle and high maintenance need. Due to these battery-related problems, new energy sources have been studied to power wireless nodes. One solution is energy harvesting, i.e. extracting energy from the ambient environment. Energy harvesting can provide a long-lasting power source for sensor nodes, with no need for maintenance. In this thesis, various energy harvesting technologies are studied whilst focusing on the theory of each technology and the state-of-the-art solutions of published studies and commercial solutions. In addition to energy harvesting, energy storage and energy management solutions are also studied as a subsystem of a whole energy source solution. Wireless nodes are also used in heavy-duty vehicles. Therefore a reliable, long-lasting and maintenance-free power source is also needed in this kind of environment. A forestry harvester has been used as a case study to study the feasibility of energy harvesting in a forestry harvester’s sliding boom. The energy harvester should be able to produce few milliwatts to power the target system, an independent limit switch.

Etelä-Karjalan pienten ja keskisuurten konepaja- ja kunnossapitoyritysten energiaohjelma

Työssä tutkitaan Etelä-Karjalan alueella olevien uusiutuvien energiavarojen lisäämisen mahdollisuuksia sekä energian kulutuksen vähennysmahdollisuuksia energiatehokkuuden avulla pienissä ja keskisuurissa konepaja- ja kunnossapitoyrityksissä. Energiaohjelman pohjalla on EU:n halu jalkauttaa energia- ja ilmastotavoitteensa pieniin ja keskisuuriin yrityksiin. Ohjelma on muodostettu yritysryhmän mielipiteet ja tarpeet, sekä Etelä-Karjalan alueen ominaispiirteet huomioon ottaen. Energiaohjelmaa muodostettaessa perehdyttiin sekä EU:n että Suomen energiapolitiikkaan ja Etelä-Karjalan alueellisiin ominaisuuksiin ja energiantuotantotapoihin. Lisäksi yrityksiä haastateltiin energia-asioista ja niihin liittyvistä asenteista sekä perehdyttiin yritysten energiatehokkuuteen. Haastattelujen ja alueellisen energiarakenteen pohjalta päädyttiin muodostamaan energiaohjelma energiatehokkuuteen painottuen, koska alueen uusiutuvia luonnonvaroja on jo hyödynnetty melko tehokkaasti. Energiaohjelmaa testattiin pilottiprojektissa, joka toteutettiin työssä teoreettisena laskentana. Pilottiprojektin laskennasta saatiin lupaavia tuloksia. Laskennassa käytettävistä arvoista suurin osa saatiin pilottiprojektin yritykseltä tai muista lähteistä, mutta osa arvioitiin itse. Pilottiprojektista saatujen tietojen perusteella voidaan energiaohjelman väittää toimivan ainakin tarkastelussa mukana olleessa yritysryhmässä Etelä-Karjalan alueella. Energiaohjelma voi edistää yritysryhmän energiatehokkuutta vain jos se otetaan yrityksissä käyttöön. Ohjelmaa on mahdollista kehittää lisää muun muassa yksinkertaistamalla laskentaa. Jatkokehittelyllä on mahdollista luoda EU:n alueelle sopiva energiantehokkuustarkasteluun käytettävä ohjelma.

Choosing the optimal energy system for buildings and districts

The purpose of this master’s thesis was to develop a method to be used in the selection of an optimal energy system for buildings and districts. The term optimal energy system was defined as the energy system which best fulfils the requirements of the stakeholder on whose preferences the energy systems are evaluated. The most influential stakeholder in the process of selecting an energy system was considered to be the district developer. The selection method consisted of several steps: Definition of the district, calculating the energy consumption of the district and buildings within the district, defining suitable energy system alternatives for the district, definition of the comparing criteria, calculating the parameters of the comparing criteria for each energy system alternative and finally using a multi-criteria decision method to rank the alternatives. For the purposes of the selection method, the factors affecting the energy consumption of buildings and districts and technologies enabling the use of renewable energy were reviewed. The key element of the selection method was a multi-criteria decision making method, PROMETHEE II. In order to compare the energy system alternatives with the developed method, the comparing criteria were defined in the study. The criteria included costs, environmental impacts and technological and technical characteristics of the energy systems. Each criterion was given an importance, based on a questionnaire which was sent for the steering groups of two district development projects. The selection method was applied in two case study analyses. The results indicate that the selection method provides a viable and easy way to provide the decision makers alternatives and recommendations regarding the selection of an energy system. Since the comparison is carried out by changing the alternatives into numeric form, the presented selection method was found to exclude any unjustified preferences over certain energy systems alternatives which would affect the selection.

Comparison of Biomass Gasification Technologies for Natural Gas Substitution in Iron Ore Pelletizing Plants

The iron ore pelletizing process consumes high amounts of energy, including nonrenewable sources, such as natural gas. Due to fossil fuels scarcity and increasing concerns regarding sustainability and global warming, at least partial substitution by renewable energy seems inevitable. Gasification projects are being successfully developed in Northern Europe, and large-scale circulating fluidized bed biomass gasifiers have been commissioned in e.g. Finland. As Brazil has abundant biomass resources, biomass gasification is a promising technology in the near future. Biomasses can be converted into product gas through gasification. This work compares different technologies, e.g. air, oxygen and steam gasification, focusing on the use of the product gas in the indurating machine. The use of biosynthetic natural gas is also evaluated. Main parameters utilized to assess the suitability of product gas were adiabatic flame temperature and volumetric flow rate. It was found that low energy content product gas could be utilized in the traveling grate, but it would require burner’s to be changed. On the other hand, bio-SGN could be utilized without any adaptions. Economical assessment showed that all gasification plants are feasible for sizes greater than 60 MW. Bio-SNG production is still more expensive than natural gas in any case.

Evaluation of methods for estimating energy performance of biogas production

This study focused on identifying various system boundaries and evaluating methods of estimating energy performance of biogas production. First, the output-input ratio method used for evaluating energy performance from the system boundaries was reviewed. Secondly, ways to assess the efficiency of biogas use and parasitic energy demand were investigated. Thirdly, an approach for comparing biogas production to other energy production methods was evaluated. Data from an existing biogas plant, located in Finland, was used for the evaluation of the methods. The results indicate that calculating and comparing the output-input ratios (Rpr1, Rpr2, Rut, Rpl and Rsy) can be used in evaluating the performance of biogas production system. In addition, the parasitic energy demand calculations (w) and the efficiency of utilizing produced biogas (η) provide detailed information on energy performance of the biogas plant. Furthermore, Rf and energy output in relation to total solid mass of feedstock (FO/TS) are useful in comparing biogas production with other energy recovery technologies. As a conclusion it is essential for the comparability of biogas plants that their energy performance would be calculated in a more consistent manner in the future.

Container logistic innovations in forest-energy sector: Markets, future service concepts and technical improvements

The report presents the results of the commercialization project called the Container logistic services for forest bioenergy. The project promotes new business that is emerging around overall container logistic services in the bioenergy sector. The results assess the European markets of the container logistics for biomass, enablers for new business creation and required service bundles for the concept. We also demonstrate the customer value of the container logistic services for different market segments. The concept analysis is based on concept mapping, quality function deployment process (QFD) and business network analysis. The business network analysis assesses key shareholders and their mutual connections. The performance of the roadside chipping chain is analysed by the logistic cost simulation, RFID system demonstration and freezing tests. The EU has set the renewable energy target to 20 % in 2020 of which Biomass could account for two-thirds. In the Europe, the production of wood fuels was 132.9 million solid-m3 in 2012 and production of wood chips and particles was 69.0 million solidm3. The wood-based chips and particle flows are suitable for container transportation providing market of 180.6 million loose- m3 which mean 4.5 million container loads per year. The intermodal logistics of trucks and trains are promising for the composite containers because the biomass does not freeze onto the inner surfaces in the unloading situations. The overall service concept includes several packages: container rental, container maintenance, terminal services, RFID-tracking service, and simulation and ERP-integration service. The container rental and maintenance would provide transportation entrepreneurs a way to increase the capacity without high investment costs. The RFID-concept would lead to better work planning improving profitability throughout the logistic chain and simulation supports fuel supply optimization.

Achieving EU energy targets – Impacts of evolutionary and revolutionary transition paths on power systems

Ambitious energy targets set by EU put pressures to increase share of renewable electricity supply in this and next decades and therefore, some EU member countries have boosted increasing renewable energy generation capacity by implementing subsidy schemes on national level. In this study, two different change approaches to increase renewable energy supply and increase self-sufficiency of supply are assessed with respect to their impacts on power system, electricity market and electricity generation costs in Finland. It is obtained that the current electricity generation costs are high compared to opportunities of earnings from present-day investor’s perspective. In addition, the growth expectations of consumptions and the price forecasts do not stimulate investing in new generation capacity. Revolutionary transition path is driven by administrative and political interventions to achieve the energy targets. Evolutionary transition path is driven by market-based mechanisms, such as market itself and emission trading scheme. It is obtained in this study that in the revolutionary transition path operation of market-based mechanisms is distorted to some extent and it is likely that this path requires providing more public financial resources compared to evolutionary transition path. In the evolutionary transition path the energy targets are not achieved as quickly but market-based mechanisms function better and investment environment endures more stable compared to revolutionary transition path.

Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa

Kandidaatintyön tavoitteena on kartoittaa merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon, keittämöön sekä kuivauskoneeseen. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen odotetaan pysyvän tavanomaista sulfaattiprosessia vastaavalla tasolla. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö

Hiilidioksidilla on merkittävä vaikutus ilmastoon ja suurin osa ihmisten käyttämästä energiasta perustuu hiilipohjaisiin polttoaineisiin. Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö tarjoaa erinomaisen mahdollisuuden ilmastonmuutoksen vai-kutusten vähentämiseen vaikuttamatta kuitenkaan merkittävästi käytettyihin energialäh-teisiin. CO2:n talteenottotekniikat voidaan jakaa neljään periaatteeltaan erilaiseen tyyppiin: pol-ton jälkeiseen talteenottoon, ennen polttoa tapahtuvaan talteenottoon, happipolttoon ja kemialliseen kiertoon perustuvaan palamiseen. Polton jälkeinen ja ennen polttoa tapah-tuva talteenotto edustavat eniten tutkittua ja käytettyä tekniikkaa. Hyötykäyttökohteita CO2:lla on useita, joista nykyiset merkittävimmät ovat öljyn tuo-tannon tehostus ja elintarviketeollisuus. Tulevaisuudessa merkittäviä käyttökohteita tulee todennäköisesti olemaan uusiutuvan energian varastointi synteettiseen metaa-niin/metanoliin, kemian-, paperi- ja selluteollisuuden prosessit ja vedenkäsittely.

Polysulfidiprosessin vaikutukset höyrynkulutukseen sulfaattisellutehtaassa

Diplomityön tavoitteena on kartoittaa höyrynkulutuksen merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia sekä todennettuja muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Diplomityössä analysoidaan muutoksiin johtaneita syitä ja erityisesti peilataan niitä ennalta odotettuihin muutoksiin, joita kandidaatintyö ”Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa” (Szepaniak 2014) esitti kirjallisuuden pohjalta. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Tutkimustulosten perusteella esitetään jatkotutkimus- ja kehityskohteita. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon ja keittämöön. Keittämön höyrynkulutus kasvaa, haihduttamon kuorma vähenee ja soodakattilan lämmöntuotanto heikkenee. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen muutokset ovat tilastollisesti merkityksettömiä. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Biogas production in regional integrated biodegradable waste treatment – Possibilities for improving energy performance and reducing GHG emissions

The greatest threat that the biodegradable waste causes on the environment is the methane produced in landfills by the decomposition of this waste. The Landfill Directive (1999/31/EC) aims to reduce the landfilling of biodegradable waste. In Finland, 31% of biodegradable municipal waste ended up into landfills in 2012. The pressure of reducing disposing into landfills is greatly increased by the forthcoming landfill ban on biodegradable waste in Finland. There is a need to discuss the need for increasing the utilization of biodegradable waste in regional renewable energy production to utilize the waste in a way that allows the best possibilities to reduce GHG emissions. The objectives of the thesis are: (1) to find important factors affecting renewable energy recovery possibilities from biodegradable waste, (2) to determine the main factors affecting the GHG balance of biogas production system and how to improve it and (3) to find ways to define energy performance of biogas production systems and what affects it. According to the thesis, the most important factors affecting the regional renewable energy possibilities from biodegradable waste are: the amount of available feedstock, properties of feedstock, selected utilization technologies, demand of energy and material products and the economic situation of utilizing the feedstocks. The biogas production by anaerobic digestion was seen as the main technology for utilizing biodegradable waste in agriculturally dense areas. The main reason for this is that manure was seen as the main feedstock, and it can be best utilized with anaerobic digestion, which can produce renewable energy while maintaining the spreading of nutrients on arable land. Biogas plants should be located close to the heat demand that would be enough to receive the produced heat also in the summer months and located close to the agricultural area where the digestate could be utilized. Another option for biogas use is to upgrade it to biomethane, which would require a location close to the natural gas grid. The most attractive masses for biogas production are municipal and industrial biodegradable waste because of gate fees the plant receives from them can provide over 80% of the income. On the other hand, directing gate fee masses for small-scale biogas plants could make dispersed biogas production more economical. In addition, the combustion of dry agricultural waste such as straw would provide a greater energy amount than utilizing them by anaerobic digestion. The complete energy performance assessment of biogas production system requires the use of more than one system boundary. These can then be used in calculating output–input ratios of biogas production, biogas plant, biogas utilization and biogas production system, which can be used to analyze different parts of the biogas production chain. At the moment, it is difficult to compare different biogas plants since there is a wide variation of definitions for energy performance of biogas production. A more consistent way of analyzing energy performance would allow comparing biogas plants with each other and other recovery systems and finding possible locations for further improvement. Both from the GHG emission balance and energy performance point of view, the energy consumption at the biogas plant was the most significant factor. Renewable energy use to fulfil the parasitic energy demand at the plant would be the most efficient way to reduce the GHG emissions at the plant. The GHG emission reductions could be increased by upgrading biogas to biomethane and displacing natural gas or petrol use in cars when compared to biogas CHP production. The emission reductions from displacing mineral fertilizers with digestate were seen less significant, and the greater N2O emissions from spreading digestate might surpass the emission reductions from displacing mineral fertilizers.

Lumen varastointi ja hyödyntäminen tilojen jäähdytykseen, Case: Kone Oyj

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää mahdollisuutta hyödyntää lunta tilojen jäähdytykseen Koneen Hyvinkään tehdasalueella. Työssä kerrotaan myös yleisesti eri jäähdytysmuodoista ja tuotantotavoista. Eri kirjallisuuslähteiden pohjalta tutkittiin erilaisia lumijäähdytysjärjestelmiä, joiden energiataseiden pohjalta tehtiin sopiva malli kohdealueelle. Mallin avulla selvitettiin lumesta hyödynnettävä jäähdytysenergian määrä. Esitetylle varastolle hahmoteltiin investointi- ja käyttökustannukset kirjallisuuslähteiden ja asiantuntijoiden avulla. Kustannuksien ja jäähdytysenergiamäärien avulla laskettiin lumijäähdytyksen tuotantokustannukset, joita verrattiin perinteiseen kompressorijäähdyttimeen. Lopuksi pohdittiin vielä takaisinmaksuaikoja lumivaraston liittyessä nykyisiin jäähdytysjärjestelmiin ja kokonaan uuteen jäähdytysverkostoon. Tuloksien mukaan lumijäähdytys ei ole taloudellisesti kannattavaa Koneen Hyvinkään tehdasalueella. Ongelmaksi muodostui investointikustannusten suuruus verrattuna saatuihin säästöihin. Ympäristöllisesti ja yrityksellisesti hanketta voidaan pitää kannattavana. Lumijäähdytyksestä voidaan saada kannattavampi suuremmilla lumimäärillä, mikä vaatisi myös suuremmat jäähdytysenergiankulutukset kuin Koneella on. Myös hyödyntämällä luonnon omia rakenteita voidaan parantaa kannattavuutta.

Legitimacy Building in Public Disclosures on Strategic Energy Investments

Renewable energy investments play a key role in energy transition. While studies have suggested that social acceptance may form a barrier for renewable energy investments, the ways in which companies perceive and attempt to gain the acceptance have received little attention. This study aims to fill the gap by exploring how large electric utilities justify their strategic investments in their press releases and how do the justifications differ between renewable and non-renewable energy investments. The study bases on legitimacy theory and aims at contributing to the research on legitimation in institutional change. As its research method, the study employs an inductive mixed method content analysis. The study has two parts: a qualitative content analysis that explores and identifies the themes and legitimation strategies of the press releases and a quantitative computer-aided analysis that compares renewable and non-renewable energy investments. The sample of the study consists of 396 press releases representing the strategic energy investments of 34 electric utilities from the list of the world’s 250 largest and financially most successful energy companies. The data is collected from the period of 2010–2014. The study reveals that most important justifications for strategic energy investments are fit with the strategy and environmental and social benefits. Justifications address especially the expectations of market. Investments into non-renewable energy are justified more and they use more arguments addressing the proprieties and performance of power plants whereas renewable energy investments are legitimized by references to past actions and commonly accepted morals and norms. The findings support the notion that validity-addressing and propriety-addressing legitimation strategies are used differently in stable and unstable institutional settings.

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.