Kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin virtasäätö polttokennosovelluksessa

Ilmastonmuutos ja fossiilisten polttoaineiden ehtyminen ovat edesauttaneet uusiutuvien energialähteiden tutkimusta huomattavasti. Lisäksi alati kasvava sähköenergian tarve lisää hajautetun sähköntuotannon ja vaihtoehtoisten energialähteiden kiinnostavuutta. Yleisimpiä hajautetun sähköntuotannon energialähteitä ovat tuulivoima, aurinkovoima ja uutena tulokkaana polttokennot. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon vaatii tehoelektroniikkaa, ja yleensä yksinkertaisessa polttokennosovelluksessa polttokenno kytketään galvaanisesti erottavan yksisuuntaisen DC/DC-hakkurin ja vaihtosuuntaajan kanssa sarjaan. Polttokennon rinnalla voidaan käyttää akkua tasaamaan polttokennon syöttämää jännitettä, jolloin akun ja polttokennon väliin tarvitaan kaksisuuntainen DC/DC-hakkuri, joka pystyy siirtämään energiaa molempiin suuntiin. Tässä diplomityössä on esitetty kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli sekä mallin perusteella toteutettu virtasäätö. Tutkittava hakkuritopologia on kokosilta-tyyppinen boost-hakkuri, ja säätömenetelmä keskiarvovirtasäätö. Työn tuloksena syntyi tilayhtälömalli kaksisuuntaiselle FB boost -hakkurille sekä sen tulokelan virran säätämiseen soveltuva säädin. Säädin toimii normaalitilanteissa hyvin, mutta erikoistilanteissa, kuten hakkurin tulojännitteen äkillisessä muutostilanteessa, vaadittaisiin tehokkaampi säädin, jolla saavutettaisiin nopeampi nousuaika ilman ylitystä ja oskillointia.

Tuulivoimalan lapojen huolto ja tarkastukset

Uusiutuva energia elää voimakasta kasvukautta ja hallituksen tekemien tukipäätösten vuoksi tuulivoimaa tullaan rakentamaan huomattavasti lisää tulevien vuosien aikana. Tuuligeneraattorin siipien huolto- ja tarkastustoiminta on uusi ja kehittyvä toimiala. Tämä diplomityö onkin tehty oppaaksi helpottamaan tuulivoimaa omistavien, rakentavien, tai tuulivoimapuiston perustamista harkitsevien tahojen huoltosuunnitelmien tekemistä varten. Diplomityössä käydään läpi yleisimmät tuulivoimaloiden lapojen vikaantu-miset, sekä työskentelytavat ja käytettävät laitteistot voimaloiden lapojen huoltoja ja tarkastuksia tehtäessä.

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.

Communication Solutions for LVDC Island Networks

Production and generation of electrical power is evolving to more environmental friendly technologies and schemes. Pushed by the increasing cost of fossil fuels, the operational costs of producing electrical power with fossil fuels and the effect in the environment, like pollution and global warming, renewable energy sources gain con-stant impulse into the global energy economy. In consequence, the introduction of distributed energy sources has brought a new complexity to the electrical networks. In the new concept of smart grids and decen-tralized power generation; control, protection and measurement are also distributed and requiring, among other things, a new scheme of communication to operate with each other in balance and improve performance. In this research, an analysis of different communication technologies (power line communication, Ethernet over unshielded twisted pair (UTP), optic fiber, Wi-Fi, Wi-MAX, and Long Term Evolution) and their respective characteristics will be carried out. With the objective of pointing out strengths and weaknesses from different points of view (technical, economical, deployment, etc.) to establish a richer context on which a decision for communication approach can be done depending on the specific application scenario of a new smart grid deployment. As a result, a description of possible optimal deployment solutions for communication will be shown considering different options for technologies, and a mention of different important considerations to be taken into account will be made for some of the possible network implementation scenarios.

Применение практик Северных стран по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии в Калининградской области

RENSOL (Regional Energy Solutions) project deals with the use of energy efficiency and renewable energy solutions in Kaliningrad Oblast to tackle climate change. Overall objective of the RENSOL work package 1 is to build awareness and knowledge on solutions for energy efficient buildings and street lightning applications. This project report describes available solutions to improve housing energy efficiency.

Pienet biopolttoainekattilat

Tässä työssä selvitetään mitä kattilatyyppejä käytetään biopolttoainekattiloissa joiden lämpöteho on alle 30 MW. Näiden kattilatyyppien toimintaperiaate esitellään ja tutustaan suurimpien Suomessa toimivien kattilavalmistajien tuotteisiin ja referensseihin. Lisäksi työn alussa kerrotaan, että biopolttoaineiden käytön lisäämisen taustalla ovat EU:n asettamat tavoitteet hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä, uusiutuvan energian osuuden lisäämisessä energiantuotannossa ja energiaomavaraisuuden parantamisessa. Tämän jälkeen esitellään sitä, kuinka tällä hetkellä energiantuotannossa keskitytään kivihiilen korvaamiseen erilaisilla biopolttoaineilla, joista tärkein on metsähake.

Mitigation possibilities to Greenhouse gas emissions from power production in India

Global warming is assertively the greatest environmental challenge for humans of 21st century. It is primarily caused by the anthropogenic greenhouse gas (GHG) that trap heat in the atmosphere. Because of which, the GHG emission mitigation, globally, is a critical issue in the political agenda of all high-profile nations. India, like other developing countries, is facing this threat of climate change while dealing with the challenge of sustaining its rapid economic growth. India’s economy is closely connected to its natural resource base and climate sensitive sectors like water, agriculture and forestry. Due to Climate change the quality and distribution of India’s natural resources may transform and lead to adverse effects on livelihood of its people. Therefore, India is expected to face a major threat due to the projected climate change. This study proposes possible solutions for GHG emission mitigation that are specific to the power sector of India. The methods discussed here will take Indian power sector from present coal dominant ideology to a system, centered with renewable energy sources. The study further proposes a future scenario for 2050, based on the present Indian government policies and global energy technologies advancements.

Sähkö- ja lämpöenergian tuotantomenetelmien ympäristöllisen kilpailukyvyn määrittäminen alueellista energiajärjestelmää suunniteltaessa

Työssä tarkasteltiin sähkö- ja lämpöenergian tuotantomenetelmien ympäristöllistä kilpailukykyä osana yhdyskunnan energiajärjestelmää. Sähkö- lämpöenergian tuotantomenetelmiä vertailtiin keskenään aiheutuvien kasvihuonekaasupäästöjen perusteella. Tarkastelu toteutettiin elinkaariarviointimenetelmällä. Työssä mallinnettiin pääasiassa uusiutuviin energialähteisiin perustuvia menetelmiä yhdyskunnan vuotuisen sähkö- ja lämpöenergiantarpeen täyttämiseksi. Elinkaariarviointimallin avulla vertailtiin keskenään aurinko- ja tuulisähköpainotteista ja CHP-painotteista energiajärjestelmää. Lisäksi työssä arvioitiin aurinko- ja tuulisähköntuotantoa sekä CHP-tuotantoa nettoenergianäkökulmasta. Työn tulosten pohjalta voidaan olettaa, että kokonaisvaltaisesti paras energianhankintavaihtoehto on usean eri sähkö- ja lämpöenergiantuotantomenetelmän yhdistelmä. Alhainen päästötaso tietyssä kategoriassa on yhdentekevää, jos energiaa ei ole saatavissa silloin, kun sitä tarvitaan. Lisäksi on tärkeää huomata, että uusiutuvien energialähteiden hyödynnettävyys riippuu vahvasti alueellisista erityispiirteistä, kuten aurinko- ja tuuliolosuhteista. Tästä johtuen kestävän energiajärjestelmän suunnittelussa alueellisten ominaisuuksien huomiointi on tärkeää. Mikä tietyllä alueella osoittautuu parhaimmaksi ratkaisuksi, ei välttämättä ole sitä toisenlaisessa ympäristössä.

Aaltoenergia

Työssä tutustutaan aaltoenergian nykytilaan maailmalla. Tarkoituksena on selvittää mitä aaltoenergia on ja miten sitä voidaan hyödyntää. Lähtökohtana on, ettei lukija ole perehtynyt aaltoenergiaan millään tavoin. Työssä tutustutaan eri sovelluksiin ja tekniikoihin ja pyritään keskittymään lähinnä sellaisiin tekniikoihin, jotka ovat tällä hetkellä selvästi kehityksen kärjessä tai esikaupallisessa kehitysvaiheessa. Lisäksi työssä pohditaan aaltoenergian potentiaalia ja mahdollisia ympäristövaikutuksia.

Voimalaitostuhkan Hyödyntämismahdollisuudet - Case: Kouvolan Seutu

Maailman laajuisen kasvihuoneilmiön kiihtyminen ja EU:n tiukentuneet jäsenmailleen asettamat tavoitteet uusiutuvien polttoaineiden käytön lisäämiseksi ovat lisänneet puupolttoaineiden käyttöä Suomessa. Lisääntynyt puupolttoaineiden käyttö ja entistä tehokkaampi hakkuutähteiden hyödyntäminen on lisännyt metsistä poistuvien ravinteiden määrää. Huoli metsien maaperän ravinteiden niukkenemisesta sekä tiukentunut lainsäädäntö tuhkien kaatopaikkasijoittamisesta ovat lisänneet energiayhtiöiden kiinnostusta lisätä tuhkien hyötykäyttöä. Tuhka täytyy esikäsitellä, eli stabiloida ennen hyötykäyttöä. Stabiloinnissa tuhkaa kostutetaan, jolloin siitä muodostuu rakeita. Hyödynnettäessä tuhkaa metsälannoitukseen tuhka tulee usein myös terästää typellä, sillä tuhka ei sisällä lainkaan typpeä. Muita tuhkan hyötykäyttömahdollisuuksia ovat peltolannoitus, betonin valmistus, maarakentaminen sekä jätevedenpuhdistus. Näistä vaihtoehdoista betonin valmistus ja maarakentaminen ovat melko yleisiä. Kouvolassa tuhkaa muodostuu noin 14 000 tonnia vuodessa. Kaupungin omistama metsäalue Saaramaalla voitaisiin lannoittaa lähes samoilla kustannuksilla kuin mitä kaatopaikkasijoittaminen maksaisi. Sen sijaan tuhkan käytöllä tierakentamiseen Tähteen alueella saavutetaan tuhansien eurojen säästöt kaatopaikkasijoitukseen verrattuna ja samalla tuhka saadaan hyötykäyttöön kiviaineksia säästäen.  

Kaukolämmön hinnoittelumallien optimointi ja kehittäminen muuttuvassa toimintaympäristössä

Kaukolämpöliiketoiminnan kehittämistarve korostuu jatkuvasti alan rakennemuutosten ja markkinoiden muutoksien seurauksena. Turku Energian tavoitteena on uudistaa ja kehittää kaukolämmön hinnoitteluaan vastaamaan energian tuotannon, jakelun, loppukäytön ja muihin alan muutoksiin. Tässä opinnäytetyössä tutkitaan kaukolämmön hinnoittelun optimointi ja kehittämistä nykyisessä sekä tulevaisuuden markkina- ja tuotantorakenteessa. Nykyisen hinnoittelumallin lisäksi tutkitaan vaihtoehtoisia tapoja hinnoitella myytävä kaukolämpöenergia, kuten vuodenaikojen mukaan määriteltävä muuttuva energianhinta. Työn kirjallisuusosassa esitellään kaukolämmön tuotanto, siirto ja jakelu sekä liiketoiminta Suomessa ja Turun seudulla. Tutkittavat hinnoittelumallit perustuvat todellisiin ja arvioituihin liiketoiminnan kustannuksiin, sekä esitettyihin laskentaperiaatteisiin. Turku Energian nykyistä perusmaksun hintatasoa tulee korottaa, jotta se vastaa lämmönhankinnan kiinteitä kustannuksia tarkemmin ja minimoi liiketoiminnan markkinariskiä. Nykyisen hinnoittelun verokomponentin kehittämisellä lisätään hinnoittelun läpinäkyvyyttä. Kausihinnoittelun avulla energianhinta noudattaa tuotannon kustannuksia vuoden aikana ja ohjaa asiakkaiden lämmönkulutusta nykyistä tarkemmin. Uusiutuvilla energianlähteillä tuotettua kaukolämpöä voidaan myydä erillisillä tuotteilla, joiden avulla liiketoiminnalle saadaan lisäarvoa.

Ruostumattoman teräksen käyttö ja käyttövaatimukset LNG:n varasto- ja kuljetusjärjestelmissä

On arvioitu, että koko maailmaa kattava energiantarve nousee 1,2 % vuosinopeudella. Asiaa ei kaunista se tosiasia, että valtaosa tänä päivänä tuotetusta energiasta (85 %) on lähtöisin fossiilisista polttoaineista. Päästöjen on arvioitu lisääntyvän 2005 – 2030 välisenä aikana noin 30 %, vaikka uusiutuvaa energiaa käytettäisiin ja prosessien hyötysuhteet paranisivat. Vuonna 2015 voimaan tuleva rikkidirektiivi on pakottanut asiantuntijat löytämään korvaavan energialähteen, joka vähentäisi päästöjen määrää, ja jota esiintyisi suurissa määrissä. Nesteytetty maakaasu, LNG, toteuttaa edellä mainitut ehdot. Tässä diplomityössä perehdytään LNG-teollisuuden arvoketjuun Suomessa sekä muualla maailmassa. Työssä pääpainona on selvittää ruostumattoman teräksen käyttömahdollisuuksia nykyisessä LNG-teollisuuden arvoketjussa sekä selvittää sen uusia sovelluskohteita LNG-alalla tulevaisuudessa. Diplomityössä on tehty laaja kirjallisuuskatsaus LNG:n arvoketjuun ja uuden EN 1.4420 ruostumattoman teräksen soveltuvuuteen kryogeenisissä lämpötiloissa. Työn aikana on myös tehty useita haastatteluja LNG-teollisuudessa toimivien henkilöiden kanssa. Menetelmäkokeita ja koehitsauksia on suoritettu näiden haastattelujen perusteella.

Uusiutuvan energian käyttömahdollisuudet Liikuntakeskus Pajulahdessa

Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston, Liikuntakeskus Pajulahden ja Nastolan Energiasäätiön yhteisprojektina. Työn tarkoituksena on tutkia aurinkosähköjärjestelmien taloudellista kannattavuutta ostosähkön korvaamisessa Liikuntakeskus Pajulahden kiinteistössä. Työssä tehdään laskelmat aurinkopaneelien tuotoista, tuotetun sähkön hinnasta, investointien takaisinmaksuajoista sekä tuotetun aurinkosähkön synnyttämistä hiilidioksidipäästövähenemistä. Lisäksi tarkastellaan energiaveron vaikutusta pientuotantolaitoksen kannattavuuteen. Tämän hetkisillä aurinkosähköjärjestelmien hinnoilla pystytään tuottamaan puhdasta, ympäristöystävällistä sähköä kilpailukykyiseen hintaan. Työssä tehdään yleiskatsaus myös muiden uusiutuviin energialähteisiin perustuvien tuotantomenetelmien käyttömahdollisuuksista. Yhtenä erityistarkastelunkohteena on Pajulahden monitoimihalliin vuonna 2008 suunniteltu vesistöä lämmönlähteenä käyttävä lämpöpumppujärjestelmä, jonka toteutukseen ei saatu tarvittavia lupia. Tarkastelussa tutkitaan myös aiemmin Suomessa toteutettuja vastaavia hankkeita ja niiden lupien saantia. Lisäksi on haettu tosiasioihin perustuvia argumentteja keskusteluun vesistölämmön hyödyntämisestä. Tarkastelun kohteena oleva vesistölämpöhanke voidaan todeta olevan erittäin kannattava, taloudellisesti sekä ympäristöllisesti. Tutkimuksen pohjalta Nastolan Energiasäätiölle tuotetaan havainnollinen ja selkeä aineisto aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksista Nastolan kunnassa.

Biohiilen tuotannon toimintaedellytykset Parikkalassa

Suomessa on sitouduttu kansainvälisiin päästövähennystavoitteisiin ja uusiutuvan ener-gian osuuden kasvattamiseen. Biohiili on erinomainen polttoainevaihtoehto kivihiili-voimalaitoksissa, sillä sitä voidaan käyttää suurellakin seososuudella ilman merkittäviä rakenteellisia muutoksia polttoaineen syöttölaitteistoihin tai kattilaan. Biohiiltä voidaan käyttää myös metallurgiassa pelkistimenä, maanparannusaineena ja hiilinieluna. Biohiilen raaka-aineena toimii energia- ja kuitupuuhake. Parikkalan lähialueella on hyödyn-nettävissä olevaa teknis-taloudellista metsäenergiapotentiaalia keskisuuren biojalostamon perustamista varten. Biohiilen teoreettinen markkinapotentiaali on valtava, mutta sen taloudelliset kannattavuusnäkymät ovat heikot nykyhintatasolla. Biohiilen kilpailukykyä heikentävät kivihiilen ja päästöoikeuksien alhaiset hinnat ja biohiilen korkeat tuotantokustannukset. Biohiilimarkkinoiden kehittymistä jarruttaa myös olemassa olevan tuotannon puute. Biohiilen käyttöönotto edellyttäisi kansainvälisiä tukitoimia tai kivihiilen hinnan kasvua.

Metsäenergian liiketoimintojen kehittäminen ja käytön kasvun vaikutukset Kaakkois-Suomessa

Kaakkois-Suomen alueella uusiutuvan energian käyttö ja erityisesti metsäenergian käyttö on kasvanut merkittävästi 2000-luvulla. Tulevaisuudessa metsäenergia nähdään edelleen potenti-aalisimpana vaihtoehtona korvattaessa fossiilisia polttoaineita lämpö- ja voimalaitoskokoluo-kassa. Muita uusiutuvan energian vaihtoehtoja ovat mm. tuuli- ja aurinkovoima, biokaasu sekä erilaiset kiinteät ja nestemäiset polttoainejalosteet. Tulevaisuudessa alueella voi olla mahdollis-ta tuottaa niin kansalliseen kuin kansainväliseen vientiin esim. biopolttonesteitä, biokaasua ja biohiiltä. Tutkimushankkeen tavoitteena oli selvittää metsäenergia-alan alueelliset toimijat sekä metsä-energian soveltuvuus ja liiketoimintamahdollisuudet Kaakkois-Suomen alueen energian tuo-tannossa. Tutkimus koostui seuraavista osatehtävistä: metsäsektorin toimijakentän kartoitus, metsäenergian alueelliset liiketoimintamahdollisuudet, puuperäisten polttoainejalosteiden käyttö- ja liiketoimintamahdollisuudet, muiden uusiutuvien energialähteiden käyttömahdolli-suudet ja vaikutukset Kaakkois-Suomessa. Tutkimuksessa arvioitiin myös Kaakkois-Suomen metsäenergian hankinnan työllisyysvaikutuksia. Tutkimuksen ohjausryhmänä toimi Kaakkois-Suomen metsäenergianeuvottelukunta. Tutkimuksessa kyselytutkimuksella selvitettiin metsäenergian tuottajien ja käyttäjien mielipi-teitä ja kehittämiskohteita toimialalta. Kaakkois-Suomessa hyödynnettävistä uusiutuvista energialähteistä selvitettiin nykyinen käyttö sekä arvioitiin tulevaisuuden hyödyntämismah-dollisuuksia vuonna 2020. Nämä tulokset esitettiin Kaakkois-Suomen energiataseen avulla. Kaakkois-Suomessa uusiutuvista energialähteistä puupolttoaineilla on merkittävin rooli metsä-teollisuuden johdosta ja alueen metsäenergian käyttö voi kasvaa jopa 1,7 TWh:in, mikäli fos-siilisia energialähteitä korvataan edelleen voimalaitoksissa ja lämpökeskuksissa. Metsäenergian käytön kasvussa alueen kunnilla on merkittävä rooli. Viime vuosina erityisesti tuulivoiman tuotanto on kasvanut ja tulee kasvamaan edelleen. Samoin aurinkoenergian hyödyntäminen kiinteistökokoluokassa on lisääntynyt voimakkaasti. Lisäksi maakuntaan on suunnitteilla kiin-teiden, nestemäisten ja kaasumaisten polttoainejalosteiden tuotantolaitoksia. Toteutuessaan laitokset voivat lisätä metsäenergian käyttöä merkittävästi.