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.

Climate change and global responsibility - the role of energy consumption, GDP and CO2 emissions

Climate change is one of the biggest challenges faced by this generation. Despite being the single most important environmental challenge facing the planet and despite over two decades of international climate negotiations, global greenhouse gas (GHG) emissions continue to rise. By the middle of this century, GHGs must be reduced by as much as 40-70% if dangerous climate change is to be avoided. In the Kyoto Protocol no quantitative emission limitation and reduction commitments were placed on the developing countries. For the planning of the future commitments period and possible participation of developing countries, information of the functioning of the energy systems, CO2 emissions development in different sectors, energy use and technological development in developing countries is essential. In addition to the per capita emissions, the efficiency of the energy system in relation to GHG emissions is crucial for the decision of future long-term burden sharing between countries. Country’s future development of CO2 emissions can be defined by the estimated CO2 intensity of the future and the estimated GDP growth. The changes in CO2 intensity depend on several factors, but generally developed countries’ intensity has been increasing in the industrialization phase and decreasing when their economy shifts more towards the system dominated by the service sector. The level of the CO2 intensity depends by a large extent on the production structure and the energy sources that are used. Currently one of the most urgent issues regarding global climate change is to decide the future of the Kyoto Protocol. Negotiations on this topic have already been initiated, with the aim of being finalised by the 2015. This thesis provides insights into the various approaches that can be used to characterise the concept of comparable efforts for developing countries in a future international climate agreement. The thesis examines the post-Kyoto burden sharing questions for developing countries using the contraction and convergence model, which is one approach that has been proposed to allocate commitments regarding future GHG emissions mitigation. This new approach is a practical tool for the evaluation of the Kyoto climate policy process and global climate change negotiations from the perspective of the developing countries.

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.

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.

Potential of energy and nutrient recovery from biodegradable waste by co-treatment in Lithuania

Biodegradable waste quantities in Lithuania and their potential for the co-treatment in renewable energy and organic fertilizer production are investigated. Two scenarios are formulated to study the differences of the amounts of obtainable energy and fertilizers between different ways of utilization. In the first scenario, only digestion is used, and in the second scenario, other materials than straw are digested, and straw and the solid fraction of sewage sludge digestate are combusted. As a result, the amounts of heat and electricity, as well as the fertilizer amounts in the counties are obtained for both scenarios. Based on this study, the share of renewable energy in Lithuania could be doubled by the co-treatment of different biodegradable materials.

Improvement of Energy Efficiency in a Gold Mining Industry: Case Study of a Russian Gold Mining Company

The issue of energy efficiency is attracting more and more attention of academia, business and policy makers worldwide due to increasing environmental concerns, depletion of non-renewable energy resources and unstable energy prices. The significant importance of energy efficiency within gold mining industry is justified by considerable energy intensity of this industry as well as by the high share of energy costs in the total operational costs. In the context of increasing industrial energy consumption energy efficiency improvement may provide significant energy savings and reduction of CO2 emission that is highly important in order to contribute to the global goal of sustainability. The purpose of this research is to identify the ways of energy efficiency improvement relevant for a gold mining company. The study implements single holistic case study research strategy focused on a Russian gold mining company. The research involves comprehensive analysis of company’s energy performance including analysis of energy efficiency and energy management practices. This study provides following theoretical and managerial contributions. Firstly, it proposes a methodology for comparative analysis of energy performance of Russian and foreign gold mining companies. Secondly, this study provides comprehensive analysis of main energy efficiency challenges relevant for a Russian gold mining company. Finally, in order to overcome identified challenges this research conceives a guidance for a gold mining company for implementation of energy management system based on the ISO standard.

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.

Litiumin talteenotto luonnon suola-altaista ionisilla nesteillä

Uusiutuvan energian käytön lisääntyminen lisää sähkön varastoinnin tarvetta. Litiumioniakku-jen on todettu olevan oivallisia keinoja varastoida sähköä esimerkiksi sähköautojen energian-lähteeksi. Tästä syystä akkujen kysyntä kasvaa nopeaa tahtia, jolloin nykyiset litiumlähteet ei-vät enää riitä tuottamaan tarpeeksi litiumia kasvavaan tarpeeseen. Tämän vuoksi litiumin tal-teenottoon tulee valjastaa uusia litiumin lähteitä, joiden hyödynnettävyys nykyisellä tekniikalla on pienen litiumkonsentraation ja muiden alkali- ja maa-alkalimetallien läsnäolon takia vaikeaa. Tällä hetkellä litiumia otetaan talteen eniten korkean litiumpitoisuuden luonnon suolajärvistä. Nykyisin käytössä oleva litiumin erotusprosessi on hidas ja sen käyttö pienten litiumkonsent-raatioiden suola-altailla on kannattamatonta. Tehokkaampana talteenottomenetelmänä luonnon suolajärvillä nähdään litiumin selektiivinen uutto ionisilla nesteillä. Menetelmä on todettu toi-mivaksi suolajärvillä, joilla on matala litiumkonsentraatio. Uusien suolajärvien käyttöönotto ei ratkaise kaikkia litiumin talteenottoon liittyviä ongelmia, sillä suolajärvet ovat alttiita ilmastonmuutokselle, eikä niiden litiumvarannot ole ehtymättömät. Merien litiumvarantoja sen sijaan pidetään lähes ehtymättöminä. Litiumin talteenotto meristä on mahdollista ionisia nesteitä ja membraaneja hyödyntävällä elektrodialyysilaitteistolla, jolla litiumia voidaan ottaa talteen myös hyvin pienistä pitoisuuksista. Lisäksi on mahdollista, että litiumin talteenottoon yhdistetään juomaveden valmistus. Tällainen vedenpuhdistusprosessi olisi myös hyvä kestävän kehityksen näkökulmasta.

Dynamic model development of adiabatic compressed air energy storage

The share of variable renewable energy in electricity generation has seen exponential growth during the recent decades, and due to the heightened pursuit of environmental targets, the trend is to continue with increased pace. The two most important resources, wind and insolation both bear the burden of intermittency, creating a need for regulation and posing a threat to grid stability. One possibility to deal with the imbalance between demand and generation is to store electricity temporarily, which was addressed in this thesis by implementing a dynamic model of adiabatic compressed air energy storage (CAES) with Apros dynamic simulation software. Based on literature review, the existing models due to their simplifications were found insufficient for studying transient situations, and despite of its importance, the investigation of part load operation has not yet been possible with satisfactory precision. As a key result of the thesis, the cycle efficiency at design point was simulated to be 58.7%, which correlated well with literature information, and was validated through analytical calculations. The performance at part load was validated against models shown in literature, showing good correlation. By introducing wind resource and electricity demand data to the model, grid operation of CAES was studied. In order to enable the dynamic operation, start-up and shutdown sequences were approximated in dynamic environment, as far as is known, the first time, and a user component for compressor variable guide vanes (VGV) was implemented. Even in the current state, the modularly designed model offers a framework for numerous studies. The validity of the model is limited by the accuracy of VGV correlations at part load, and in addition the implementation of heat losses to the thermal energy storage is necessary to enable longer simulations. More extended use of forecasts is one of the important targets of development, if the system operation is to be optimised in future.

Improvement of pyrolysis oil quality by scrubbing

Diplomityössä tutkittiin kuuman pyrolyysihöyryn puhdistamista haisevista ja kevyistä haihtuvista yhdisteistä. Työn kirjallisuusosassa selvitettiin pyrolyysiöljyn kannattavuutta uusiutuvana energialähteenä. Lisäksi eri pesurityyppejä tarkasteltiin ja ja vertailtiin. Työn kokeellisessa osassa käytettiin kahta erilaista koelaitteistoa. Tuotteen talteenotossa vertailtiin reaktorilämpötilan ja raaka-aineen kosteuden vaikutusta pyrolyysisaantoihin. Komponenttien talteenotossa tutkittiin epästabiilien ja pistävän hajuisten yhdisteiden poistamista kuumasta pyrolyysihöyrystä. Raaka-aineena käytettiin kuusen metsätäh-dehaketta, joka sisältää runsaasti neulasia ja kaarnaa. Kokeet toteutettiin lämpötila-alueella 460 - 520 °C. Koelaitteistot koostuivat kaasun (N2) syöttöjärjestelmään kytketystä kuumasta ja kyl-mästä puolesta. Tuotteen talteenotossa kuuma pyrolyysihöyry jäähdytettiin ja otettiin talteen. Komponenttien talteenotossa tuote kerättiin suodattimelle ja metyleeniklo-ridiloukkuun. Tuotteiden koostumukset analysoitiin kaasukromatokrafilla. Korkeimmat orgaaniset saannot saatiin 480 °C reaktorilämpötilalla ja 8-9 p-% raaka-ainekosteudella. Pyrolyysiveden määrä putosi raaka-aineen kosteutta nostettaessa. Eri reaktorilämpötiloilla ja raaka-ainekosteuksilla ei ollut vaikutusta hiiltosaantoihin. Kaasusaannot (pääosin CO2, CO ja hiilivedyt) olivat noin 10 p-%. Komponenttien talteenotossa suodatin tukkeutui matalissa (< 250 °C) lämpötiloissa. Suodattimelle jäänyt materiaali oli pääosin neulasista ja kaarnasta peräisin olevia uuteaineita (pääosin hartsi- rasvahappoja) ja sokereita. Korkeimmissa lämpötiloissa (> 250 °C) uuteaineet läpäisivät suodattimen paremmin. 250 ja 300 °C:n lämpötiloissa suuri määrä lyhytketjuisia helposti haihtuvia epästabiileja ja haisevia yhdisteitä (ketoneja, furaani- ja furfuraalijohdannaisia jne.) jäi metyleenikloridi- ja metanoliloukkuihin.

Pyrolyysiöljyn tuottaminen kiertoleijukattilaan liitetyllä prosessilla

Pyrolyysiöljy on biomassasta nopealla hapettomalla lämpökäsittelyprosessilla saatavaa nestemäistä polttoainetta. Kasvavien uusiutuvan energian käyttötavoitteiden myötä pyrolyysiöljystä on tullut kiinnostava vaihtoehto fossiilisille polttoöljyille. Suurimmat käytön haasteet ovat alhainen lämpöarvo, korkeat kiintoainepitoisuudet ja happamuus fossiilisiin polttoöljyihin verrattuna sekä eri raaka-aineista syntyvät ominaisuuksiltaan erilaiset pyrolyysiöljyt. Pyrolyysiöljyn kaupallinen tuotanto on vasta käynnistymässä eikä sen laadulle ole olemassa standardeja, joten eri valmistajien tuotteet voivat poiketa toisistaan huomattavastikin. Suomessa on Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen (VTT) toimesta kehitetty Integrated Thermal Process (ITP)-konsepti, jossa pyrolyysiöljyn tuotantoprosessi on liitetty kiertoleijukattilaprosessiin. Prosessien yhdistämisellä voidaan parantaa kokonaishyötysuhdetta sekä hyödyntää laitosten yhteistä käyttöä ja polttoaineen hankintaa. Pyrolyysiprosessin tarvitsema lämpöenergia otetaan petihiekan välityksellä kattilasta, jossa poltetaan myös prosessissa syntyvät oheistuotteet. Tässä diplomityössä tutkittiin pyrolyysiprosessin vaikutusta voimalaitoksen toimintaan ja luotiin malli voimalaitoksen energiataseessa tapahtuvien muutosten arviointiin. Malli laskee sekä pyrolysaattorin että raaka-aineen käsittelyn vaikutukset voimalaitoksen sähkön- ja lämmöntuotantoon. Lisäksi mallin avulla voidaan arvioida pyrolysaattorin aiheuttama raaka-aineen tarve sekä voimalaitoksen lisäpolttoaineen tarve. Työssä tarkasteltiin myös pyrolyysiöljyn ominaisuuksia ja käyttökohteita, sekä tarvittavia muutoksia olemassa olevaan voimalaitokseen. Lisäksi arvioitiin tuotannon kannattavuutta. Mallia sovellettiin esimerkkivoimalaitokseen, jossa on harkittu pyrolyysiöljyn tuotannon aloittamista. Laskelmien perusteella pyrolyysiöljyn tuotannolla on sähkön- ja lämmöntuotantoa alentava sekä polttoaineen tarvetta korottava vaikutus. Pyrolyysiprosessin lisääminen nostaa voimalaitoksen kokonaishyötysuhdetta. Suotuisissa olosuhteissa öljytuotanto ITP-konseptilla näyttäisi olevan taloudellisesti kannattavaa.

Pienvesivoiman elvytys, käyttöönotto ja kannattavuus

Uusiutuvan energian tuottamisen lisääminen on edellytys saavuttaaksemme EU:n asettamat tavoitteet. Tämän takia on syytä tutkia kaikki mahdollisuudet uusiutuvan energian tuottamisen lisäämiseksi jopa aivan pienimmistä laitoksista lähtien. Tämän työn tarkoituksena on tutkia pienvesivoiman taloudellisuutta ja kannattavuutta energiantuotannossa. Työssä suoritetaan myös kustannuslaskenta, jossa pohditaan käytöstä poistetun laitoksen palauttamista takaisin sähkön tuotantoon. Samalla käydään läpi teknisiä, taloudellisia ja lakisääteisiä kysymyksiä, joita pienvoiman verkkoonliittäminen aiheuttaa. Tämä työ on eräänlainen käsikirja pienvesivoimasta. Pienvesivoiman liittäminen jakeluverkkoon on sinällään suojausteknisesti yksinkertaista, mutta kaikkien eri taloudellisten ja lakiteknisten tekijöiden huomioonottaminen on puolestaan haastavaa. Laitosten käyttö ja kunnossapito eivät sinällään vaadi sähköteknistä osaamista, kunhan turvallisuusseikat otetaan visusti huomioon. Työssä havaittiin, että pienvesivoima ei pienissä laitoksissa riitä kattamaan suuria työvoimakustannuksia, joita syntyy, kun yritysten henkilökunta ottaa osaa laitoksen toimintaan. Toisaalta pienvesivoima on erinomainen tapa tuottaa sähköä yksityiselle ihmiselle, mikäli hän on itse valmis operoimaan laitosta eikä laske omalle työlleen suuria kustannuksia. Edellytyksenä on, että omalta maa‐alueelta löytyy pienikin puro suhteellisen läheltä jakeluverkkoa.

Akku ja vetypolttokenno sähköauton voimanlähteenä

Tässä kandidaatintyössä on käsitelty akkuja ja vetypolttokennoja sähköauton voimanlähteenä. Työssä on esitelty sähköautojen ja niiden voimanlähteiden teknologioiden periaatteita, energiankantajia, hyötysuhteita ja päästöjä. Lisäksi on tarkasteltu polttomoottorikäyttöisiä autotekniikoita vertailukohdan saamiseksi. Työn lopuksi on analysoitu sähköautojen markkinoita ja niiden yleistymiseen vaikuttavia tekijöitä. Sähköautot mahdollistavat vaihtoehtoisten energialähteiden käytön, joka antaa tilaisuuden saasteiden ja päästöjen keskitettyyn vähentämiseen ja talteenottoon. Niiden avulla päästään myös pois öljyriippuvuudesta ja paikallisesti aiheutuneista päästöistä. Nykyisten polttoaineiden helpon käsiteltävyyden, kohtuullisien energiatiheyksien ja laajojen infrastruktuurien vuoksi käytössä olevien tekniikoiden syrjäyttäminen on vaikeaa. Uusien tekniikoiden etuja ja haittoja voidaan tarkastella yksinkertaisilla metodeilla, kuten kustannusten, hyötysuhteiden, päästöjen ja polttoaineiden elinkaarien vertailulla. Vertailua vaikeuttaa tosin hintatasojen ja verotuksen eroavaisuudet eri maissa, ja se on siksi suoritettava osin maakohtaisesti. Suurimpia esteitä uusille tekniikoille ovat tällä hetkellä niiden tuomat lisäkustannukset, infrastruktuurien puuttuminen ja nykyisten polttoaineiden korvaaminen toisella.