Assessment of Environmental Impacts of Power Generation

Through indisputable evidence of climate change and its link to the greenhouse gas emissions comes the necessity for change in energy production infrastructure during the coming decades. Through political conventions and restrictions energy industry is pushed toward using bigger share of renewable energy sources as energy supply. In addition to climate change, sustainable energy supply is another major issue for future development plans, but neither of these should come with unbearable price. All the power production types have environmental effects as well as strengths and weaknesses. Although each change comes with a price, right track in minimising the environmental impacts and energy supply security can be found by combining all possible low-carbon technologies and by improving energy efficiency in all sectors, for creating a new power production infrastructure of tolerable energy price and of minor environmental effects. GEMIS-Global Emission Model for Integrated Systems is a life-cycle analysis program which was used in this thesis to make indicative energy models for Finland’s future energy supply. Results indicate that the energy supply must comprise both high capacity nuclear power as well as large variation of renewable energy sources for minimization of all environmental effects and keeping energy price reasonable.

Vertailuanalyysin käyttö termohydraulisten koelaitteistojen tulosten laitosmittakaavaan skaalautumisen tutkimisessa

Työn tavoitteena oli tarkastella termohydraulisten koelaitteistojen skaalauksessa käytettäviä periaatteita ja menettelyjä sekä vertailla Apros-simulaattoriohjelmalla laskettuja kanden koelaitteistomallin ja EPR-mallin tuloksia. Tarkoituksena oli saada käsitys siitä, miten hyvin tarkastellut koelaitteistot kuvaavat EPR-Iaitostyypin käyttäytymistä onnettomuustilanteessa. Malleilla tutkittiin jäähdytteen määrän vaikutusta primääripiirin käyttäytymiseen. Koelaitteistomallien tuloksissa toistuvat samat ilmiöt kuin EPR-mallin tuloksissa. Laskettuja PKL-koelaitteistomallin tuloksia vertailtiin myös koelaitteistolla suoritettuun kokeeseen. PKL-mallin todettiin toistavan hyvin kokeen tulokset. Koelaitteistojen tuloksien perusteella kelpoistetaan laskentaohjelmia, joita käytetään ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimuksessa. Erityistä harkintaa tulee käyttää koelaitteistojen tulosten hyödyntämisessä, sillä mittakaava vaikuttaa ilmiöiden esiintymiseen.

RF disturbances produced by high-power photovoltaic solar plants

In this thesis, analysis of electromagnetic compatibility of high-power photovoltaic solar plant is made. Current standards suitable for photovoltaic applications are given. Measurements of antenna factor for experimental setup are shown. Also, measurements of common mode disturbance voltages in high-power solar plant are given. Importance of DC-side filter is shown. In the last part of the work, electromagnetic simulations are made. These simulations show influence of several factors to EMC of power plant. Based on these simulations and measurements recommendations are given.

APROS model validation in case of fast transients in a boiling water reactor

This Master´s thesis investigates the performance of the Olkiluoto 1 and 2 APROS model in case of fast transients. The thesis includes a general description of the Olkiluoto 1 and 2 nuclear power plants and of the most important safety systems. The theoretical background of the APROS code as well as the scope and the content of the Olkiluoto 1 and 2 APROS model are also described. The event sequences of the anticipated operation transients considered in the thesis are presented in detail as they will form the basis for the analysis of the APROS calculation results. The calculated fast operational transient situations comprise loss-of-load cases and two cases related to a inadvertent closure of one main steam isolation valve. As part of the thesis work, the inaccurate initial data values found in the original 1-D reactor core model were corrected. The input data needed for the creation of a more accurate 3-D core model were defined. The analysis of the APROS calculation results showed that while the main results were in good accordance with the measured plant data, also differences were detected. These differences were found to be caused by deficiencies and uncertainties related to the calculation model. According to the results the reactor core and the feedwater systems cause most of the differences between the calculated and measured values. Based on these findings, it will be possible to develop the APROS model further to make it a reliable and accurate tool for the analysis of the operational transients and possible plant modifications.

Chelyabinsk CHP-3 “locked power” problem solving

All over the world power systems become bigger and bigger every day. New equipment is installed, new feeders are constructed, new power units are installed. Some old elements of the network, however, are not changed in time. As a result, “bottlenecks” for capacity transmission can occur. By locked power problem the situation when a power plant has installed capacity exceeding the power it can actually deliver is usually meant. Regime, scheme or even technical restrictions-related issues usually cause this kind of problem. It is really important, since from the regime point of view it is typical decision to have a mobile capacity reserve, in case of malfunctions. And, what can be even more significant, power plant owner (JSC Fortum in our case) losses his money because of selling less electrical energy. The goal of master`s thesis is to analyze the current state of Chelyabinsk power system and the CHP-3 (Combined Heat and Power plant) in particular in relation with it`s ability to deliver the whole capacity of the CHP in it`s existing state and also taking into consideration the prospect of power unit 3 installation by the fourth quarter of 2010. The thesis contains some general information about the UPS of Russia, CPS of Ural, power system of Chelyabinsk and the Chelyabinsk region itself. Then the CHP-3 is described from technical point of view with it`s equipment observation. Regimes for the nowadays power system and for the system after the power unit 3 installation are reviewed. The problems occurring are described and, finally, a solution is offered.

Loviisan ydinvoimalaitoksen kaapelireittien tiedonhallinnan kehittäminen paloriskitutkimusta varten

Tässä diplomityössä kehitetään Loviisan voimalaitoksen todennäköisyyspohjaisen paloriskianalyysin kaapelitietokantaa tulevaisuuden haasteita varten. Tietokannan kehittämistä varten tutustutaan todennäköisyyspohjaiseen riskianalyysiin varsin-kin paloriskianalyysin osalta. Käytännönläheisempää kehittämistä varten tutustu-taan voimalaitoksella nykyisin käytössä oleviin kaapelitietokantoihin: paloriski-tutkimusta varten laadittuun PSA-ELTIEen, kunnossapidon tiedonhallintajärjes-telmä LOMAXiin, sähkö- ja automaatiosuunnitteluyksikköjen arkistoihin sekä automaatiouudistuksen tietokantaan. Tietokannan käytännönläheisempien ominai-suuksien selvittämiseksi voimalaitoksella kokeiltiin kenttätarkastusmenetelmää, joka on ensisijainen kaapelikartoitusmenetelmä. Tietokantoihin tutustumisen perusteella vaihtoehtoisiksi tulevaisuuden tietokan-noiksi mietittiin LOMAXia, PSA-ELTIEtä tai uutta tietokantaa. Tulevaisuuden tietokantavaihtoehdoksi on päädytty ehdottamaan LOMAXia, joka vaatii vähem-män muutoksia muihin vaihtoehtoihin nähden. Tällainen laajalti käytössä oleva yhteinen tietokanta mahdollistaa sen, että tiedot ovat helpommin ja varmemmin kaikkien niitä tarvitsevien käytettävissä ja asiantuntijoiden muokattavissa, millä myös varmistetaan tietojen oikeellisuutta ja pysymistä ajan tasalla. Tulevaan LOMAX päivitykseen on ehdotettu tarpeellisia tietokenttien lisäyksiä ja kaapeli-hierarkian parantamista kaapelitietokannaksi käyttöönottamista varten.

Vaikutusalakirjastojen muodostaminen Serpent-ARES-laskentaketjussa

Tässä diplomityössä on esitetty työn yhteydessä toteutetun Serpent-ARES-laskentaketjun muodostamiseksi tarvittavat toimenpiteet. ARES-reaktorisydän-simulaattorissa tarvittavien homogenisoitujen ryhmävakiokirjastojen muodostaminen Serpentiä käyttäen tekee laskentaketjusta muiden käytössä olevien reaktorisydämen laskentaketjujen mahdollisista virhelähteistä riippumattoman. Monte Carlo-laskentamenetelmään perustuvaa reaktorifysiikan laskentaohjelmaa käyttämällä ryhmävakiokirjastot muodostetaan uudella menetelmällä ja näin saadaan viranomaiskäyttöön voimayhtiöiden käyttämistä menetelmistä riippumaton laskentaketju reaktorien turvallisuusmarginaalien laskentaan. Työn yhteydessä muodostetun laskentaketjun ja tehtyjen vaikutusalakirjastojen muodostamisrutiinien sekä parametrisovitteiden toimivuus on todettu laskemalla Olkiluoto 3 - reaktorin alkulatauksen säätösauvojen tehokkuuksia ja sammutusmarginaaleja eri olosuhteissa. Menetelmä on todettu toimivaksi parametrien pätevyysalueella ja saadut laskentatulokset ovat oikeaa suuruusluokkaa. Parametrimallin tarkkuutta ja pätevyysaluetta on syytä vielä kehittää, ennen kuin laskentaketjua voidaan käyttää varmentamaan muilla menetelmillä laskettujen tulosten oikeellisuutta.

Epävarmuustarkastelun soveltaminen deterministisissä turvallisuusanalyyseissä

Tässä diplomityössä esitetään selvitys käytössä olevista deterministisistä turvallisuusanalyysimenetelmistä. Deterministisillä turvallisuusanalyyseillä arvioidaan ydinvoimalaitosten turvallisuutta eri käyttötilojen aikana. Voimalaitoksen turvallisuusjärjestelmät mitoitetaan deterministisen turvallisuusanalyysin tulosten perusteella. Deterministiset turvallisuusanalyysit voidaan laatia konservatiivista tai tilastollista menetelmää käyttäen. Konservatiivinen menetelmä pyrkii mallintamaan tarkasteltavan tilanteen siten, että laitoksen todellinen käyttäytyminen on hyvällä varmuudella lievempää kuin analyysitulos. Konservatiivisessa menetelmässä analyysin epävarmuudet huomioidaan konservatiivisilla oletuksilla. Tilastollinen menetelmä perustuu parhaan arvion menetelmään eli pyrkimykseen mallintaa laitoksen käyttäytyminen mahdollisimman todenmukaisesti. Tilastollisessa menetelmässä analyysin epävarmuudet määritetään systemaattisesti tilastomatematiikan keinoin. Työssä painotetaan tilastollisen analyysin epävarmuuksien määritykseen käytettäviä epävarmuustarkastelumenetelmiä. Diplomityön laskennallisessa osassa vertaillaan deterministisen turvallisuusanalyysin laadintaan käytettäviä menetelmiä termohydraulisen turvallisuusanalyysiesimerkin laskennan kautta. Laskennassa tarkasteltavana onnettomuutena on Olkiluoto 3-laitosyksikössä tapahtuva primäärijäähdytepiirin putkikatkosta aiheutuva jäähdytteenmenetysonnettomuus. Lasketun esimerkkitapauksen perusteella tilastollista ja konservatiivista menetelmää voidaan pitää vaihtoehtoisina turvallisuusanalyysin laadintaan. Molemmat analyysit tuottivat hyväksyttäviä ja toisilleen verrannollisia tuloksia, joiden suuruusluokka on sama.

Indoor air quality at a waste incineration plant in Finland

Waste has been incinerated for energy utilization for more than a hundred years, but the harmful emissions emitted from the incineration plants did not begin to cause concern until the 1980s. Many plants were shutdown and the waste incineration plant in Kyläsaari Helsinki was one of them. In later years, new landfill regulations have increased the interest in waste incineration. During the last year, four new plants were taken into operation in Finland, Westenergy in Vaasa among them. The presence of dust has been observed indoors at Westenergy waste incineration plant. Dust is defined as particles with a diameter above 10 μm, while fine particles have a diameter smaller than 2.5 μm, ultrafine under 0.1 μm and nanoparticles under 0.05 μm. In recent years, the focus of particle health research has been changed to investigate smaller particles. Ultrafine particles have been found to be more detrimental to health than larger particles. Limit values regulating the concentrations of ultrafine particles have not been determined yet. The objective of this thesis was to investigate dust and particles present inside the Westenergy waste incineration facility. The task was to investigate the potential pollutant sources and to give recommendations of how to minimize the presence of dust and particles in the power plant. The total particle number concentrations and size distributions where measured at 15 points inside the plant with an Engine Exhaust Particle Sizer (EEPS) Spectrometer. The measured particles were mainly in the ultrafine size range. Dust was only visually investigated, since the main purpose was to follow the dust accumulation. The measurement points inside the incineration plant were chosen according to investigate exposure to visitors and workers. At some points probable leakage of emissions were investigated. The measurements were carried out during approximately one month in March–April 2013. The results of the measurements showed that elevated levels of dust and particles are present in the indoor air at the waste incineration plant. The cleanest air was found in the control room, warehouse and office. The most polluted air was near the sources that were investigated due to possible leakage and in the bottom ash hall. However, the concentrations were near measured background concentrations in European cities and no leakage could be detected. The high concentrations were assumed to be a result of a lot of dust and particles present on surfaces that had not been cleaned in a while. The main source of the dust and particles present inside the waste incineration plant was thought to be particles and dust from the outside air. Other activities in the area around the waste incineration facility are ground work activities, stone crushing and traffic, which probably are sources of particle formation. Filtration of the outside air prior entering the facility would probably save personnel and visitors from nuisance and save in cleaning and maintenance costs.

Ydinvoimalaitosten vesikemia ja korroosionesto

Ydinvoimalaitosten vesikemian optimointi ja korroosionesto on välttämätöntä laitosten taloudellisen ja turvallisen käytön kannalta. Eri laitoksiin liittyvää vesikemiaa ja järjestelmissä havaittavia korroosion muotoja on tutkittu laajasti ja tutkitaan yhä edelleen. Monien prosessien ymmärtäminen vaatii usean eri tieteenalan osaamista, kuten kemiantekniikan, energiatekniikan sekä materiaalitekniikan. Tässä työssä kerrotaan yksinkertaistaen vesikemiaan ja korroosioon liittyviä prosesseja ja reaktioita. Työssä käsitellään kevytvettä jäähdytteenä sekä moderaattorina käyttävien ydinvoimalaitosten eri korroosiomuotoja sekä säteilyn vaikutusta näihin suoraan tai vesikemian kautta. Työssä kerrotaan korroosio- ja aktivoitumistuotteiden muodostumisesta ja kulkeutumisesta sekä näiden tuotteiden vaikutuksista laitosten toimintaan. Korroosion ja materiaalien aktivoitumisen pohjalta tarkastellaan kattavasti ydinvoimalaitosten tyypillisimpiä vesikemian muokkauskeinoja sekä korroosionhallintaa. Tärkeimpiin asioihin syvennytään hieman lähemmin. Tarkastelun kohteena ovat eniten käytetyt ydinvoimalaitokset, eli länsimaiset paine- ja kiehutusvesilaitokset sekä venäläisvalmisteiset VVER-laitokset. Tarkoituksena on ollut luoda tiivis tietopaketti opiskelijoiden käyttöön muun opintomateriaalin tueksi.

CO2:n adsorptio Loviisan voimalaitoksen päästöilmasta 14C-päästöjen määrittämiseksi

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää mahdollisuuksia 14C:n kemiallisten muotojen eriyttämiseen käyttäen Loviisan voimalaitoksella olemassa olevaa näytteenkeräyslaitteistoa. Lisäksi tarkoituksena oli selvittää parhaiten tähän käyttötarkoitukseen soveltuva zeoliittityyppiä tyypeistä 4A, 5A ja 13X. Työn kirjallisessa osassa käsitellään ydinvoimalaitoksen C14-päästöjä keskittyen pääosin Loviisan VVER-laitokseen. Adsorption osalta esitellään kaupallisesti käytettyjä adsorptiomateriaaleja ja paneudutaan adsorptioon fysikaalisena ja kemiallisena ilmiönä. Lisäksi esitellään kahden desorptiomenetelmän perusperiaatteet. Kirjallisen osan lopussa kootaan tutkimukseen vaikuttavia tekijöitä ja esitellään aiemmin käytössä ollut näytteenkeräyslaitteisto. Kokeellisessa osassa esitellään työssä käytetyt laitteistot. Lisäksi on kuvattu mittausten suoritus nestetuikelaskurilla. Tämän jälkeen työssä esitellään mittaustuloksien käsittely ja näin saadut tulokset.

Säteilysuojelu käytetyn ydinpolttoaineen kapselointi- ja loppusijoituslaitoksella

Suomen ydinenergialaki vaatii ydinenergian käytössä syntyvän ydinjätteen käsittelyn ja varastoinnin sekä loppusijoittamisen Suomeen. Fortumin ja TVO:n ydinvoimalaitoksissa syntyvä käytetty ydinpolttoaine tullaan kapseloimaan ja loppusijoittamaan Olkiluotoon rakennettavassa kapselointi- ja loppusijoituslaitoksessa. Tämän työn tavoitteena on muodostaa kokonaiskuva kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen säteilysuojelusta aikaisemmin tehtyjen selvitysten ja suunnitelmien perusteella. Kapselointilaitoksella käytetty ydinpolttoaine suljetaan kuparikapseleihin, jotka loppusijoitetaan maan alle loppusijoituslaitoksella. Työn aluksi kuvataan loppusijoitusmenetelmä ja kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen käyttötoiminta. Tämän jälkeen käsitellään lainsäädäntöä ja viranomaisohjeita, jotka ohjaavat ydinlaitosten säteilysuojelua. Seuraavaksi käsitellään kapselointi- ja loppusijoituslaitoksella olevia säteilylähteitä. Lisäksi työssä käsitellään kapselointi- ja loppusijoituslaitokselle suunniteltua valvonta-aluetta ja sen säteilyolosuhteiden mukaista vyöhykejakoa. Työssä saatiin tulokseksi kokonaiskuva kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen säteilysuojelusta. Kokonaiskuvan muodostamisen lisäksi laadittiin alustavia suunnitelmia käyttötoiminnan säteilysuojelun järjestämisestä. Lisäksi laadittiin ehdotuksia valvonta-alueen tarkemmista rajoista loppusijoituslaitoksella sekä havaittiin laitosten säteilysuojeluun liittyviä ongelmia ja esitettiin ratkaisuja niihin. Ongelmaksi osoittautui muun muassa, että kapselointi- ja loppusijoituslaitoksen valvonta-alueiden luonteiden eroa ei ollut huomioitu suunnitelmissa. Lisäksi todettiin, että nykyisin ydinlaitoksilla käytössä oleva valvonta-alueen vyöhykejako ei vastaa kapselointi- ja loppusijoituslaitosten tarpeita. Näihin esitettiin ratkaisuiksi laitosten välille perustettavaa kenkärajaa ja uuden korkeamman säteilyvyöhykkeen käyttöönottoa.

Analyzing the Effects of the New Renewable Energy Policy in Russia on Investments into Wind, Solar and Small Hydro Power

This thesis presents an analysis of recently enacted Russian renewable energy policy based on capacity mechanism. Considering its novelty and poor coverage by academic literature, the aim of the thesis is to analyze capacity mechanism influence on investors’ decision-making process. The current research introduces a number of approaches to investment analysis. Firstly, classical financial model was built with Microsoft Excel® and crisp efficiency indicators such as net present value were determined. Secondly, sensitivity analysis was performed to understand different factors influence on project profitability. Thirdly, Datar-Mathews method was applied that by means of Monte Carlo simulation realized with Matlab Simulink®, disclosed all possible outcomes of investment project and enabled real option thinking. Fourthly, previous analysis was duplicated by fuzzy pay-off method with Microsoft Excel®. Finally, decision-making process under capacity mechanism was illustrated with decision tree. Capacity remuneration paid within 15 years is calculated individually for each RE project as variable annuity that guarantees a particular return on investment adjusted on changes in national interest rates. Analysis results indicate that capacity mechanism creates a real option to invest in renewable energy project by ensuring project profitability regardless of market conditions if project-internal factors are managed properly. The latter includes keeping capital expenditures within set limits, production performance higher than 75% of target indicators, and fulfilling localization requirement, implying producing equipment and services within the country. Occurrence of real option shapes decision-making process in the following way. Initially, investor should define appropriate location for a planned power plant where high production performance can be achieved, and lock in this location in case of competition. After, investor should wait until capital cost limit and localization requirement can be met, after that decision to invest can be made without any risk to project profitability. With respect to technology kind, investment into solar PV power plant is more attractive than into wind or small hydro power, since it has higher weighted net present value and lower standard deviation. However, it does not change decision-making strategy that remains the same for each technology type. Fuzzy pay-method proved its ability to disclose the same patterns of information as Monte Carlo simulation. Being effective in investment analysis under uncertainty and easy in use, it can be recommended as sufficient analytical tool to investors and researchers. Apart from described results, this thesis contributes to the academic literature by detailed description of capacity price calculation for renewable energy that was not available in English before. With respect to methodology novelty, such advanced approaches as Datar-Mathews method and fuzzy pay-off method are applied on the top of investment profitability model that incorporates capacity remuneration calculation as well. Comparison of effects of two different RE supporting schemes, namely Russian capacity mechanism and feed-in premium, contributes to policy comparative studies and exhibits useful inferences for researchers and policymakers. Limitations of this research are simplification of assumptions to country-average level that restricts our ability to analyze renewable energy investment region wise and existing limitation of the studying policy to the wholesale power market that leaves retail markets and remote areas without our attention, taking away medium and small investment into renewable energy from the research focus. Elimination of these limitations would allow creating the full picture of Russian renewable energy investment profile.

Productizing of advanced service for power plants

Työn tavoitteena on kehittää ABB:lle palvelutuote, jota voidaan tarjota voimalaitosasiakkaille. Uuden palvelutuotteen tulee vastata ABB:n uuden strategian linjauksiin. Palvelulla tarjotaan asiakkaille 1.1.2015 voimaan tulleen energiatehokkuuslain määrittelemien pakollisten toimenpiteiden suoritusta. Työssä kerätään, käsitellään ja analysoidaan tietoa voimalaitosasiakkaille suunnatun palvelun tuotteistamisprosessin päätöksenteon tueksi. Palvelutuotteen kehittämistä varten tutkitaan ABB:n nykyisiä palvelutuotteita, osaamista ja referenssi projekteja, energiatehokkuuslakia, voimalaitosten energiatehokkuus-potentiaalia ja erilaisia energiakatselmusmalleja. Päätöksenteon tueksi tehdään referenssiprojektina energia-analyysi voimalaitokselle, jossa voimalaitoksesta tehdään ipsePRO simulointiohjelmalla mallinnus. Mallinnuksen ja koeajojen avulla tutkitaan voimalaitoksen minimikuorman optimointia. Markkinatutkimuksessa selvitetään lainsäädännön vaikutusta, nykyistä markkinatilannetta, potentiaalisia asiakkaita, kilpailijoita ja ABB:n mahdollisuuksia toimia alalla SWOT–analyysin avulla. Tutkimuksen tulosten perusteella tehdään päätös tuotteistaa voimalaitoksille palvelutuote, joka sisältää kaikki toimet energiatehokkuuslain asettamien vaatimusten täyttämiseen yrityksen energiakatselmuksen vastuuhenkilön, energiakatselmuksen ja kohdekatselmuksien teon osalta. Lisäksi työn aikana Energiavirasto myönsi ABB:lle pätevyyden toimia yrityksen energiakatselmuksen vastuuhenkilönä, mikä on edellytyksenä palvelun tarjoamiselle.

Water chemistry management for future large experimental facilities

The thesis focuses on the water chemistry of the experimental test facilities and their reference VVER reactors. The main objective of the thesis is to provide recommendations for water chemistry management for laboratory facilities (VEERA, PACTEL) simulating the VVERs and for the large future facilities of the Lappeenranta University of Technology. In the beginning, the concept of nuclear power generation and the applicability of the nuclear power usage is discussed. Next, different water chemistry and water purification systems in primary and secondary circuits currently used at the power plant have been outlined. Also the construction geometry and design of test facilities PACTEL and VEERA, as well as the operation principles of their main equipment has been described. Finally, the appropriate water chemistry and water treatment system have been proposed for the existing and future experimental facilities of LUT.