Alternative Energy Conversion Systems for a Micro Scale Wind Turbine

This Master's thesis deals with a Micro Scale Wind Wind Turbine application. The thesis consists of nine chapters. The first chapter is an introduction to the philosophy of a small scale wind turbine application. The second defines concepts, and lists the requirements. The third presents the whole application for an On-Grid , and for an Off-Grid arrangement, with main concentration on lighting, heating, and energy storage. The fourth deals with the Inverter's technology, which are used for the conversion of the produced power. The fifth chapter presents the available storage technology and it's possibilities. The sixth deals with the system, and the technological means used for the implementation. The seventh presents the PLC device, which was used as the controller for the management of the whole application. The eighth deals with the concept and the control application philosophy that the PLC involves. And the final chapter presents conclusions and ideas for further considerations.

Sustainability of protein production by bioreactor processes using wind and solar power as energy sources

Food production account for significant share of global environmental impacts. Impacts are global warming, fresh water use, land use and some non-renewable substance consumption like phosphorous fertilizers. Because of non-sustainable food production, the world is heading to different crises. Both food- and freshwater crises and also land area and phosphorous fertilizer shortages are one of many challenges to overcome in near future. The major protein sources production amounts, their impacts on environment and uses are show in this thesis. In this thesis, a more sustainable than conventional way of biomass production for food use is introduced. These alternative production methods are photobioreactor process and syngas-based bioreactor process. The processes’ energy consumption and major inputs are viewed. Their environmental impacts are estimated. These estimations are the compared to conventional protein production’s impacts. The outcome of the research is that, the alternative methods can be more sustainable solutions for food production than conventional production. However, more research is needed to verify the exact impacts. Photobioreactor is more sustainable process than syngas-based bioreactor process, but it is more location depended and uses more land area than syngas-based process. In addition, the technology behind syngas-based application is still developing and it can be more efficient in the future.

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.

Research of wood fuel market in Ukraine and the Republic of Belarus

The goal of the present work was to describe the wood fuel market of Ukraine and the Republic of Belarus, to estimate wood fuel potential and to research opportunities of wood fuel trading. Nowadays the wood waste, wood residues and by-products are becoming more and more potential raw materials for energy production. Against the background of unstable prices of traditional energy sources and environmental degradation, European States are planning to get 12% of energy from alternative sources already in 2010. Wastes of wood-working and agricultural productions are such sources. At present time the most popular wood biofuels are wood pellets, briquettes, wood chips and logs. Ukraine and the Republic of Belarus have a rather big potential of wood fuel resources. But wood fuels markets of these countries are on the entry level and quite disorganized. There is almost no domestic usage of wood biofuel. All produced pellets, briquettes as well as wood chips and logs go to the export, but the volumes are not high at present time. Ukraine and the Republic of Belarus have a very suitable geographical location. The most promising directions of wood fuel trading are developed wood fuel markets of Northern countries, Austria, Germany as well as actively developing markets of Poland and Hungary. At the long distance truck and sea transportation are the most appropriate. At a short distance cheap transportation by rail is more suitable. Thereby export is a potential opportunity for development of wood fuel production and in the future for usage in the researched countries.

Utilisation of biomass for energy production in the North-West Russian forest industry

Traditionally, fossil fuels have always been the major sources of the modern energy production. However prices on these energy sources have been constantly increasing. The utilization of local biomass resources for energy production can substitute significant part of the required energy demand in different energy sectors. The introduction of the biomass usage can easily be started in the forest industry first as it possesses biomass in a large volume. The forest industry energy sector has the highest potential for the fast bioenergy development in the North-West Russia. Therefore, the question concerning rational and effective forest resources use is important today as well as the utilization of the forestry by-products. This work describes and analyzes the opportunities of utilising biomass, mainly, in the form of the wood by-products, for energy production processes in general, as well as for the northwest Russian forest industry conditions. The study also covers basic forest industry processes and technologies, so, the reader can get familiar with the information about the specific character of the biomass utilization. The work gives a comprehensive view on the northwest forest industry situation from the biomass utilisation point of view. By presenting existing large-scale sawmills and pulp and paper mills the work provides information for the evaluation of the future development of CHP investments in the northwest Russian forest industry.

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.

Development of a measuring-control system for energy monitoring in low power

In this thesis a control system for an intelligent low voltage energy grid is presented, focusing on the control system created by using a multi-agent approach which makes it versatile and easy to expand according to the future needs. The control system is capable of forecasting the future energy consumption and decisions making on its own without human interaction when countering problems. The control system is a part of the St. Petersburg State Polytechnic University’s smart grid project that aims to create a smart grid for the university’s own use. The concept of the smart grid is interesting also for the consumers as it brings new possibilities to control own energy consumption and to save money. Smart grids makes it possible to monitor the energy consumption in real-time and to change own habits to save money. The intelligent grid also brings possibilities to integrate the renewable energy sources to the global or the local energy production much better than the current systems. Consumers can also sell their extra power to the global grid if they want.

Oil Transportation in the Gulf of Finland in 2020 and 2030

This study is part of the Minimizing risks of maritime oil transport by holistic safety strategies (MIMIC) project. The purpose of this study is to provide a current state analysis of oil transportation volumes in the Baltic Sea and to create scenarios for oil transportation in the Gulf of Finland for the years 2020 and 2030. Future scenarios and information about oil transportation will be utilized in the modelling of oil transportation risks, which will be carried out as part of the MIMIC project. Approximately 290 million tons of oil and oil products were transported in the Baltic Sea in 2009, of which 55% (160 million tons) via the Gulf of Finland. Oil transportation volumes in the Gulf of Finland have increased from 40 million to almost 160 million tonnes over the last ten years. In Russia and Estonia, oil transportation mainly consists of export transports of the Russian oil industry. In Finnish ports in the Gulf of Finland, the majority of oil traffic is concentrated to the port of Sköldvik, while the remainder mainly consists of different oil products for domestic use. Transit transports to/from Russia make up small volumes of oil transportation. The largest oil ports in the Gulf of Finland are Primorsk, Tallinn, St. Petersburg and Sköldvik. The basis for the scenarios for the years 2020 and 2030 is formed by national energy strategies, the EU`s climate and energy strategies as well other energy and transportation forecasts for the years 2020 and 2030. Three alternative scenarios were produced for both 2020 and 2030. The oil volumes are based on the expert estimates of nine specialists. The specialists gave three volumes for each scenario: the expected oil transport volumes, and the minimum and maximum volumes. Variations in the volumes between the scenarios are not large, but each scenario tends to have rather a large difference between the figures for minimum and maximum volumes. This variation between the minimum and maximum volumes ranges around 30 to 40 million tonnes depending on the scenario. On the basis of this study, no a dramatic increase in oil transportation volumes in the Gulf of Finland is to be expected. Most of the scenarios only forecasted a moderate growth in maritime oil transportation compared to the current levels. The effects of the European energy policy favouring renewable energy sources can be seen in the 2030 scenarios, in which the transported oil volumes are smaller than in the 2020 scenarios. In the Slow development 2020 scenario, oil transport volumes for 2020 are expected to be 170.6 Mt (million tonnes), in the Average development 2020 187.1 Mt and in the Strong development 2020 201.5 Mt. The corresponding oil volumes for the 2030 scenarios were 165 Mt for the Stagnating development 2030 scenario, 177.5 Mt for the Towards a greener society 2030 scenario and 169.5 Mt in the Decarbonising society 2030 scenario.

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.

Käyttövesivaraajan ekosuunnitteluvaatimusten merkityksen arvioiminen rakennusten energianhallinnassa

Työn lähtökohtana ovat veden lämmittimiä koskeva ekosuunnittelulainsäädäntö ja sen vaatiman testausjärjestelmän laatiminen. Työn tavoitteena on arvioida ekosuunnittelulainsäädännön vaikutusta varaajan toimintaan osana rakennusten energianhallintaa. Työssä laaditaan käyttövesivaraajalle tuoteryhmäkohtaisen ekosuunnittelulainsäädännön mukainen mittausjärjestelmä energiatehokkuuden, lämpimän veden saannon, vuosittaisen sähkönkulutuksen sekä energiamerkinnän määrittämiseksi. Lisäksi tarkastellaan ekosuunnittelulainsäädännön tarkoituksenmukaisuutta, selvitetään varaajan toimintaperiaatteet sekä keinoja käyttöveden tarvitseman energian vähentämiseksi. Testattu käyttövesivaraaja täyttää ekosuunnitteluvaatimukset. Lämmitysenergian vähentäminen käyttövesivaraajan toimintaa tehostamalla on kuitenkin vaikeaa. Hybridijärjestelmien hyödyntäminen sähkölämmityksen ohella muita energianlähteitä ja esim. käyttöveden lämmöntalteenottoa käyttäen on toimivin keino vähentää käyttöveden energiankulutusta sekä parantaa varaajan energiatehokkuutta. Lämpimän käyttöveden energiankulutuksen osuus rakennuksen energiankulutuksesta kasvaa lainsäädännön pakottamana rakennusten kokonaisenergiankäytön vähentyessä. Ekosuunnittelulainsäädännön suora merkitys rakennusten energianhallintaan on Suomessa vähäistä nykyisen energiatehokkuustason ollessa suhteellisen korkea, jolloin käyttöveden tarvitseman energian vähentämiskeinoina on hyödynnettävä vaihtoehtoisia ratkaisuja.

Commercialization of Modern Renewable Energy

The threat of global warming and its consequences are widely recognized, and the question of how to proceed with the long transition towards fossil fuel -neutral economies concerns many nations and people. At the same time the world’s primary energy use is predicted to increase significantly during the next decades as a result of global population and welfare increase. Improved energy efficiency and increased use of renewable energy sources in the world’s energy mix play important roles in the future energy production and consumption. The objective of this thesis is to study how novel renewable energy technologies, such as distributed small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies could be commercialized efficiently. A wide array of attributes may contribute to the diffusion of new products. In general, the bioenergy and wind power technologies are in emerging phases, and the diffusion stage varies from country to country. The effects of firms’ technology choices, collaboration and alliances are studied in this thesis. Furthermore, the roles of national energy infrastructure and energy support schemes in the commercialization of new renewable energy products are explored. The empirical data is based on energy expert interviews, financial and patent data, and literature reviews of different case studies. The thesis comprises two parts. The first part provides an overview of the study, and the second part includes six research publications. The results reveal that small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies are still in emerging phases in their life cycles, and energy support schemes are crucial in the market diffusion. The study contributes to earlier findings in the literature and industry by confirming that adequate energy policies and energy infrastructure are fundamental in the commercialization of novel renewable energy technologies. Firm-specific issues, including business relationships and new business models, and market-related issues will have a more significant role in the market penetration in the future, when the technologies mature and become competitive without political support schemes.

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.

Testing FCM technique for the wind energy scenarios in Finland

In the latter days, human activities constantly increase greenhouse gases emissions in the atmosphere, which has a direct impact on a global climate warming. Finland as European Union member, developed national structural plan to promote renewable energy generation, pursuing the aspects of Directive 2009/28/EC and put it on the sharepoint. Finland is on a way of enhancing national security of energy supply, increasing diversity of the energy mix. There are plenty significant objectives to develop onshore and offshore wind energy generation in country for a next few decades, as well as another renewable energy sources. To predict the future changes, there are a lot of scenario methods developed and adapted to energy industry. The Master’s thesis explored “Fuzzy cognitive maps” approach in scenarios developing, which captures expert’s knowledge in a graphical manner and using these captures for a raw scenarios testing and refinement. There were prospects of Finnish wind energy development for the year of 2030 considered, with aid of FCM technique. Five positive raw scenarios were developed and three of them tested against integrated expert’s map of knowledge, using graphical simulation. The study provides robust scenarios out of the preliminary defined, as outcome, assuming the impact of results, taken after simulation. The thesis was conducted in such way, that there will be possibilities to use existing knowledge captures from expert panel, to test and deploy different sets of scenarios regarding to Finnish wind energy development.

Experimentation on Wind Powered Hydraulic Heating System

It is common knowledge of the world’s dependency on fossil fuel for energy, its unsustainability on the long run and the changing trend towards renewable energy as an alternative energy source. This aims to cut down greenhouse gas emission and its impact on the rate of ecological and climatic change. Quite remarkably, wind energy has been one of many focus areas of renewable energy sources and has attracted lots of investment and technological advancement. The objective of this research is to explore wind energy and its application in household heating. This research aims at applying experimental approach in real time to study and verify a virtually simulated wind powered hydraulic house heating system. The hardware components comprise of an integrated hydraulic pump, flow control valve, hydraulic fluid and other hydraulic components. The system design and control applies hardware in-the-loop (HIL) simulation setup. Output signal from the semi-empirical turbine modelling controls the integrated motor to generate flow. Throttling the volume flow creates pressure drop across the valve and subsequently thermal power in the system to be outputted using a heat exchanger. Maximum thermal power is achieved by regulating valve orifice to achieve optimum system parameter. Savonius rotor is preferred for its low inertia, high starting torque and ease of design and maintenance characteristics, but lags in power efficiency. A prototype turbine design is used; with power output in range of practical Savonius turbine. The physical mechanism of the prototype turbine’s augmentation design is not known and will not be a focus in this study.