Promoting Growth in the Use of Bioenergy in Europe by Converting Existing Coal-Fired Power Plants to Biomass

Repowering existing power plants by replacing coal with biomass might offer an interesting option to ease the transition from fossil fuels to renewable energy sources and promote a fur-ther expansion of bioenergy in Europe, on account of the potential to decrease greenhouse gas emissions, as well as other pollutants (SOx, NOx, etcetera). In addition, a great part of the appeal of repowering projects comes from the opportunity to reuse the vast existing invest-ment and infrastructure associated with coal-based power generation. Even so, only a limited number of experiences with repowering are found. Therefore, efforts are required to produce technical and scientific evidence to determine whether said technology might be considered feasible for its adoption within European conditions. A detailed evaluation of the technical and economic aspects of this technology constitutes a powerful tool for decision makers to define the energy future for Europe. To better illustrate this concept, a case study is analyzed. A Slovakian pulverized coal plant was used as the basis for determining the effects on perfor-mance, operation, maintenance and cost when fuel is shifted to biomass. It was found that biomass fuel properties play a crucial role in plant repowering. Furthermore, results demon-strate that this technology offers renewable energy with low pollutant emissions at the cost of reduced capacity, relatively high levelized cost of electricity and sometimes, a maintenance-intensive operation. Lastly, regardless of the fact that existing equipment can be reutilized for the most part, extensive additions/modifications may be required to ensure a safe operation and an acceptable performance.

Effect of Material Recycling on the Feasibility of Solid Recovered Fuel Fired Power Plant

This master’s thesis examines the effects of increased material recycling on different waste-to-energy concepts. With background study and a developed techno-economic computational method the feasibility of chosen scenarios with different combinations of mechanical treatment and waste firing technologies can be evaluated. The background study covers the waste scene of Finland, and potential market areas Poland and France. Calculated cases concentrate on municipal solid waste treatment in the Finnish operational environment. The chosen methodology to approach the objectives is techno-economic feasibility assessment. It combines calculation methods of literature and practical engineering to define the material and energy balances in chosen scenarios. The calculation results together with other operational and financial data can be concluded to net present values compared between the scenarios. For the comparison, four scenarios, most vital and alternative between each other, are established. The baseline scenario is grate firing of source separated mixed municipal solid waste. Second scenario is fluidized bed combustion of solid recovered fuel produced in mechanical treatment process with metal separation. Third scenario combines a biomaterial separation process to the solid recovered fuels preparation and in the last scenario plastics are separated in addition to the previous operations. The results indicated that the mechanical treatment scenarios still need to overcome some problems to become feasible. Problems are related to profitability, residue disposal and technical reliability. Many uncertainties are also related to the data gathered over waste characteristics, technical performance and markets. With legislative support and development of further processing technologies and markets of the recycled materials the scenarios with biomaterial and plastic separation may operate feasibly in the future.

Säilöntämenetelmien parantaminen höyryvoimaprosessissa

Lahti Energia Oy:n kivihiiltä polttavan Kymijärvi I voimalaitoksen vuotuiset käyttötunnit ovat vähentyneet. Syy vähennykseen on ollut uuden kaasutusvoimalaitoksen käyttöönotto vuonna 2012, jolloin vanhan voimalaitoksen käytölle ei ole ollut tarvetta kesäkuukausina. Seisonta-aikana voimalaitoksen höyryvoimaprosessi tulee säilöä. Säilönnällä tarkoitetaan toimenpiteitä, joilla estetään korroosio-olosuhteiden syntyminen voimalaitoksen laitteisiin. Säilöntätavasta riippuen estetään joko hapen tai kosteuden esiintyminen. Tässä diplomityössä tutkitaan eri säilöntämenetelmien ominaisuuksia tavoitteena löytää sopivin vaihtoehto vanhalle kivihiilivoimalaitokselle. Työssä perehdytään teorian kautta kolmeen menetelmään voimalaitoksen kattilan säilönnässä. Typpi- ja märkäsäilönnässä estetään hapen ja kuivailmasäilönnässä kosteuden esiintyminen. Työssä on myös tutkittu kattilan säilöntämenetelmien vaikutuksia muihin laitteistoihin ja järjestelmiin. Tuloksien perusteella voidaan todeta, että kuivailmasäilöntä on toimivin ratkaisu voimalaitoksen viimeisille käyttövuosille. Voimalaitoksen jäädessä varavoimalaitokseksi on typpisäilöntä kustannustehokkain vaihtoehto.

Nitrogen Oxides Reduction Possibilities at Pulp Mill and Power Plant

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää typenoksidien vähennysmahdollisuudet Stora Enson Varkauden tehtaiden sellutehtaalla ja voimalaitoksella. Tutkimuksessa käsiteltiin tehdasalueen suurimpia typenoksidien päästölähteitä: soodakattilaa, meesauunia, kuorikattilaa, öljykattilaa ja muovi-alumiinijakeen kaasutuslaitosta. Tutkimuksessa selvitettiin typenoksidipäästöjen syntymekanismit ja erilaisiin polttotekniikoihin soveltuvat typenoksidien vähennystekniikat. Varkauden tehtaiden typenoksidien vuosipäästö vuonna 2001 oli 836 tonnia. Kansallinen lainsäädäntö, kansainväliset sopimukset sekä paras käytettävissä oleva tekniikka (BAT) huomioiden selvitettiin kuhunkin kohteeseen parhaiten soveltuvat ratkaisut. Tutkimuksen perusteella laadittiin toimenpideohjelma, joka määrittelee suositeltavan toteutusjärjestyksen typenoksidien vähennystoimenpiteille. Toimenpideohjelman tärkeimpinä kriteereinä pidettiin vuonna 2004 tulevan uuden ympäristöluvan arvioituja luparajoja sekä toimenpiteiden kustannustehokkuutta. Toteutusjärjestyksessä ensimmäiseksi valittiin koeajojakson järjestäminen ajon optimoimiseksi kiertopetikattilalla ja toiseksi meesauunin ajon optimointi jatkuvatoimisen NOx-analysaattorin avulla. Seuraaviksi toimenpiteiksi ehdotettiin vertikaali-ilmajärjestelmän käyttöönottoa soodakattilalla sekä SNCR-järjestelmän asennusta kuorikattilalle. Saavutettava NOx-vähennys tulisi olemaan 10 – 45 % ja hinta 30 – 3573 EUR vähennettyä NOx-tonnia kohti. Tutkimuksen osana Ilmatieteen laitoksella teetetyn typenoksidien leviämisselvityksen mukaan Stora Enson tehtaiden NOx-päästöjen vaikutus Varkauden ilmanlaatuun on hyvin pieni. Suurin osa NOx-päästöistä aiheutuu liikenteestä.

Life cycle management of TVO nuclear power plant

Tämä diplomityö tutkii eri elinkaarihallinnan menetelmiä ja vertaa niitä TVO:n menetelmiin. Lisäksi TVO:n prosessin ongelmakohdat tunnistetaan ja niihin esitetään ratkaisuja. Vertailukohteina toimii ydinvoimateollisuuden lisäksi vesivoima, fossiiliset voimalaitokset sekä paperiteollisuus. Sähkön hinnan jatkaessa laskuaan on elinkaariajattelusta tullut ajankohtaista myös ydinvoimayhtiöille. Ydinvoimalaitoksien pitkän suunnitellun käyttöiän ansiosta laitoksen elinkaaren aikana voi tapahtua useita asioita, jotka vaikuttavat laitoksen investointitarpeisiin. Turvallisen sähköntuotannon varmistamiseksi eri laitososia on joko muokattava tai uusittava. Elinkaariajatteluun kuuluu tehokas laitoksen kunnon valvonta, laitoksen ikääntymiseen vaikuttavien ilmiöiden tunnistaminen, sekä ikääntymistä hillitsevien toimenpiteiden pitkän tähtäimen suunnittelu. Hyvällä ennakkosuunnittelulla pyritään varmistamaan se, että laitoksella voidaan tuottaa sähköä koko sen jäljellä olevan käyttöiän aikana. Kun tarpeiden tunnistus ja suunnittelu tehdään hyvissä ajoin mahdollistetaan myös investointien optimointi. Paras hyöty pyritään saamaan ajoittamalla oikeat investoinnit oikeaan aikaan.

Competitiveness Survey of a Biofuel Power Plant

Työn tarkoituksena on tarkastella Euroopan siirtymätalousalueelta kotimaisen biopoltto-ainevoimalaitoksen kilpailukykyä potentiaalisimmiksi markkinakohteiksi arvioitujen nykyisten Eu-valtioiden osalta. Työ tehdään osana kokoluokaltaan 3,5 MWth/1,0 MWe pienvoimalaitoksen tuotekehityshanketta, joka on käynnistynyt Varkaudessa tämän vuoden maaliskuussa. Potentiaalisimpien siirtymätalousmaiden valintakriteereinä on käytetty aiempia tutkimuksia ja raportteja. Huomio keskitetään kiinteän biopolttoaineen resursseihin ja biopolttoaineisiin pohjautuvalle energiantuotannolle asetettuihin tavoitteisiin. Edellä mainittujen kriteerien pohjalta tarkasteltaviksi valittujen valtioiden osalta tehtiin tarkemmat kilpailukykyanalyysit, otettiin yhteyttä markkina-alueeltaalan ammattilaisiin ja kartoitettiin potentiaalisimmat markkinakohteet. Tavoitteena on arvioida varteenotettavin kilpailija kiinteisiin biopolttoaineisiin pohjautuvalle sähkön ja lämmön yhteistuotannolle, jonka perusteella laaditaan mallivoimalaitoksen kilpailukykyisen hinnan määrittämiseksi tiettyyn takaisinmaksuaikaan ja korkotekijään perustuen. Lopulta tehdään maakohtaisesti yhteenveto merkittävimmistä markkinapotentiaaliin vaikuttavista kilpailutekijöistä, arvioidaan potentiaalisin kohdemaa sekä esitetään mahdollinen investoinnin rahoitusvaihtoehto ja keinoja markkinoida tuotetta potentiaalisille asiakkaille.

Wastewater Treatment of Diesel Power Plant

Diplomityön tavoitteena on selvittää Wärtsilän dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn vallitseva tila. Tutkimuksessa keskitytään raskaspolttoöljykäyttöisiin voimalaitoksiin. Työssä selvitetään yleisimmät dieselvoimalaitosten jätevesille asetetut vaatimukset. Selvitys tehdään keräämälläja tutkimalla dieselvoimalaitosten jätevesille sovellettuja standardeja. Työssä selvitetään myös dieselvoimalaitokselta ulostulevan jäteveden laatu sekä nykyisen jätevedenkäsittelyjärjestelmän toiminta. Selvitys tehdään keräämällä ja tutkimalla yrityksen sisäisiä tietoja, sekä ottamalla ja analysoimalla jätevesinäytteitä. Näytteiden otto ja analysointi toteutetaan vierailemallakahdessa voimalaitoksessa sekä yhdessä muussa kohteessa. Jäteveden laatu ennen ja jälkeen käsittelyn määritetään. Myös öljynjalostusteollisuuden jätevedenkäsittelyä tarkastellaan kirjallisuuteen pohjautuen. Tarkastelun tavoitteena on hankkia tietoa jätevedenkäsittelystä kohteissa, joissa jäteveden laatu vastaa dieselvoimalaitoksella syntyvää jätevettä. Vertailun vuoksi myös öljynjalostusteollisuudelle asetetuttuja jätevesistandardeja tutkitaan. Lisäksi työssä tutkitaan myös joitakin muita jätevedenkäsittelymenetelmiä. Diplomityön tuloksena määritetään dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn tulevaisuuden haasteet ja mahdollisuudet.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Esiselvitys puupolttoaineen jalostamisesta torrefiointitekniikalla

Fossiilisten polttoaineiden käytöstä aiheutuvia kasvihuonekaasupäästöjä pyritään vähentämään EU:ssa mm. päästökaupan avulla. Uusiutumattomien polttoaineiden tilalle kehitetään biopolttoaineita, joita voidaan hyödyntää olemassa olevien voimalaitosten polttolaitteistoilla. Biopolttoaineiden etuna on, ettäniiden ei katsota lisäävän hiilidioksidipäästöjä, koska biomassa sitoo itseensä kasvaessaan poltossa vapautuvan määrän hiiltä. Eräs kiinnostavimmista jalostetuista biopolttoaineista on torrefioitu puu, joka vastaa useimmilta ominaisuuksiltaan kivihiiltä ja jota voidaan käyttää hiilivoimalaitoksissa ilman laitteistomuutoksia. Torrefiointi on puun eräänlaista paistamista hapettomissa olosuhteissa 250-270ºC:ssa, jolloin siitä saadaanpoistettua vesi ja osa haihtuvista aineista. Puun väri muuttuu suklaanruskeaksi, se kevenee, ei savuta poltettaessa, hylkii vettä, jauhautuu hyvin sekä sillä on pienet hiukkaspäästöt. Käsitellyn puun ominaisuudet muuttuvat säilyvyydeltään ja käyttöominaisuuksiltaan merkittävästi raaka-aineeseen verrattuna. Torrefioinnilla saavutetaan puulle polttoainekäytön kannalta myös paremmat ja kestävämmät ominaisuudet kuin hiiltämällä. Torrefiointiprosessia on tutkittu jonkin verran ja torrefioidun biomassan polttoa voimalaitosmittakaavassa on kokeiltu pienessä mittakaavassa. Torrefioitu materiaali on alhaisen tiheytensä vuoksi hankalaa ja kallista kuljettaa,joten sen tiheyttä tulee nostaa kuljetuksia varten tiivistämällä esim.pelletöimällä. Torrefionti yhdistettynä pelletöintiin on parhaimmillaan kilpailukykyinen vaihtoehto, kun kivihiiltä korvaavaa biomassaa jalostetaan kaukana käyttöpaikasta ja kuljetetaan irtotavarana aluskuljetuksina. Torrefioitua puuta on tiettävästi poltettu vain hollantilaisessa voimalaitoksessa. Tässä esiselvityksessä kootun tiedon perusteella torrefioidun puupolttoaineen tuottamiseen Suomen olosuhteissa arvioidaan olevan teknis-taloudellisia mahdollisuuksia. Kuitenkin torrefiointiprosessin soveltaminen suomen olosuhteisiin ja kotimaisiin raakaaineisiin vaatii panostusta jatkotutkimukseen ennen varsinaiseen toteutusvaiheeseen siirtymistä.

Influence of Equipment Operation and Performance Deterioration on Power Plant Economy.

Pysyäkseen kilpailukykyisenä vapautuneilla sähkömarkkinoilla on voimalaitoksen energiantuotantokustannusten oltava mahdollisimman matalia, tinkimättä kuitenkaan korkeasta käytettävyydestä. Polttoaineen energiasisällön mahdollisimman hyvä hyödyntäminen on ratkaisevan tärkeää voimalaitoksen kannattavuudelle. Polttoainekustannusten osuus on konvektiivisilla laitoksilla yleensä yli puolet koko elinjakson kustannuksista. Kun vielä päästörajat tiukkenevat koko ajan, korostuu polttoaineen korkea hyötykäyttö entisestään. Korkea energiantuotannon luotettavuus ja käytettävyys ovat myös elintärkeitä pyrittäessä kustannusten minimointiin. Tässä työssä on käyty läpi voimalaitoksen kustannuksiin vaikuttavia käsitteitä, kuten hyötysuhdetta, käytettävyyttä, polttoaineen hintoja, ylös- ja alasajoja ja tärkeimpiä häviöitä. Ajostrategiassa ja poikkeamien hallinnassa pyritään hyvään hyötysuhteeseen ja alhaisiin päästöihin joka käyttötilanteessa. Lisäksi on tarkasteltu tiettyjen suureiden, eli höyryn lämpötilan ja paineen, savukaasun hapen pitoisuuden, savukaasun loppulämpötilan, sekä lauhduttimen paineen poikkeamien vaikutusta ohjearvostaan energiantuotantokustannuksiin. Happi / hiilimonoksidi optimoinnissa on otettu huomioon myös pohjatuhkan palamattomat.

The Optimisation of the Draft Tube of a Hydro Power Plant at Off-Design Conditions

Several possible methods of increasing the efficiency and power of hydro power plants by improving the flow passages are investigated in this stydy. The theoretical background of diffuser design and its application to the optimisation of hydraulic turbine draft tubes is presented in the first part of this study. Several draft tube modernisation projects that have been carried out recently are discussed. Also, a method of increasing the efficiency of the draft tube by injecting a high velocity jet into the boundary layer is presented. Methods of increasing the head of a hydro power plant by using an ejector or a jet pump are discussed in the second part of this work. The theoretical principles of various ejector and jet pump types are presented and four different methods of calculating them are examined in more detail. A self-made computer code is used to calculate the gain in the head for two example power plants. Suitable ejector installations for the example plants are also discussed. The efficiency of the ejector power was found to be in the range 6 - 15 % for conventional head increasers, and 30 % for the jet pump at its optimum operating point. In practice, it is impossible to install an optimised jet pump with a 30 % efficiency into the draft tube as this would considerabely reduce the efficiency of the draft tube at normal operating conditions. This demonstrates, however, the potential for improvement which lies in conventional head increaser technology. This study is based on previous publications and on published test results. No actual laboratory measurements were made for this study. Certain aspects of modelling the flow in the draft tube using computational fluid dynamics are discussed in the final part of this work. The draft tube inlet velocity field is a vital boundary condition for such a calculation. Several previously measured velocity fields that have successfully been utilised in such flow calculations are presented herein.

Project owner’s and outside engineering consultant’s role in power plant implementation projects

The purpose of this study was to investigate the nature of co-operation between a project owner and an outside engineering consultant in combined heat and power plant implementation projects. Moreover, as another focal subject of the study was to familiarize the purchasing behavior of the energy producer and how an outside engineering consultant participated into different stages of the purchasing process. The study was carried out as a multiple case study including altogether six Finnish power plant implementation projects that had been taken into commercial use during 1995 – 2015. By adjusting the findings of empirical interview data and comparing those to the theoretical framework concerning, among others, Finnish energy production, engineering consulting businesses, delivery methods of construction project and finally the purchasing process, it can be concluded that especially in the power plant implementation projects in the past have a great influence to decisions made during the project. The role of the main engineering consultant is to act as an assistant, who helps to achieve the project goals successfully rather than an advisor who only knows how the project should be conducted. At least in these five project cases this was the case, meaning that the final decision power always remaining with project owner.

Economics of combined power plant and pyrolysis bio-oil production

There are reasons of necessity in bio-fuel use and bio-energy fast development. It includes the material about bio-energy technologies, applications and methods. There are basic thermodynamics and economic theories. The economic calculation presents the comparison between two combinations. There are boiler plant below 20 MW in combination with ablative pyrolysis plant for bio-oil production and CHP plant below 100 MW in combination with the RTP pyrolysis bio-oil production technology. It provides a material about wood chips and bio-oil characteristics and explains it nature, presents the situation around the bio-fuel market or bio-fuel trade. There is a description of pyrolysis technologies such as ablative and RTP. The liquid product of the pyrolysis processes is bio-oil. The bio-oil could be different even of the same production process, because of the raw material nature and characteristics. The calculation shows advantages and weaknesses of combinations and obtained a proof of suppositions. The next thing, proven by this work is the fact that to get more efficiency from energy project it is good possibility to built plants in combinations.

Integration of Torrefaction with Steam Power Plant

Torrefaction is one of the pretreatment technologies to enhance the fuel characteristics of biomass. The efficient and continuous operation of a torrefaction reactor, in the commercial scale, demands a secure biomass supply, in addition to adequate source of heat. Biorefinery plants or biomass-fuelled steam power plants have the potential to integrate with the torrefaction reactor to exchange heat and mass, using available infrastructure and energy sources. The technical feasibility of this integration is examined in this study. A new model for the torrefaction process is introduced and verified by the available experimental data. The torrefaction model is then integrated in different steam power plants to simulate possible mass and energy exchange between the reactor and the plants. The performance of the integrated plant is investigated for different configurations and the results are compared.

Optimization of a dynamic district heating power plant

The purpose of this Thesis is to find the most optimal heat recovery solution for Wärtsilä’s dynamic district heating power plant considering Germany energy markets as in Germany government pays subsidies for CHP plants in order to increase its share of domestic power production to 25 % by 2020. Different heat recovery connections have been simulated dozens to be able to determine the most efficient heat recovery connections. The purpose is also to study feasibility of different heat recovery connections in the dynamic district heating power plant in the Germany markets thus taking into consideration the day ahead electricity prices, district heating network temperatures and CHP subsidies accordingly. The auxiliary cooling, dynamical operation and cost efficiency of the power plant is also investigated.