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.

Paineilmajärjestelmän ja -hankinnan kehittäminen sementtitehtaalla

Työn tavoitteena oli kartoittaa Lappeenrannan sementtitehtaan paineilmajärjestelmä, tehdä järjestelmän kehittämissuunnitelma ja arvioida suunnitelman mukaisen investoinnin kannattavuus investointilaskelmilla. Kartoituksesta selviää paineilman hankinnan toteutus, järjestelmään kuuluvien laitteiden selvitys ja energiankulutus sekä jakeluverkon ja paineilman käytön kartoitus. Kartoituksen ja aineiston pohjalta laadittiin suunnitelma järjestelmän kehittämiseksi. Aineistoa kerättiin haastattelemalla laitetoimittajia sekä muiden sementtitehtaiden johtoa. Paineilman käyttöä tehostettiin ja tehtaan matalapaine- eli kuumailmaverkon osalta tehtiin suunnitelmat sen täydellisestä uusimisesta. Tehtaan korkeapaine- eli yleisilmaverkkoon päätettiin olla investoimatta työssä esiteltävien käytännön syiden vuoksi. Investoinnin taloudellinen kannattavuus arvioitiin työhön rakennetulla investointilaskentamallilla. Sen avulla laskettiin investoinnin kannattavuus annuiteettimenetelmällä. Laskelmien tulokseen liittyvä epävarmuus arvioitiin myös malliin rakennetulla herkkyysanalyysillä. Lisäksi mallilla vertailtiin investoinnin eri hankintavaihtoehtojen kannattavuutta. Investointi osoittautui kannattavaksi.

Paineilmajärjestelmän optimoinnin hyödyt tehtaan tuotantoprosessissa

Paineilmaa käytetään teollisuudessa hyvin yleisesti. Teollistuneissa maissa teollisuuden käyttämästä energiasta 8-10 % kuluu paineilman tuottamiseen. Paineilmakompressoreiden nykyaikaisen ohjausjärjestelmän avulla voidaan säästää paineilmajärjestelmän energiakustannuksia jopa 30 %. Ohjauksen optimoinnin yhteydessä on havaittu epäkohtia joiden poistaminen on parantanut tuotantolaitosten toimintaan niin, että saadut säästöt ovat olleet jopa energiasäästöjä suuremmat. Näitä optimoinnin välillisiä hyötyjä haluttiin selvittää tarkemmin. Tutkimuksessa perehdyttiin paineilman käytön ongelmiin eri tuotantolaitoksissa ja arvioitiin paineilmajärjestelmän optimoinnin vaikutuksia tehtaiden tuotantoon. Koska paineilmaa käytetään monissa tehtaiden kriittisissä kohteissa, on tutkimuskohteiden paineilmajärjestelmän ongelmista aiheutunut merkittäviä tuotannonmenetyksiä ja lisäkustannuksia. Merkittävimmät paperitehtaiden tuotantoa vaikeuttavat paineilmajärjestelmän tekniset ongelmat liittyvät paineilman puhtausvaatimuksiin ja riittävän verkkopaineen ylläpidon vaikeuteen. Organisatorisia ongelmia ovat paineilmajärjestelmän käyttöhenkilöstön asiantuntemuksen puutteellisuudet. Näistä aiheutuvaa tuotannon epäluotettavuutta voidaan merkittävästi pienentää kehittämällä paineilmakompressoreita, jälkikäsittelyä, ohjausta ja valvontaa alan asiantuntijoiden avustuksella.

Biologisen jätevedenpuhdistuksen ilmastuksen tehostaminen

Työssä tutkittiin, mikä on kustannustehokkain tapa lisätä ilmastuskapasiteettia ja selvitettiin, saostaako vesilaitokselta flotaatioaltaasta poistettava ferrisulfaattisakka jäteveden fosforia esiselkeyttimessä. Työssä määritettiin teoreettinen hapentarve ilmastusaltaassa maksimikuormituksen aikana ja hapensiirtonopeus jäteveteen olemassa olevalla laitteistolla. Hapensiirtonopeuden funktion korjauskertoimet  ja  sekä kokonaishapensiirtokerroin määritettiin laboratorio-olosuhteissa. Lisäksi laskettiin kuinka paljon nykyisten ilmastimien kautta saadaan happea jäteveteen liukenemaan ja verrattiin tätä lukua teoreettiseen hapentarpeeseen. Jälkimmäistä menettelytapaa käyttäen arvioitiin lisähapen tarve. Tulokseksi saatiin, että maksimi BOD-kuormituksen aikana happea tarvitsee saada jäteveteen liuotettua 5200 m³/d lisää. Ilmastuskapasiteetin lisäyksen kustannuslaskelmassa verrattiin neljää vaihtoehtoa: puhdasta happea liuotettuna happimattojen kautta tai OKI-ilmastimen kautta, onsite-happilaitoksen puhdasta happea liuotettuna OKI-ilmastimen kautta tai ilman happea liuotettuna jäteveteen EDI-ilmastimien kautta. Laskelmat osoittivat uusien EDI-ilmastimien hankinnan olevan edullisin vaihtoehto pitkällä aikavälillä. Vaikka EDI-ilmastimien investointikustannukset ovat korkeat, tulevat ne käyttökustannuksiltaan kaikkein edullisimmaksi. Vesilaitokselta tulevan rautasuolasakan fosforia saostavaa vaikutusta tutkittiin laboratoriossa astiakokein. Näytteet otettiin vesilaitokselta jätevesilaitokselle menevästä rautasuolasakasta sekä esiselkeyttimen kirkasteesta. Näitä eri suhteissa keskenään sekoittamalla saatiin selville, että rautasuolasakka ja sakan mukana tuleva reagoimaton rautasuola saostavat liukoista ja kokonaisfosforia esiselkeytyksessä.

Energiankäytön kartoitus Lappeenrannan sementtitehtaalla.

Diplomityön tavoitteena oli kartoittaa Finnsementti Oy:n Lappeenrannan sementtitehtaan energiankäyttöä ja etsiä potentiaalisia energiansäästökohteita. Diplomityö liittyy Kauppa- ja teollisuusministeriön ja Teollisuuden ja Työnantajain Keskusliiton väliseen teollisuuden energiankäytön tehostamiseen tähtäävään puitesopimukseen, johon Finnsementti Oy on liittynyt. Diplomityön teoriaosassa tutustutaan sementin kemiaan raaka-aineista valmiisiin tuotteisiin. Lisäksi kartoitetaan sementtiteollisuuden energiansäästömahdollisuuksia laite-hankintojen ja prosessin optimointinnin kannalta. Työssä tutustutaan sementin-valmistuksessa käytettäviin laitteistoihin ja selvitetään niiden teknistä kehitystä ja energiaasäästäviä ratkaisuja. Kokeellinen osuus alkaa yksityiskohtaisella kuvauksella Lappeenrannan sementtitehtaan valmistusprosessista. Kokeellisessa osassa tutustutaan tehtaan energiankulutukseen sähkön ja polttoaineen muodossa. Lisäksi käsitellään paineilmaa ja vettä. Sähkön osalta kokeellinen osa sisältää sähkönkulutuksen historian ja sähkönjakeluverkon selvityksen lisäksi tehtaalla käytössä olevien luokittimien tehokkuustarkasteluita sähkönkulutuksen kannalta. Polttoaineen osalta diplomityö sisältää sementtiuunien energiataseiden mittaukset ja tulosten laskemisen sekä Excel-pohjaisen menetelmän kehittämisen energiataseiden laskemiseksi tulevaisuudessa. Paineilman ja veden osalta selvitetään niiden kulutusta tehtaalla ja lasketaan paineilmalle teoreettinen ominaissähkönkulutus. Luokittimien tehokkuustarkastelujen osalta havaittiin raakamyllyn luokittimen erottelu-terävyyden olevan huono verrattuna nykyaikaisiin korkeatehokkuusluokittimiin. Sementtimyllyjen luokittimien toiminnasta ei havaittu merkittäviä ongelmia. Energia-taseiden tuloksina havaittiin Lappeenrannan sementtitehtaan sementtiuunien edustavan vanhentunutta sementinvalmistustekniikkaa. Molempien uunien savukaasukanavien vuotoilmojen määrien havaittiin olevan suuret. Energiataloutta pystyttäisiin parantamaan mm. uusilla polttimilla, jolloin lämmittämättömän ensiöilman osuutta saataisiin pienentymään ja polttoaineen polttoa tehostumaan. Paineilman suhteen havaittiin kuumailman paineenalennuksen aiheuttavan turhia energiahäviöitä.

Taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuudet kompressorijärjestelmien elinkaarikustannusten optimoimisessa

Paineilmaa on kutsuttu neljänneksi perushyödykkeeksi veden, sähkön ja kaasun lisäksi. Paineilman kuluttaja on usein myös sen tuottaja. EU:n alueen teollisuudessa keskimää-rin 16 % kulutetusta kokonaissähkötehosta kuluu ilmakompressoreiden käyttöön. Taa-juusmuuttajan käyttö on viime vuosikymmeninä lisääntynyt merkittävästi, kun on pyrit-ty energiatehokkaisiin ratkaisuihin esimerkiksi pumppaus- ja puhallinjärjestelmissä. Kompressorijärjestelmissä taajuusmuuttajien käyttö ei ole vielä yhtä yleistä kuin esi-merkiksi pumppukäytöissä, vaikka taajuusmuuttajan käytöllä saavutetaan useimmissa tapauksissa huomattavia etuja. Tässä työssä tutkitaan taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuuksia kompressorijär-jestelmien käytönaikaisten elinkaarikustannusten optimoimisessa. Työssä selvitetään säästöpotentiaalia, ja pohditaan pyörimisnopeussäädöllä saavutettavia etuja eri komp-ressorityypeillä. Lopuksi muodostetaan elinkaarikustannusanalyysit kahdelle todelliselle teollisuuden kompressorikohteelle. Tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustyö sekä asi-antuntijahaastattelut teollisuudesta. Työn tavoitteena on kartoittaa taajuusmuuttajan hyödyntämispotentiaalia kompressorijärjestelmissä ja luoda pohjaa mahdolliselle jatko-tutkimukselle.

Paperikoneen kuivatusosan olosuhteiden vaikutus viiranjohtotelojen vaipan materiaalin ja pinnoitteen valintaan korroosiovaurion ehkäisemiseksi

Diplomityön tavoitteena on löytää UPM Kymin paperikone 8:n ensimmäisen kuivatusryhmän johtoteloihin kulumis- ja korroosiokestävämpi materiaali ja pinnoite vallitsevaan olosuhteeseen. Teloihin muodostuu pistemäistä korroosiota ja korroosioalue on paikallinen. Korroosiota syntyy kuivatusviiran alueella, jossa ei ole paperirainaa. Työssä suoritetaan kuivatusosan olosuhdemittauksia ja tutkitaan niiden vaikutuksia korroosion muodostumiseen. Suoritettavat olosuhdemittaukset ovat huuvan ilmatase, paineen 0-taso sekä lämpötilat ja kosteudet eri huuvan osissa. Savukaasumittauksen avulla tutkitaan huuvan ilmankiertoa ensimmäisen kuivatusryhmän viiranjohtotelojen läheisyydessä. Kuivatusviiran ilmanläpäisymittauksen avulla saadaan tietoa viiran ilmanläpäisykyvystä. Hypoteesina viiran tukkeutuminen johtuu pölyävästä kuivaus-prosessista ja kosteudesta. SEM/EDS-alkuainemittauksen avulla pystytään analysoimaan korrosiivisia alkuaineita niin korroosioalueella kuin ympäristössä. Työn tutkimuksen perusteella korroosion muodostuminen aiheutuu tukkeutuneen viiran muodostamasta happipitoisuuseroalueesta. Viiran saostumat sisältävät korrosiivisia kemikaaleja, kuten kloridia, rikkiä ja mangaania. Nämä kiihdyttävät korroosiota happipuutosalueella. Huuvan olosuhdemittauksien perusteella huuvan paineen 0-taso on vino. Savukaasu- ja kosteusmittauksien avulla huomattiin kostean ilman jäävän telojen läheisyyteen. Työssä kehitettiin paineilmapuhdistin viiran reuna-alueen puhdistamiseen. Kaavattaviin telapositioihin valittiin kobolttikromiseostettu volframikarbidipinnoite PTFE -fluoripolymeeritiivistyksellä. Muihin telapositioihin valittiin ETFE –fluori-polymeeripinnoite korroosion ehkäisemiseksi. Pinnoitteiden ja paineilmapuhdistimen avulla telojen käyttöaika nousee nykyisestä kahdesta vuodesta tavoiteltuun 10 vuoteen.

Germinability of Norway spruce and scots pine pollen exposed to open air

Summary

Effect of soil wetness on air composition and nitrous oxide emission in a loam soil

Selostus: Maan märkyyden vaikutus ilman koostumukseen ja dityppioksidiemissioon hiuemaassa