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.

Energy storage in electric drive system

In recent years the environmental issues and the energy saving have become increasingly import in modern society where industry is the major emission factor and energy consumer. Generally, most of the total energy consumption is caused by electrical drives used in industrial applications and thus improving the performance of electrical drives give an opportunity to improve the energy efficiency. In this Master Thesis improving the energy efficiency in different electrical drives is clarified with different cases: regenerative braking in the electric grid or recovery of the braking energy into an energy storage. In addition, as an example, the energy consumption of an elevator is analyzed by measurements. From these measurement results it can be estimated how much the share of the standby energy consumption is from the total energy consumption and how much regenerative energy is available. The latter part of the thesis concentrates on determination of the properties of lithium iron phosphate battery with measurements.

Integrated energy storage tank for large scale power-to-gas applications

The global interest towards renewable energy production such as wind and solar energy is increasing, which in turn calls for new energy storage concepts due to the larger share of intermittent energy production. Power-to-gas solutions can be utilized to convert surplus electricity to chemical energy which can be stored for extended periods of time. The energy storage concept explored in this thesis is an integrated energy storage tank connected to an oxy-fuel combustion plant. Using this approach, flue gases from the plant could be fed directly into the storage tank and later converted into synthetic natural gas by utilizing electrolysis-methanation route. This work utilizes computational fluid dynamics to model the desublimation of carbon dioxide inside a storage tank containing cryogenic liquid, such as liquefied natural gas. Numerical modelling enables the evaluation of the transient flow patterns caused by the desublimation, as well as general fluid behaviour inside the tank. Based on simulations the stability of the cryogenic storage and the magnitude of the key parameters can be evaluated.

Performance Degradation Modelling and Techno-Economic Analysis of Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems

Transmission system operators and distribution system operators are experiencing new challenges in terms of reliability, power quality, and cost efficiency. Although the potential of energy storages to face those challenges is recognized, the economic implications are still obscure, which introduce the risk into the business models. This thesis aims to investigate the technical and economic value indicators of lithium-ion battery energy storage systems (BESS) in grid-scale applications. In order to do that, a comprehensive performance lithium-ion BESS model with degradation effects estimation is developed. The model development process implies literature review on lifetime modelling, use, and modification of previous study progress, building the additional system parts and integrating it into a complete tool. The constructed model is capable of describing the dynamic behavior of the BESS voltage, state of charge, temperature and capacity loss. Five control strategies for BESS unit providing primary frequency regulation are implemented, in addition to the model. The questions related to BESS dimensioning and the end of life (EoL) criterion are addressed. Simulations are performed with one-month real frequency data acquired from Fingrid. The lifetime and cost-benefit analysis of the simulation results allow to compare and determine the preferable control strategy. Finally, the study performs the sensitivity analysis of economic profitability with variable size, EoL and system price. The research reports that BESS can be profitable in certain cases and presents the recommendations.

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.

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.

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.

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.

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.

Energy Efficiency of a Diesel-Electric MobileWorking Machine

The power demand of many mobile working machines such as mine loaders, straddle carriers and harvesters varies significantly during operation, and typically, the average power demand of a working machine is considerably lower than the demand for maximum power. Consequently, for most of the time, the diesel engine of a working machine operates at a poor efficiency far from its optimum efficiency range. However, the energy efficiency of dieseldriven working machines can be improved by electric hybridization. This way, the diesel engine can be dimensioned to operate within its optimum efficiency range, and the electric drive with its energy storages responds to changes in machine loading. A hybrid working machine can be implemented in many ways either as a parallel hybrid, a series hybrid or a combination of these two. The energy efficiency of hybrid working machines can be further enhanced by energy recovery and reuse. This doctoral thesis introduces the component models required in the simulation model of a working machine. Component efficiency maps are applied to the modelling; the efficiency maps for electrical machines are determined analytically in the whole torque–rotational speed plane based on the electricalmachine parameters. Furthermore, the thesis provides simulation models for parallel, series and parallel-series hybrid working machines. With these simulation models, the energy consumption of the working machine can be analysed. In addition, the hybridization process is introduced and described. The thesis provides a case example of the hybridization and dimensioning process of a working machine, starting from the work cycle of the machine. The selection and dimensioning of the hybrid system have a significant impact on the energy consumption of a hybrid working machine. The thesis compares the energy consumption of a working machine implemented by three different hybrid systems (parallel, series and parallel-series) and with different component dimensions. The payback time of a hybrid working machine and the energy storage lifetime are also estimated in the study.

Apply of energy storages in electricity distribution networks and reserve capacity applications

The Thesis is dedicated to development of an operative tool to support decision making of battery energy storages implementation in distribution networks. The basics of various battery technologies, their perspectives and challenges are represented in the Thesis. Mathematical equations that describe economic effect from battery energy storage installation are offered. The main factors that influence profitability of battery settings have been explored and mathematically defined. Mathematical model and principal trends of battery storage profitability under an impact of the major factors are determined. The meaning of annual net value was introduced to show the difference between savings and required costs. The model gives a clear vision for dependencies between annual net value and main factors. Proposals for optimal network and battery characteristics are suggested.

Carbon sources for Power-to-Gas applications in the Finnish energy system

This thesis is done as a part of the NEOCARBON project. The aim of NEOCARBON project is to study a fully renewable energy system utilizing Power-to-Gas or Power-to-Liquid technology for energy storage. Power-to-Gas consists of two main operations: Hydrogen production via electrolysis and methane production via methanation. Methanation requires carbon dioxide and hydrogen as a raw material. This thesis studies the potential carbon dioxide sources within Finland. The different sources are ranked using the cost and energy penalty of the carbon capture, carbon biogenity and compatibility with Power-to-Gas. It can be concluded that in Finland there exists enough CO2 point sources to provide national PtG system with sufficient amounts of carbon. Pulp and paper industry is single largest producer of biogenic CO2 in Finland. It is possible to obtain single unit capable of grid balancing operations and energy transformations via Power-to-Gas and Gas-to-Power by coupling biogas plants with biomethanation and CHP units.

Energy Management System for LVDC Island Networks

Recent developments in power electronics technology have made it possible to develop competitive and reliable low-voltage DC (LVDC) distribution networks. Further, islanded microgrids—isolated small-scale localized distribution networks— have been proposed to reliably supply power using distributed generations. However, islanded operations face many issues such as power quality, voltage regulation, network stability, and protection. In this thesis, an energy management system (EMS) that ensures efficient energy and power balancing and voltage regulation has been proposed for an LVDC island network utilizing solar panels for electricity production and lead-acid batteries for energy storage. The EMS uses the master/slave method with robust communication infrastructure to control the production, storage, and loads. The logical basis for the EMS operations has been established by proposing functionalities of the network components as well as by defining appropriate operation modes that encompass all situations. During loss-of-powersupply periods, load prioritizations and disconnections are employed to maintain the power supply to at least some loads. The proposed EMS ensures optimal energy balance in the network. A sizing method based on discrete-event simulations has also been proposed to obtain reliable capacities of the photovoltaic array and battery. In addition, an algorithm to determine the number of hours of electric power supply that can be guaranteed to the customers at any given location has been developed. The successful performances of all the proposed algorithms have been demonstrated by simulations.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.