Distributed Energy Production in the North-West Region of Russia

The energy system of Russia is the world's fourth largest measured by installed power. The largest are that of the the United States of America, China and Japan. After 1990, the electricity consumption decreased as a result of the Russian industry crisis. The vivid economic growth during the latest few years explains the new increase in the demand for energy resources within the State. In 2005 the consumption of electricity achieved the maximum level of 1990 and continues to growth. In the 1980's, the renewal of power facilities was already very slow and practically stopped in the 1990's. At present, the energy system can be very much characterized as outdated, inefficient and uneconomic because of the old equipment, non-effective structure and large losses in the transmission lines. The aim of Russia's energy reform, which was started in 2001, is to achieve a market based energy policy by 2011. This would thus remove the significantly state-controlled monopoly in Russia's energy policy. The reform will stimulateto decrease losses, improve the energy system and employ energy-saving technologies. The Russian energy system today is still based on the use of fossil fuels, and it almost totally ignores the efficient use of renewable sources such as wind, solar, small hydro and biomass, despite of their significant resources in Russia. The main target of this project is to consider opportunities to apply renewable energy production in the North-West Federal Region of Russia to partly solve the above mentioned problems in the energy system.

Sustainable Waste-to-Energy Production: Performance Evaluation of Distributed Generation fuelled by Landfill Gas

The environmental impact of landfill is a growing concern in waste management practices. Thus, assessing the effectiveness of the solutions implemented to alter the issue is of importance. The objectives of the study were to provide an insight of landfill advantages, and to consolidate landfill gas importance among others alternative fuels. Finally, a case study examining the performances of energy production from a land disposal at Ylivieska was carried out to ascertain the viability of waste to energy project. Both qualitative and quantitative methods were applied. The study was conducted in two parts; the first was the review of literatures focused on landfill gas developments. Specific considerations were the conception of mechanism governing the variability of gas production and the investigation of mathematical models often used in landfill gas modeling. Furthermore, the analysis of two main distributed generation technologies used to generate energy from landfill was carried out. The review of literature revealed a high influence of waste segregation and high level of moisture content for waste stabilization process. It was found that the enhancement in accuracy for forecasting gas rate generation can be done with both mathematical modeling and field test measurements. The result of the case study mainly indicated the close dependence of the power output with the landfill gas quality and the fuel inlet pressure.

Risk Management Services in Energy Production

Työ käsittelee energian tuotannossa esiintyviä tärkeimpiä taloudellisia ja teknisiä riskejä sekä niiden hallitsemista energian tuottajan näkökulmasta. Ensiksi käsitellään yleisesti riskienhallintaa, eri riskityyppejä ja esitetään periaatteellinen riskienhallintaprosessi. Sen jälkeen tarkastellaan energiamarkkinoiden nykytilannetta lähinnä Pohjoismaiden tasolla ja verrataan sitä aikaisempaan tilanteeseen energian tuottajan kannalta. Tämä siksi, että energiamarkkinoiden vapautuminen on muuttanut merkittävästi energian tuotantoon liittyviä taloudellisia riskejä, käytännössä lisännyt niitä. Pääpaino on energian tuotannossa esiintyvien olennaisten riskien tarkastelussa ja niiden hallitsemisessa. Ensin esitellään työn kannalta olennaiset riskit ja tekijät joista ne aiheutuvat. Jokainen riski ja sen aiheuttamat haitat liiketoiminnalle kuvataan lyhyesti. Sen jälkeen kiinnitetään huomiota asioihin, jotka ovat tyypillisiä energian tuotannolle ja aiheuttavat samalla erikoisvaatimuksia riskienhallinnalle. Sitten käydään läpi sopivat riskienhallinnan menetelmät, jotka ovat yleisesti käytössä energian tuotannossa, aiemmin esitetyille olennaisille riskeille. Esitetyistä riskienhallinta menetelmistä useimpia ei ole kohdistettu millekään yksittäiselle riskille, vaan monia niistä voidaan käyttää useammankin riskin hallintaan.

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.

Small scale energy production in Helsinki Metropolitan area in emission trading point of view

Emission trading with greenhouse gases and green certificates are part if the climate policy the main target of which is reduce greenhouse gas emissions. The carbon dioxide and fine particle emissions of energy production in Helsinki Metropolitan area are calculated in this study. The analysis is made mainly by district heating point of view and the changes of the district heating network are assessed. Carbon dioxide emissions would be a bit higher, if the district heating network is expanded, but then the fine particle emissions would be much lower. Carbon dioxide emissions are roughly 10 % higher, if the district heating network is expanded at same rate as it has in past five years in the year 2030. The expansion of district heating network would decrease the fine particle emissions about 40 %. The cost of the expansion is allocated to be reduction cost of the fine particle emissions, which is considerably higher than the traditional reduction methods costs. The possible new nuclear plant would reduce the emissions considerably and the costs of the nuclear plant would be relatively low comparing the other energy production methods.

Utilization of Meat and bone meal for energy production

At the end of the 1990s the stock breeding in the Europe was suffering from the animal disease epidemics such as Bovine spongiform encephalopathy (BSE) and foot –and mouth disease. The European Union (EU) tackled to this problem by tightening the legislation of animal by-products. At this point, rendering and fat producing industries faces new challenges, which they have to cope with in a way of trying to find alternatives to their products (animal fats and meat and bone meal). One of the most promising alternatives to utilize these products was to use them in energy production purposes. The purpose of the Thesis was to examine the utilization possibilities of Meat and bone meal (MBM) for energy production. The first part of the Thesis consists of theory part. The theory part includes evaluation of basic properties of MBM as a fertilizer and as a fuel, legislative evaluation and evaluation of different burning techniques. The second part of the Thesis consists of burning tests in Energy laboratory of LUT with different mixtures of peat and MBM. The purpose of the burning tests was to identify co-firing possibilities of peat and MBM and emission- and ash properties for peat and MBM.

Distributed energy resources in an electricity retailer’s short-term profit optimization

Liberalization of electricity markets has resulted in a competed Nordic electricity market, in which electricity retailers play a key role as electricity suppliers, market intermediaries, and service providers. Although these roles may remain unchanged in the near future, the retailers’ operation may change fundamentally as a result of the emerging smart grid environment. Especially the increasing amount of distributed energy resources (DER), and improving opportunities for their control, are reshaping the operating environment of the retailers. This requires that the retailers’ operation models are developed to match the operating environment, in which the active use of DER plays a major role. Electricity retailers have a clientele, and they operate actively in the electricity markets, which makes them a natural market party to offer new services for end-users aiming at an efficient and market-based use of DER. From the retailer’s point of view, the active use of DER can provide means to adapt the operation to meet the challenges posed by the smart grid environment, and to pursue the ultimate objective of the retailer, which is to maximize the profit of operation. This doctoral dissertation introduces a methodology for the comprehensive use of DER in an electricity retailer’s short-term profit optimization that covers operation in a variety of marketplaces including day-ahead, intra-day, and reserve markets. The analysis results provide data of the key profit-making opportunities and the risks associated with different types of DER use. Therefore, the methodology may serve as an efficient tool for an experienced operator in the planning of the optimal market-based DER use. The key contributions of this doctoral dissertation lie in the analysis and development of the model that allows the retailer to benefit from profit-making opportunities brought by the use of DER in different marketplaces, but also to manage the major risks involved in the active use of DER. In addition, the dissertation introduces an analysis of the economic potential of DER control actions in different marketplaces including the day-ahead Elspot market, balancing power market, and the hourly market of Frequency Containment Reserve for Disturbances (FCR-D).

Direct-on-line axial flux permanent magnet synchronous generator static and dynamic performance

In distributed energy production, permanent magnet synchronous generators (PMSG) are often connected to the grid via frequency converters, such as voltage source line converters. The price of the converter may constitute a large part of the costs of a generating set. Some of the permanent magnet synchronous generators with converters and traditional separately excited synchronous generators couldbe replaced by direct-on-line (DOL) non-controlled PMSGs. Small directly networkconnected generators are likely to have large markets in the area of distributed electric energy generation. Typical prime movers could be windmills, watermills and internal combustion engines. DOL PMSGs could also be applied in island networks, such as ships and oil platforms. Also various back-up power generating systems could be carried out with DOL PMSGs. The benefits would be a lower priceof the generating set and the robustness and easy use of the system. The performance of DOL PMSGs is analyzed. The electricity distribution companies have regulations that constrain the design of the generators being connected to the grid. The general guidelines and recommendations are applied in the analysis. By analyzing the results produced by the simulation model for the permanent magnet machine, the guidelines for efficient damper winding parameters for DOL PMSGs are presented. The simulation model is used to simulate grid connections and load transients. The damper winding parameters are calculated by the finite element method (FEM) and determined from experimental measurements. Three-dimensional finite element analysis (3D FEA) is carried out. The results from the simulation model and 3D FEA are compared with practical measurements from two prototype axial flux permanent magnet generators provided with damper windings. The dimensioning of the damper winding parameters is case specific. The damper winding should be dimensioned based on the moment of inertia of the generating set. It is shown that the damper winding has optimal values to reach synchronous operation in the shortest period of time after transient operation. With optimal dimensioning, interferenceon the grid is minimized.

Pienen kokoluokan CHP-tuotannon kannattavuus kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä

Fossiiliset polttoainevarannot ovat ehtymässä. Nykyisen talouskasvumme perustuessa fossiilisten polttoaineiden kestämättömään käyttöön, on energiantuotantorakenteen muututtava. Euroopan Unioni on asettanut tavoitteet uusiutuvan energian osuuden lisäämiseksi. Näistä syistä johtuen kiinnostus uusiutuvaa energiaa ja hajautettua energiantuotantoa kohtaan on kasvanut viime aikoina. Tämän globaalin ilmiön rinnalla yhteiskuntarakenteen muutos Suomessa on johtanut tilanteeseen, jossa taloudellinen aktiviteetti kasvukeskusten ulkopuolella on hiipumassa. Loogisena ratkaisumallina on syntynyt hankkeita kuten Keski-Karjalan Kehitysyhtiö Oy:n Puhos 2013 - ympäristöalasta uutta liiketoimintaa - hanke. Tämä työ on Puhos 2013 - hankkeeseen tilattu tutkimus, jonka tavoitteena on puuta ja biokaasua polttoaineenaan käyttävän mikroturbiinitekniikkaan pohjautuvan pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuden selvittäminen kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä. Tutkimuksessa selvitettiin aluksi pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuteen vaikuttavat tekijät, jonka jälkeen opittua tietoa sovellettiin Kiteen Lämmön Arppentien lämpölaitoksen tapaukseen. Kiteen Lämmön taloudellisen kannattavuuden ohella tutkimuksessa huomioitiin uusien liiketoiminta mahdollisuuksien syntyminen alueelle. Käytetyt tutkimusmenetelmät olivat kvalitatiivinen analyysi ja perinteinen investoinnin kannattavuuslaskenta. Tutkimuksen tuloksena muodostettiin strategia, joka maksimoi molemmat edellä mainitut kannattavuuden näkökulmat. Kehitetyn strategian Kiteen Lämmön tulosta maksimoiva osuus muodostuu oman käyttösähkön tuottamisen aloittamisesta Arppentien lämpölaitoksella 30 kWe mikroturbiinilla käyttäen polttoaineena Bio10 Oy:n toimittamaa biokaasua. Uusien liiketoiminta mahdollisuuksien synty alueelle mahdollistetaan puolestaan kehittämällä puun kaasutukseen perustuva modulaarinen CHP laitos yhteistyössä Mekrijärven tutkimusaseman ja suomalaisten laitevalmistajien kanssa.

3 kW:n mikrokaasuturbiinin periaatesuunnittelu

Tässä työssä esitellään ensiksi yleisesti kaasuturbiini, sen toimintaperiaate ja sovelluskohteet. Lisäksi kaasuturbiinin yleinen suunnittelu käydään läpi mitoituksen kannalta. Mikrokaasuturbiini on kaasuturbiini pienemmässä mittakaavassa. Pienen kokonsa vuoksi mikrokaasuturbiinien suunnittelussa täytyy huomioida eri asioita kuin suurempien kaasuturbiinien suunnittelussa. Tämän työn tarkoituksena on selvittää mikrokaasuturbiinin periaatteellinen suunnittelu ja tarkastella, mitä eroa on mikrokaasuturbiinin ja kaasuturbiinin välisessä suunnittelussa. Lisäksi työssä esitellään mahdollisia sovelluskohteita 3 kilowatin mikrokaasuturbiinille. Mikrokaasuturbiineja tultaneen käyttämään tulevaisuudessa hajautetun energian tuotannossa kasvavissa määrin. Mikrokaasuturbiini voidaan helposti muokata käyttötarpeen mukaiseksi, mikä tekee mikrokaasuturbiinista vahvan kilpailijan perinteisten pienen teholuokan mäntäkoneiden rinnalle. Lopuksi työhön on laskettu suunnitteluesimerkki 3 kilowatin mikrokaasuturbiinille. Suunnitteluun on valittu lähtöarvot kirjallisuudessa tavallisesti esiintyvien arvojen mukaan.

Kiinteistöautomaatio osana älykkäitä sähköjärjestelmiä

Työssä tarkasteltiin älykkäiden sähköverkkojen näkökulmasta, millaisia toiminnallisuuksia kiinteistöautomaatiojärjestelmiltä odotetaan ja miten markkinoilla olevat järjestelmät vastaavat näihin odotuksiin. Lisäksi arvioitiin, kuinka taloudellisesti kannattavia valittuihin automaatiojärjestelmiin kuuluvat energian käytön hallintaan liittyvät toiminnallisuudet ovat sähkönkäyttäjien näkökulmasta. Lopuksi tehtiin lyhyt katsaus kiinteistöautomaatiojärjestelmien tulevaisuuden näkymiin. Kiinteistöautomaatiolla voidaan vaikuttaa energian käytön tehokkuuteen ohjaamalla esimerkiksi valaistusta, ilmanvaihtoa, ilmastointia, lämmitystä ja sähkölaitteita. Eräs vaihtoehto on toteuttaa ohjauksen avulla markkinapohjaista kysyntäjoustoa, jossa kiinteistön sähköjärjestelmän toimintaa säädetään sähkön hinnan perusteella. Kiinteistössä tulee myös voida tehdä laitekohtaisia energiankulutuksen mittauksia, jotka antavat tietoa sähkönkäyttäjille eri laitteiden sähkönkulutuksesta. Kiinteistöautomaation ja sähkön pientuotannon yleistymisen myötä on myös etähallittavien virtuaalivoimaloiden toteuttaminen tulossa mahdolliseksi. Lisäksi laskettiin sähkönkäyttäjän kannalta lämmityksen, valaistuksen ja ilmanvaihdon ohjauksen kannattavuutta ja selvitettiin, että tutkituissa esimerkkijärjestelmissä suurin säästöpotentiaali on lämmityksen ohjauksessa.

Uuden asuinalueen kaksisuuntaisen kaukolämpöratkaisun asiakastarveselvitys

Rakennusten energiatehokkuustoimet, lähes nollaenergiarakentaminen sekä uusiutuvien lähienergiamuotojen markkinakasvu muuttavat kaukolämpöliiketoimintaa. Kaukolämpöyhtiön on pyrittävä kehittämään liiketoimintaansa energian tuotantorakenteiden muutoksessa ja rakennusten energiankulutuksen pienentyessä. Tätä vastaamaan Turku Energia Oy on kehittänyt ilmastoystävällisen energiapaketin, jonka yhtenä osa-alueena on matalalämpötilainen ja kaksisuuntainen kaukolämpöverkko. Skanssin uudelle asuinalueelle valmistuvassa kaukolämpöverkossa kaukolämmön asiakkailla on mahdollisuus myydä ylijäämälämpöä energiayhtiölle. Yksi Skanssin energiahankkeen tavoitteista on kehittää Turku Energia Oy:lle uudenlainen hankintamenettely, johon sisältyy tässä diplomityössä toteutettu asiakastarveselvitys. Selvityksessä kartoitetaan paikallisten rakennus- ja kiinteistöyhtiöiden toiveita sekä heidän näkemiään haasteita liittyen kaksisuuntaiseen kaukolämpöverkkoratkaisuun, lähienergian tuotantoon ja kaupunkisuunnitteluun. Tavoitteena on löytää uusia teknologioita sekä valita ja kehittää Skanssin asukkaita parhaiten palvelevat energiatehokkuutta lisäävät tuotteet ja palvelut. Asiakastarveselvityksen tuloksena todettiin, että rakennuttajien näkökulmasta rakentamismääräyskokoelmasta poikkeavien uusien energiaratkaisujen sisällyttäminen rakennuksen investointiin on erittäin haastavaa. Asunnon ostajan näkökulmasta määrääviä valintakriteerejä ovat edelleen asunnon hinta ja sijainti. Lisäinvestoinnin tekemiseen eivät riitä perusteluiksi ainoastaan vihreät attribuutit, mutta tulevaisuudessa niiden asema rakentamisessa tulee korostumaan. Rakennus- ja kiinteistöyhtiöt kaipaavat rakentamisen erityishankkeisiin asiantuntevia ja sitoutuneita osapuolia sekä riittävää neuvotteluvaraa kaikille osapuolille.

Lämminvesivaraajan ohjaus automaatiolla aurinkosähköä tuottavassa kotitaloudessa

Hajautettu sähköntuotanto aurinkopaneeleilla on Suomessa kasvussa. Kotitalouksiin asennettujen aurinkopaneelijärjestelmien määrä kasvaa jatkuvasti, mutta suuri osa tuotetusta sähköenergiasta syötetään sähköverkkoon. Tämä johtuu aurinkosähkön tuotannon painottumisesta kesäpäiviin, jolloin kotitalouksien kulutus on pienimmillään. Suurin hyöty itse tuotetusta energiasta saadaan kuitenkin käyttämällä se tuotantokohteessa, jolla minimoidaan energiansiirto sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa. Siirtämällä kotitalouden suurimpia kuormia aurinkosähkön mukaan ohjatuksi, voidaan saavuttaa merkittäviä parannuksia tuotetun sähkön omakäyttöasteessa. Helpoimmillaan tämä onnistuu kellokytkimellä, joka ajoittaa kulutuksen parhaimman tuotannon ajalle. Tämä ei kuitenkaan poista ongelmaa tilanteissa, jossa aurinkosähkön tuotanto on häiriintynyt esimerkiksi pilvisyyden takia aamupäivällä ja huipputuotanto saavutetaan vasta iltapäivän puolella. Saatavilla on jo useita järjestelmiä, jotka ohjaavat kodin laitteita tuotannon mukaisesti. Suuri osa näistä järjestelmistä on kuitenkin suunniteltu toimimaan vain tuotetun energiamäärän mukaisesti, ottamatta huomioon kotitaloudessa olevaa muuta, automaation piiriin kuulumatonta kulutusta. Tässä kandidaatin työssä vertaillaan sähköenergian eri mittaustapoja ja niiden vaikutusta siirretyn energian laskennalliseen määrään. Lisäksi työssä tutkitaan lämminvesivaraajan kuormanohjausta käyttäen termostaatti-, kellokytkin- ja logiikkaohjausta. Työssä esitelty logiikkaohjaus hyödyntää siirretyn energian mittausta sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa, ottaen automaattisesti huomioon myös talouden muun kulutuksen. Työssä esitellään myös esimerkkilaitteisto, jolla suunniteltu logiikka voidaan toteuttaa.

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.