Kaukolämpöverkon paluuveden hyödyntäminen lämmityksessä

Tässä diplomityössä on määritetty paluuvesilämmityksen mahdollisuudet Savon Voima Oyj:n kaukolämpöpaikkakunnilla. Työssä tarkasteltiin paluuvesilämmityksen tuoman paremman kaukolämpöveden jäähtymän vaikutuksia kaukolämpöverkkoon ja energiantuotantoon sekä laskettiin esimerkkipaikkakunnilla kaukolämmön paluuveden lämpötilan alentumisen tuomat rahalliset hyödyt. Lisäksi tarkasteltiin paluuvesilämmityksen taloudellisuutta esimerkkipaikkakunnilla. Laskennassa saatiin paluuvesilämmityksen tuomaksi jäähtymähyödyksi pumppauskustannuksissa 0,7 – 0,8 €/MWh ja lämpöhäviöissä 1,5 – 2,9 €/MWh. Iisalmessa sähköntuotannon lisääntymisestä saadaan hyötyä 0,7 €/MWh. Suurin hyöty saadaan Pielaveden ja Suonenjoen biolämpökeskusten lämmöntalteenotolla varustetuista savukaasupesureista. Pielavedellä tämä hyöty on 6,4 €/MWh ja Suonenjoella 6,1 €/MWh. Paluuvesilämmityksen kannattavuus asuinkiinteistöissä vaatii lämmöntuotannon yhteydessä olevan savukaasupesurin tuoman rahallisen hyödyn. Esimerkiksi Iisalmessa asiakkaalle myönnettävissä oleva jäähtymähyvitys paluuvesilämmöstä ei riitä kattamaan paluuvesilämmityksen suurempia investointikuluja. Myös pesuripaikkakunnilla kannattavuus vaatii suuren vuosittaisen lämmönkäytön. Tavoiteltaessa 8 vuoden korollista takaisinmaksuaikaa vaatii kannattavuus kohteelta Pielavedellä 250 MWh:n ja Suonejoella 300 MWh:n vuosittaisen lämmönkäytön. Myös asiakkaan sijainnin sopivuus kaukolämpöverkossa paluuvesilämmitykseen täytyy tarkastella tapauskohtaisesti. Paluuvesilämmitys ei tule työn tulosten perusteella tulevaisuudessa yleisesti käyttöön, mutta yksittäisiä asiakkaita siihen voidaan liittää.

Utilization of Automatic Meter Reading in the Improvement of a District Heating System

A district heating system comprises production facilities, a distribution network, and heat consumers. The utilization of new energy metering and reading system (AMR) is increasing constantly in district heating systems. This heuristic study shows how the AMR system can be exploited in finding optimization opportunities in district heating system. In this study, the district heating system is mainly considered from the viewpoint of operational optimization. The focus is on the core processes, heat production and distribution. Three objectives were set to this study. The first one was to examine general optimization opportunities in district heating systems. Second, to figure out the benefits of AMR for general optimization opportunities. Finally, to define a methodology for process improvement endeavors. This study shows, through a case study, the usefulness of AMR in specifying current deficiencies in a district heating system. Based on a literature review, the methodology for the improvement of business processes is presented. Additionally, some issues related to future competitiveness of district heating are concerned. As a conclusion, some optimization objectives are considered more desirable than others. Study shows that AMR is useful in the specification of optimization targets in the district heating system. Further steps in optimization process were not examined in detail. That would seem to be interesting topic for further studies.

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.

Jyväskylän kaukolämpöverkon kehittäminen

Kaukolämmitys on yleisin Suomessa käytetty lämmitysmuoto ja sen osuus koko lämmitysmarkkinoista on noin 50 %. Kaukolämmön varsinainen tuotanto ja jakelu alkoivat Suomessa vuonna 1957 ja Jyväskylässä vuonna 1960. Jyväskylässä kaukolämmön piiriin kuuluivuoden 2006 loppuun mennessä noin 3200 asiakasta. Suurin tuntiteho laitoksilta oli noin 375 MW. Vuonna 2020 suurimman tuntitehon on ennustettu olevan noin 480 MW, mikä tarkoittaa asiakasmäärän ja verkon pituuden merkittävää kasvua. Jyväskylän kaukolämpöverkon nykytilanne on hyvä. Verkostolaskennan tulosten perusteella lämpö saadaan siirtymään nykyisillä laitoksilla ja verkon laitteilla jokaiselle asiakkaalle niin normaalitilanteessa kuin päälaitoksen häiriötilanteessa. Häiriötilanteessa paikallisia ongelmia voi esiintyä, mutta niihin voidaan vaikuttaa parantavasti esimerkiksi verkon staattisen paineen nostolla. Jyväskylän kaukolämpöverkon tulevaisuuden näkymät ovat erinomaiset. Laskennan perusteella verkkoa voidaan laajentaa kaikille laskennassa mukana olleille alueille ilman suurempia ongelmia. Uuden tuotantokapasiteetin, verkonlaajentumisen ja asiakasmäärän kasvun aiheuttamat kehitystarpeet saatiin selvitetyksi ja tulokset olivat aikaisempien tutkimusten suuntaisia. Tulevaisuutta ajatellen verkkoon joudutaan tekemään muutamia muutoksia suunniteltujen uusien yhteyksien lisäksi. Uuteen linjaan, joka yhdistää Palokan verkon toisen yhteyden kautta Jyväskylän pääverkkoon, rakennetaan mahdollisesti pumppaamo. Lisäkuristusventtiilejä tarvitaan viiteen eri paikkaan turvaamaan riittävän suuret kaukolämpöveden paluupaineet. Osa venttiileistä olisi suositeltavaa asentaa jo nykytilanteessa, sillä niiden hankinta parantaisi verkon nykytilaa.

Kaukolämpöveden jäähdytyksen parantaminen

Kaukolämpöverkoston lämpötilatason alentaminen kasvattaa sähkösaalista sähkön ja lämmön yhteistuotannossa, pienentää kaukolämpöverkon lämpöhäviöitä ja lisäksi hyvä jäähdytys tuo säästöjä kaukolämpöveden pumppausenergian kulutuksessa. Työssä selvitettiin laskennallisesti kaukolämpöveden lämpötilojen alentamisen vaikutuksia ja niiden tuomia säästöjä Kuopion Energian kaukolämpöjärjestelmässä. Tulokseksi saatiin, että laskemalla paluulämpötilaa yhdellä asteella nousee vuotuinen sähköntuotanto 0,1 %, pienenevät lämpöhäviöt 0,88 % ja pumppausenergian kulutus 7,7 %. Menolämpötilaa laskemalla vaikutukseksi saatiin 0,4 % lisää sähköä ja 0,79 % pienemmät lämpöhäviöt. Työssä käytetyillä sähkön hinnalla 92 mk/MWh ja lämmön hinnalla 61 mk/MWh saatiin tulokseksi, että alentamalla paluulämpötilaa asteella on kokonaishyöty noin 68 700 mk vuodessa ja menolämpötilaa alentamalla 71 500 mk. Asiakkaiden lämmönjakojärjestelmät aikaansaavat jäähdytyksen. Ongelmana on, etteivät nykyiset yleisesti käytössä olevat kaukolämpötariffit ohjaa asiakkaita riittävästi hyvään jäähdytykseen. Asiakkaan jäähdytysmotivaation parantamiseksi tulisi kehittää tariffijärjestelmä, joka selkeästi palkitsisi hyvästä jäähdytyksestä. Työssä selvitettiin asiakaskyselyllä asiakkaiden näkemyksiä nykyisestä kaukolämpötariffista ja mielenkiintoa uusiin tariffivaihtoehtoihin. Kyselyn perustella asiakkaat olisivat motivoituneita jäähdytyksen parantamiseen, jos lämmityskustannusten alennus olisi vähintään 10 %. Meno- ja paluulämpötilan alentamisen taloudellisia hyötyjä asiakasta kohti selvitettiin esimerkkitapauksella. Vertaamalla asiakkaan aikaansaamia taloudellisia hyötyjä hänen lämmityskustannuksiinsa, selvitettiin kuinka suuri alennusprosentti jäähdytyksestä palkitsevassa tariffissa voitaisiin tarjota. Työssä käytetyillä energian hinnoilla ja lämpötilojen alentamistapauksilla asiakkaalle voitaisiin tarjota jäähdytyksestä palkitsevassa tariffissa 1-2 % alennus lämmityskustannuksista.

A Bayesian Approach for Forecasting Heat Load in a District Heating System

The growing population in cities increases the energy demand and affects the environment by increasing carbon emissions. Information and communications technology solutions which enable energy optimization are needed to address this growing energy demand in cities and to reduce carbon emissions. District heating systems optimize the energy production by reusing waste energy with combined heat and power plants. Forecasting the heat load demand in residential buildings assists in optimizing energy production and consumption in a district heating system. However, the presence of a large number of factors such as weather forecast, district heating operational parameters and user behavioural parameters, make heat load forecasting a challenging task. This thesis proposes a probabilistic machine learning model using a Naive Bayes classifier, to forecast the hourly heat load demand for three residential buildings in the city of Skellefteå, Sweden over a period of winter and spring seasons. The district heating data collected from the sensors equipped at the residential buildings in Skellefteå, is utilized to build the Bayesian network to forecast the heat load demand for horizons of 1, 2, 3, 6 and 24 hours. The proposed model is validated by using four cases to study the influence of various parameters on the heat load forecast by carrying out trace driven analysis in Weka and GeNIe. Results show that current heat load consumption and outdoor temperature forecast are the two parameters with most influence on the heat load forecast. The proposed model achieves average accuracies of 81.23 % and 76.74 % for a forecast horizon of 1 hour in the three buildings for winter and spring seasons respectively. The model also achieves an average accuracy of 77.97 % for three buildings across both seasons for the forecast horizon of 1 hour by utilizing only 10 % of the training data. The results indicate that even a simple model like Naive Bayes classifier can forecast the heat load demand by utilizing less training data.

Developing asset management in district heating and cooling business in a large energy company

The purpose of this Master´s Thesis is to develop asset management and its practices in case company. District heating and cooling systems operated by case company around Finland, Sweden, Poland and the Baltics form an enormous-sized asset base where some parts are starting to reach their end of life-cycles. Large-sized asset renewal actions are under discussion and maintenance spending is increasing. Financially justified decisions in changing business environment are needed. Asset management is one of the most important concepts for production organization which operates with capital-intensive production assets. Organizations profitability is highly dependent on assets´ performance. Such assets, like district heating and cooling systems, should be utilized as efficiently as possible within their life-cycles but also maintained and renewed optimally. In this qualitative thesis, empirical interview study was conducted to describe the current situation on how the assets are managed in the case company and to examine the readiness to implement a new, risk-based solution. Asset management revealed to be a very well-known concept. From proposed risk-based asset management point of view, several key observations were made. It was seen as a suitable solution, but further development will be needed. Based on the need and findings, several key processes and frameworks were created and also tested with a case study. Assets` condition monitoring should be improved, which would have a positive impact on event probability assessment. Risk acceptance is also a thing to be discussed further. When the evaluation becomes fluent in single investment cases, portfolio-level expansion should be considered and started. As a result, thesis proposes a solution how risk-based asset management could be performed practically in a capital-intensive case company in order to optimize the maintenance spending in a long run. Created practical framework is made universal: similar principles can be applied into multiple cases in case company but also in other energy companies. Risk-based asset management`s benefits could be utilized best in portfolio-level optimization where the capital would be invested to the most important objects from total risk point of view. Eventually, such approach would allow case company to optimize capital spending in a situation where funds are not adequate to cover all the mandatory needs and prioritization between the investment alternatives will truly be needed.

Kaukolämmöntuotannon ja verkon käytön optimointi uudessa ajotilanteessa

Diplomityössä kehitetään Savonlinnan kaupungin kaukolämmöntuotantoa ja kaukolämpöverkon käyttöä muuttuneessa ajotilanteessa. Muuttunut tilanne syntyy, kun Savonlinnaan rakennetaan uusi lämmitysvoimalaitos. Kaukolämpöverkkoa yhdistetään samanaikaisesti viidestä erillisestä verkosta yhdeksi kokonaiseksi verkoksi. Kaukolämmöntuotannon ja verkon käytön optimointi suoritettiin Process Vision Oy: n kehittämällä kaukolämpöverkon laskentaohjelmalla. Optimoinnissa pyrittiin saamaan mahdollisimman aikaisin taloudellisin laitos eli uusi hakelaitos täyteen tehoon ja tarvittava lisäteho otettiin öljylämpökeskuksista. Hakelaitoksen käytettävyyttä lisättiin rakentamalla kaukolämpöverkkoon välipumppaamo ja kaukolämpöveden apujäähdytin. Hakelaitosta voidaan käyttää 0°C ulkolämpötilaan asti, mutta kun käytetään apuna välipumppausta voidaan pumppauksellisesti pelkästään hakelaitokselta syöttää tehoa aina 14 °C lämpötilaan asti. Välipumppauksen avulla vuosittain vähennetään öljyn ja lisätään hakkeen polttoa n. 10,4 GWh. Nykyisillä öljyn ja hakkeen hinnoilla säästö vuodessa on n. 887000 mk. Välipumppauksella vähennetään lisäksi kaukolämpöverkon pumppauskustannuksia.

Kaukolämpöakun kannattavuus teollisuuden ja yhdyskunnan energian yhteistuotannossa

Työn tavoitteena oli selvittää UPM-Kymmenen Rauman voimalaitokselle soveltuvan kaukolämpöakun prosessikytkentä, optimaalinen koko ja investoinnin kannattavuus. Lisäksi ratkaistiin funktio, jolla voidaan määrittää optimaalinen kaukolämpöakun koko kaukolämpöverkon koon perusteella. Teoriaosassa käsiteltiin investointien ja lämmön varastoinnin perusteita käyttämällä hyväksi kirjallisuutta. Soveltavassa osassa tietoa kerättiin kirjallisuuden lisäksi asiantuntijoiden haastatteluilla. Teorian ja kannattavuuslaskelmien perusteella toteutettavaksi ratkaisuksi valittiin suorakytkentäinen paineistettu kaukolämpöakku. Valitun akun purkaus- ja latustehoiksi saatiin 40 MW, akun tilavuudeksi 1 700 m³, korkeudeksi 33 m ja halkaisijaksi 8 m. Investonnin sisäinen korko on 16,6 prosenttia. Kannattavuuslaskelmien ja herkkyystarkastelun perusteella investointi on kannattava. Kaukolämpöverkkoon rakennattavan akun optimaalinen koko voidaan määrittää funktiolla: y = -0,0102x² +9,6605x +68,395 , jossa y on akun tilavuus ja x verkon kaukolämpöenergian vuosittainen kulutus.

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.

Adsorptiojäähdyttimen käytön kannattavuus kaukolämpöjärjestelmässä

Vantaa Energy has decided to find out the district cooling business opportunities in Vantaa. One reason for starting up the cooling business is Vantaa Energy's waste-to-energy power plant which is under construction. In the future, especially in the summer time there is an oversupply of district heating because of the new power plant. The cooling using the district heat could be one way to increase the consumption of district heat in the summer. This thesis examines the use of adsorption cooling profitability. Adsorption refrigerator is a machine which uses heat as the driving energy. At Vantaa Energy's case, district heat produced at cogeneration plants would be used. The literature section of this thesis includes descriptions of district cooling, building cooling demand, as well as different ways to produce cooling energy. A tool for profitability calculations was made. It shows the payback period, internal rate of return and net present value of different projects. Based on the calculations adsorption refrigeration is not profitable. This is primarily due to the high price of the adsorption refrigerator. Payback periods become long even when the used heat energy is free. In addition, the lack of availability of the refrigerators and operating experience could become a partial barrier to the use of technology even if the investment would become profitable.

Developing the Product Return Process of a Service Center With Lean Methods

Today lean-philosophy has gathered a lot of popularity and interest in many industries. This customer-oriented philosophy helps to understand customer’s value creation which can be used to improve efficiency. A comprehensive study of lean and lean-methods in service industry were created in this research. In theoretical part lean-philosophy is studied in different levels which will help to understand its diversity. To support lean, this research also presents basic concepts of process management. Lastly theoretical part presents a development model to support process development in systematical way. The empirical part of the study was performed by performing experimental measurements during the service center’s product return process and by analyzing this data. Measurements were used to map out factors that have a negative influence on the process flow. Several development propositions were discussed to remove these factors. Problems mainly occur due to challenges in controlling customers and due to the lack of responsibility and continuous improvement on operational level. Development propositions concern such factors as change in service center’s physical environment, standardization of work tasks and training. These factors will remove waste in the product return process and support the idea of continuous improvement.

Kaukolämpöverkon käytön optimointi

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää mahdollisuuksia Kotkan Energia Oy:n kaukolämpöverkon ja aivan erityisesti sen käytön kehittämiseen. Kaukolämmön optimaalinen toimittaminen on tasapainoilua kaukolämpöveden virtausten ja lämpötilojen välillä. Kaukolämpöverkon käyttöä voidaan parantaa laskemalla syötettävän kaukolämpöveden menolämpötilaa muu tuotanto ja asiakkaiden tarpeet huomioiden. Lämpötiloja laskiessa verkon oikein ajoitettu varaaminen muuttuu entistä tärkeämmäksi tekijäksi, koska sen avulla voidaan vähentää varatehon käyttöä. Alhaisempi menolämpötila laskee kaukolämpöverkon lämpöhäviöitä, mutta lisää kaukolämpöveden virtausta kuluttajien tehontarpeen pysyessä vakiona. Välipumppauksen käyttö sekä matalammat paine-erot laskevat pumppaushäviöitä, mutta työssä tehtyjen havaintojen perusteella selvästi suurin vaikutus kustannuksiin on lämpöhäviöillä. Laitoskäytöstä vastaavat operaattorit ohjaavat myös kaukolämpöverkon käyttöä, mikä tekee heidän toiminnastaan kriittisen tärkeää kaukolämpöverkon käytön optimoinnin kannalta. Kaukolämpöakku havaittiin myös kannattavaksi investoinniksi, joka samalla vähentäisi tuotannon riippuvuutta operaattorien päätöksistä.