Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa

Tämä työ on osa Integrated Serial and Parallel Hybrid Drives in Working Machines projektia. Työssä simuloidaan ja lasketaan energian palautuspotentiaalia raskaassa liikkuvassa työkoneessa. Työn alussa aihetta käsitellään yleisesti kirjallisuuskatsauksen muodossa. Tukkikurottaja valittiin simulointien ja laskennan kohteeksi. Työssä suoritettiin alustavat simuloinnit, joiden tarkoituksena oli varmistua, että palautettavaa energiaa on olemassa. Tulokset osoittavat, että energian palauttaminen on mahdollista. Mittaukset ovat osa työtä. Mitatut muuttujat ovat paineet ja pituudet hydraulisylintereistä, rungon kiihtyvyys, sekä kaikki CAN-väylään kytkettyjen antureiden mittaustiedot. Lopulliset simuloinnit perustuvat mitattuihin työkiertoihin. Työsylintereiden ja ajovoimansiirron tehotarpeet valittiin simulointien tarkasteltaviksi mittaussuureiksi. Mahdollinen palautettavan energian määrä eri työkierroissa on työn lopputulos. Tulokset osoittavat, että palautettavan energian määrä on talteenoton kannalta riittävä.

Sähköavusteisen polkupyörän energian talteenotto lineaarigeneraattorilla

Sähköavusteisten polkupyörien määrä on kasvussa. Kasvua hidastavana tekijänä voidaan pitää niiden keskimäärin yli 1000 euron hintaa, josta suurin osa johtuu akustosta. Tämän työn tarkoituksena on selvittää lineaarigeneraattorin hyödynnettävyyttä sähköavusteisissa polkupyörissä. Lisäksi työssä kuvataan vaiheittain prototyypin suunnittelu ja rakentaminen. Mikäli lineaarigeneraattori-avusteisella sähköpolkupyörällä saavutetaan huomattava pidennys toimintamatkaan, voidaan pyörät varustaa halvemmilla ja kapasiteetiltään pienemmillä akuilla. Lineaarigeneraattorin hankintaa kannustaisi se, että se maksaisi vähemmän kuin vaihto suurempikapasiteettiseen akustoon.

Hybridikäytön mitoitus liikkuvan työkoneen energian talteenottojärjestelmäksi

Työssä tarkastellaan sähköisiä energian talteenottomahdollisuuksia liikkuvissa työkoneissa. Työssä esitetään kolme erityyppistä liikkuvaan työkoneeseen soveltuvaa sähköisen energian talteenottojärjestelmää sekä mitoitetaan hybridikäyttö kahdelle erityyppiselle työkonesovellukselle kuormituskäyrien perusteella. Lisäksi työssä lasketaan hybridijärjestelmää käyttämällä saavutettava energiansäästö nykyiseen käyttöön verrattuna.

Litiumin talteenotto luonnon suola-altaista ionisilla nesteillä

Uusiutuvan energian käytön lisääntyminen lisää sähkön varastoinnin tarvetta. Litiumioniakku-jen on todettu olevan oivallisia keinoja varastoida sähköä esimerkiksi sähköautojen energian-lähteeksi. Tästä syystä akkujen kysyntä kasvaa nopeaa tahtia, jolloin nykyiset litiumlähteet ei-vät enää riitä tuottamaan tarpeeksi litiumia kasvavaan tarpeeseen. Tämän vuoksi litiumin tal-teenottoon tulee valjastaa uusia litiumin lähteitä, joiden hyödynnettävyys nykyisellä tekniikalla on pienen litiumkonsentraation ja muiden alkali- ja maa-alkalimetallien läsnäolon takia vaikeaa. Tällä hetkellä litiumia otetaan talteen eniten korkean litiumpitoisuuden luonnon suolajärvistä. Nykyisin käytössä oleva litiumin erotusprosessi on hidas ja sen käyttö pienten litiumkonsent-raatioiden suola-altailla on kannattamatonta. Tehokkaampana talteenottomenetelmänä luonnon suolajärvillä nähdään litiumin selektiivinen uutto ionisilla nesteillä. Menetelmä on todettu toi-mivaksi suolajärvillä, joilla on matala litiumkonsentraatio. Uusien suolajärvien käyttöönotto ei ratkaise kaikkia litiumin talteenottoon liittyviä ongelmia, sillä suolajärvet ovat alttiita ilmastonmuutokselle, eikä niiden litiumvarannot ole ehtymättömät. Merien litiumvarantoja sen sijaan pidetään lähes ehtymättöminä. Litiumin talteenotto meristä on mahdollista ionisia nesteitä ja membraaneja hyödyntävällä elektrodialyysilaitteistolla, jolla litiumia voidaan ottaa talteen myös hyvin pienistä pitoisuuksista. Lisäksi on mahdollista, että litiumin talteenottoon yhdistetään juomaveden valmistus. Tällainen vedenpuhdistusprosessi olisi myös hyvä kestävän kehityksen näkökulmasta.

Hiilidioksidipäästöjen talteenotto-, varastointi- ja hyötykäyttömenetelmät

Tässä opinnäytetyössä oli tavoitteena selvittää hiilidioksidipäästöjen vähentämiskeinoja, niiden talteenottoa, varastointia sekä erilaisia hyötykäyttömenetelmiä. Hiilidioksidin talteenottomenetelmät voimalaitoksista jaettiin kolmeen pääryhmään: polttoa ennen tapahtuva talteenotto, rikastettu happipolttomenetelmä ja jälkipolttotalteenotto. Talteenottomenetelmät jaettiin vielä prosessien ohella kemialliseen ja fysikaaliseen absorptiomenetelmään, adsorptiomenetelmään, kryogeeniseen menetelmään, membraanimenetelmään sekä muihin menetelmiin. Kuljetusmenetelmistä tärkeimmiksi muodostuivat putkistokuljetus sekä kuljetus meriteitse joustavuutensa ja taloudellisuutensa vuoksi. Tärkeimpiä hiilidioksidin varastointimenetelmiä ovat geologinen ja merenalainen varastointi. Geologinen varastointi sisältää hiilidioksidin varastointia käytöstä poistettuihin hiilikenttiin, akvifereihin, syviin suolakerrostumiin ja louhintaan sopimattomiin hiilikenttiin. Merenalainen varastointimenetelmä on lähinnä vasta kehitys- ja testausvaiheessa. Hiilidioksidin hyötykäyttömenetelmistä tärkeimpiä ovat parannettu öljyn pumppaus ja metaanin talteenotto hiilidioksidin avulla. Muita käyttökohteita on elintarviketeollisuus. Matalampiin hiilidioksidipäästöihin päästään suosimalla energiantuotannossa uusiutuvia energianlähteitä ja ydinvoimaa sekä lisäämällä joukkoliikenteen käyttöä.

Oulun Energian kaukolämpöverkoston ja -tuotannon kehitys vuosina 2006 - 2020

Tässä diplomityössä on tarkasteltu Oulun Energian kaukolämpötoiminnan kehitystä lähitulevaisuudessa. Työn yhteydessä selvitettiin nykyisessä tilanteessa mitoituslämpötilaa -32 oC vastaava tehotilastollisen analyysin avulla ja laadittiin kasvuennuste kaukolämmityksen tehontarpeesta seuraavalle viidelletoista vuodelle. Kasvuennusteen perusteella on tehty tarkastelu kaukolämmön varatehon riittävyydestä. Verkoston tehonsiirtokykyä nykyisissä ja tulevaisuuden kuormitustilanteissa on tarkasteltu Process VisioninGrades Heating -verkostolaskentaohjelmiston avulla. Tarkastelun perusteella kaukolämpöverkoston siirtokyky on kohtalaisen hyvä. Verkoston ongelmakohtia ovat länsi-itäsuunnassa olevat siirtolinjat. Varatehon määrä tulee laskemaan lähivuosina alle suositeltavan määrän, mikäli uutta lämmöntuotantokapasiteettia ei rakenneta. Alkuvaiheessa paras ratkaisu tilanteen korjaamiseksi olisi uusien lämpökeskusten rakentaminen sekä kaupungin etelä- että itä-osiin. 2010-luvulla tarve uuden voimalaitoksen rakentamiselle kaukolämpötehon tarpeen kattamiseksi tulee kasvamaan.

Teräsvalimon energia-analyysi

Teräksen valuprosessi kuluttaa runsaasti energiaa ja tuottaa merkittävästi lämpöä. Ylimääräinen lämpö on poistettava tuotantotiloista, sillä se sisältää yleensä myös paljon hiukkasia ja muita epäpuhtauksia. Lämmön talteenottaminen vähentää teräsvalimon energiankulutusta, mutta sen toteuttaminen ei ole ongelmatonta. Energia-analyysi selvittää yrityksen energian käytön ja tuotannon kehityksen sekä nykytilan. Analyysi pyrkii selvittämään kohteet, joissa energiaakuluu ja joissa sitä syntyy eniten. Tämä opinnäytetyö on sovellettu teollisuuden energia-analyysi, joka sisältää ehdotuksia energian käytöntehostamismahdollisuuksista ja säästömahdollisuuksista. Ehdotuksissa esitelläänviisi tärkeimmäksi katsottua ja kahdeksan muuta energiansäästökohdetta. Näiden lisäksi on annettu seitsemän ehdotusta muista tuotantoa ja energiansäästöä tukevista toimenpiteistä.

Hämeenlinnan Energian kaukolämpö- ja maakaasuverkoston suunnittelu- ja kunnossapitoympäristön kehittäminen tietojärjestelmien avulla

Diplomityössä selvitetään Hämeenlinnan Energian kaukolämpö- ja maakaasuverkoston suunnitteluun ja kunnossapitoon liittyvien tietojärjestelmien kehitysmahdollisuuksia. Käydään läpi olemassa olevat järjestelmät ja todetaan olevan tarpeen uudistaa verkostolaskenta- ja kunnossapito-ohjelmia. Mahdolliseksi uudeksi verkostolaskentaohjelmaksi rajataan Komartekin Flowra 32 tai Process Visionin lämpö Nexus. Kunnossapidon osalta Komartekin Lämpökunto tai Kunnondatan Visual Maint. Tehtyjen ohjelmavertailujen jälkeen työssä esitetään Hämeenlinnan Energian uudeksi verkostolaskentaohjelmaksi lämpö Nexus ja kunnossapito-ohjelmaksi Visual Maint. Ohjelmahankinnoille esitetään käyttöönottosuunnitelmat. Olemassa olevien tietojärjestelmien osalta esitetään vaihtoehtoja, joilla voidaan lisätä ohjelmista saatavaa hyötyä.

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.

Kuopion Energian keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma

Tämän työn tavoitteena oli laatia Kuopion Energian keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma. Kehittämissuunnitelmaa varten selvitettiin ensin verkon nykytila ja toimivuus korvaustilanteissa. Tämän jälkeen laadittiin vuoteen 2020 asti ulottuvat kuormitusennusteet. Nykytilan ja kuormitusennusteiden pohjalta selvitettiin toimenpiteet, joilla Kuopion Energian keskijänniteverkko selviää tulevaisuuden vaatimuksista. Kehittämissuunnitelmassa selvitettiin alueet, joilla kuormitettavuus, korvattavuus tai oikosulkukestoisuus muodostuisi tulevaisuudessa toimivan sähkönjakelun esteeksi. Työn painopistealueiksi muodostuivat Savilahden ja Petosen alueet. Työssä selvitettiin, kuinka Petosen alueen nopean kuormituksen kasvun aiheuttama lisätehontarve saadaan hoidettua. Vaihtoehtoisina ratkaisutapoina selvitettiin lisäkapasiteetin rakentamista Petosen aluetta nykyisin syöttävälle Leväsen sähköasemalle tai uuden sähköaseman rakentamista. Savilahden alueen kasvavan tehontarpeen tyydyttämiseksi selvitettiin lisätehon saneeraamista Savilahden sähköasemalle tai vastaavasti uuden sähköaseman rakentamista Iloharjun kytkinasemalle.

TMP- laitoksen mallinnus ja simulointi

Diplomityössä tehtiin Balas- simulointimalli Stora Enso Publication Papers Oy Ltd Varkauden tehtaiden kuumahierrelaitoksesta, johon sovitettiin tehtaan lämpö-, kuitu- ja kiertovesivirtaukset sekä kiertovesissä olevien liuenneiden ja kolloidisten aineiden virtaukset. Kirjallisuusosassa perehdyttiin simulaattorimallin luontiin ja käyttötarkoituksiin. Siinä käsitellään Balas- simulaattorin ominaisuuksia ja laiteparametrointia. Tarkastellaan kuumahierreprosessin eri vaiheita, olosuhteita ja laitteiden toimintaa. Perehdytään prosessin energian kulutukseen ja talteenottoon sekä kiertovesien liuenneiden ja kolloidisten aineiden mittaussuureisiin ja vaikutuksiin prosessissa. Simulaattorimallin tekemiseen kuului tehtaan virtauskaavion ja simulaattorimallin tekeminen, mittauskoesuunnittelu, tehdasmittaukset, simulaattorin parametrointi, mittaus- ja simulaattoritulosten yhteensovittaminen sekä mallin kelpoistaminen. Tehtaan virtauskaavion piirtämisessä käytettiin apuna tehtaan prosessi- ja instrumentointikaavioita, joiden pohjalta mittauskoesuunnitelma ja simulaattorimalli tehtiin. Koesuunnitelman mittaussuureiksi valittiin virtaukset, sakeudet, lämpötilat sekä kiertovesien kiintoaineen-, kokonaisorgaanisen hiilen- ja liuenneen orgaanisen aineen pitoisuuksien määritykset. Mittauksilla saatiin tietoja prosessivirtausten taseista, joita käytettiin simulaattorimallin keskeisempien laiteparametriarvojen määrityksessä. Exceliä hyödynnettiin mittaus- ja simulaattoritulosten taulukoinnissa, laiteparametrien laskemisessa sekä arvojen syötössä ja vastaanotossa Excelin ja simulaattorin välillä. Sitä käytettiin myös graafisessa mittaus- ja simulaattoritulosten yhteensovittamisessa, jolla pystyttiin havainnollisesti näkemään eri syöttöparametrien muutoksien vaikutukset simulaattorin laskemissa virtaustuloksissa. Mallin antamien arvojen ja todellisten prosessimittausarvojen yhteensovittamisen ja mallista varmistumisen tuloksista voidaan todeta mallin korreloivan todellista prosessia melko hyvin.

Germaniumin talteenotto ioninvaihtohartseilla

Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa germaniumin talteenottoa happamista hydrometallurgisista sulfaattiliuoksista käyttäen kaupallisia ioninvaihtohartseja. Germaniumin talteenottoa tutkittiin sekä tasapaino- että kolonnikokein syöttöliuoksista joiden pH oli alueella 0,8–3,0. Tutkituista hartseista parhaiten germanium voitiin erottaa käyttäen emäsmuotoista N-metyyli-D-glukamiini-tyyppistä ioninvaihtohartsia (esim. Rohm & Haasin IRA-743). Germaniumille määritettiin adsorptioisotermit tasapainokokein sekä emäs- että happomuotoisilla hartseilla. Adsorptioisotermien perusteella parhaiten germa-niumia adsorboi emäsmuotoinen IRA-743-hartsi kun liuoksen alku-pH oli tutkitun alueen korkein. Lämpötilassa 25 °C kapasiteetti oli 114 mg Ge/g. Tasapainokokein määritettiin emäsmuotoisilla hartseilla germaniumin lisäksi myös kuparia ja kobolttia sisältävillä liuoksilla Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co. Havaittiin, että IRA-743:lla alku-pH:ssa 3,0 Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co olivat selvästi suuremmat kuin muilla tutkituilla hartseilla. Arseenin, nikkelin, sinkin ja rauta(III):n adsorboitumista emäsmuotoiseen IRA-743:een tutkittiin monimetallisella liuoksella syöttöliuoksen pH:n ollessa alueella 1,4–3,6. Kokeissa havaittiin, että hartsi adsorboi hieman Ni:a ja Zn:a tasapaino-pH:n ollessa yli 5,5. Arseenia ei tutkitulla pH-alueella havaittu adsorboituvan. Lisäksi huomattiin, että rauta alkaa saostua pH:n ollessa hieman alle kolme. Kolonnikokeissa havaittiin, että emäsmuotoinen IRA-743-hartsi toimii hyvin germaniumin talteenotossa myös kolonnissa. Pelkästään germaniumia ja kobolttia sisältäneellä liuoksella hartsin dynaamiseksi kapasiteetiksi saatiin 54 mg Ge/g. Germaniumin eluointi IRA-743:sta onnistui parhaiten 0,5 M H2SO4:lla. Kolonnikokeita IRA-743:lla ajettiin myös monimetallisilla liuoksilla, mutta silloin havaittiin hartsin kapasiteetin pienenevän hartsin myrkyttymisen takia.

Power Consumption in Carbon Capture and Storage Systems (CCS) and Possibilities to Reduce Power Consumption with Variable Speed Drives

The aim of this master´s thesis is to study which processes increase the auxiliary power consumption in carbon capture and storage processes and if it is possible to reduce the auxiliary power consumption with variable speed drives. Also the cost of carbon capture and storage is studied. Data about auxiliary power consumption in carbon capture is gathered from various studies and estimates made by various research centres. Based on these studies a view is presented how the power auxiliary power consumption is divided between different processes in carbon capture processes. In a literary study, the operation of three basic carbon capture systems is described. Also different methods to transport carbon dioxide and carbon dioxide storage options are described in this section. At the end of the thesis processes that consume most of the auxiliary power are defined and possibilities to reduce the auxiliary power consumption are evaluated. Cost of carbon capture, transport and storage are also evaluated at this point and in the case that the carbon capture and storage systems are fully deployed. According to the results, it can be estimated what are the processes are where variable speed drives can be used and what kind of cost and power consumption reduction could be achieved. Results also show how large a project carbon capture and storage is if it is fully deployed.

Metallien talteenotto kloridiliuoksesta

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmä arvometallien kuten kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin talteenottoon metallikloridiliuoksesta. Tavoitteena oli valita taloudellisin ja ympäristöystävällisin menetelmä, jolla saadaan nämä arvometallit myyntituotteiksi. Lisäksi puhdistetun prosessiveden tuli täyttää asetetut tavoitteet. Kirjallisuustyön perusteella laskettiin viidelle eri prosessivaihtoehdolle ainetaseet HSC Sim 6.0 ohjelmalla, joka on HSC Chemistry-pohjainen prosessien simulointi- ja mallinnusohjelma. Kaikissa vaihtoehdoissa oli ensimmäisenä prosessiosana kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin sulfidisaostus ja sakan pesu. Sulfidisaostusta seurasi vaihtoehtoisesti joko 1) hapetus hapella ja hydroksidisaostus, 2) hapetus vetyperoksidilla ja hydroksidisaostus, 3) pelkkä hydroksidisaostus, 4) hapetus SO2/O2-kaasuseoksella ja hydroksidisaostus tai 5) karbonaattisaostus. Taselaskennan perusteella valittiin kokeelliseen osaan tutkittavat prosessivaihtoehdot, jotka olivat sulfidisaostus, hydroksidisaostus, SO2/O2- hapetus ja hydroksidisaostus sekä karbonaattisaostus. Kokeissa arvometallit saatiin talteenotettua sulfidisaostuksella selektiivisimmin lämpötilassa 55 °C ja pH:ssa 4. Näissä olosuhteissa reagenssin kulutus verrattaessa muihin tehtyihin sulfidisaostuksiin oli pienin. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Loppusakan sisältämien metallien (kupari, sinkki ja koboltti) pitoisuudet olivat korkeimmat. Myös nikkelin määrä oli suuri. Mangaani ja rauta saatiin talteenotettua selektiivisimmin karbonaattisaostuksella lämpötilassa 65 °C. Sakka sisälsi eniten mangaania. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Tällä menetelmällä puhdistetun prosessiveden laatu täytti asetetut tavoitteet.