Waste-to-Energy Scenarios in the China Context

Waste incineration plants are increasingly established in China. A low heating value and high moisture content, due to a large proportion of biowaste in the municipal solid waste (MSW), can be regarded as typical characteristics of Chinese MSW. Two incineration technologies have been mainly established in China: stoker grate and circular fluidized bed (CFB). Both of them are designed to incinerate mixed MSW. However, there have been difficulties to reach the sufficient temperature in the combustion process due to the low heating value of the MSW. That is contributed to the usage of an auxiliary fossil fuel, which is often used during the whole incineration process. The objective of this study was to design alternative Waste-to-energy (WTE) scenarios for existing WTE plants with the aim to improve the material and energy efficiency as well as the feasibility of the plants. Moreover, the aim of this thesis was to find the key factors that affect to the feasibility of the scenarios. Five different WTE plants were selected as study targets. The necessary data for calculation was gained from literature as well as received from the operators of the target WTE plants. The created scenarios were based on mechanical-biological treatment (MBT) technologies, in which the produced solid recovered fuel (SRF) was fed as an auxiliary fuel into a WTE plant replacing the fossil fuel. The mechanically separated biowaste was treated either in an anaerobic digestion (AD) plant, a biodrying plant, a thermal drying plant, or a combined AD plant + thermal drying plant. An interactive excel spreadsheet based computation tool was designed to estimate the viability of the scenarios in different WTE cases. The key figures of the improved material and energy efficiency, such as additional electricity generated and avoided waste for landfill, were got as results. Furthermore, economic indicators such as annual profits (or costs), payback period, and internal rate of return (IRR) were gained as results. The results show that the AD scenario was the most profitable in most of the cases. The current heating value of MSW and the tipping fee for the received MSW appeared as the most important factor in terms of feasibility.

Soodakattilalaitosten energiantuotannon lisääminen

The aim of this thesis is to study different methods to increase the energy production of recovery boilers. This improvement is encouraged by the current energy policy and the rapid rise in energy prices, especially in electricity. In addition, the energy efficiency of the power plants is intended to be improved. There are several methods to increase the energy production. The methods taken into more accurate study are lower pressure steam for soot blowing and flue gas coolers. Energy balances are made for these two cases to check a plausible addition of power generation of turbo-generator of the steam turbine. Also, the viability issues are studied. Solvo Power Plant Simulation program is used for the energy balance research. Two case power plants are simulated to solve the balances. To solve the addition of power generation with the flue gas coolers, basic balance calculation is performed. The viabilities are also taken into account, especially the payback times of these alternatives. On the basis of the results, installing the system to the process is viable in both cases. By installing the lowest possible pressure steam system for the soot blowing, the advantages are the most significant. The investment costs are the highest but the payback time is less than 1,5 years and the profit in the next 20 years is the greatest. In the case of flue gas coolers, the results did not entirely agree with past studies. Nevertheless, installing the flue gas coolers into the process also seems to be significant and profitable.

Verkostoinvestointien optimointi uuden sähkömarkkinalain ympäristössä

Vuonna 2013 uudistunut sähkömarkkinalaki toi sähköverkkoyhtiöille velvoitteen parantaa sähkönjakeluverkkojensa toimintavarmuutta suurhäiriötilanteissa. Toimenpiteet tämän velvoitteen täyttämiseksi näkyvät merkittävinä verkostoinvestointeina. Diplomityössä tarkastellaan uudistuneen sähkömarkkinalain tuomia vaikutuksia Imatran Seudun Sähkön jakeluverkkoa koskeviin verkostoinvestointeihin. Päätavoitteena on selvittää, millaisia toimenpiteitä uuden sähköntoimitusvarmuustason vaatimusten täyttämiseksi tarvitaan ja mitkä ovat optimaaliset ratkaisut näiden toimenpiteiden toteuttamiseksi. Uudella sähköntoimitusvarmuustasolla on vaikutusta jakeluverkon rakennemuutoksiin tulevien 15 vuoden aikana, mutta näiden rakennemuutosten vaikutukset kantavat useiden kymmenien vuosien päähän.

Energiaverotus Ruotsissa ja vertailu Suomeen

Tässä kandidaatintyössä käsitellään Ruotsin energiaverotuksen rakennetta sekä verotustasoja. Tarkasteltavia osa-alueita ovat sähkön tuotannon ja kulutuksen verotus, polttoaineverotus, yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon verotus sekä liikenteen verotus. Lisäksi työssä käsitellään lyhyesti myös Euroopan unionin tavoitteita ja Suomen energiaverotusta. Lopuksi vertaillaan Ruotsin ja Suomen välisiä verotuseroja.

Puubiomassan kaasutukseen perustuva hajautettu energiantuotanto

Kandidaatintyön tarkoituksena oli perehtyä puubiomassan kaasutukseen perustuvaan hajautettuun energiantuotantoon. Työssä tarkasteltiin erilaisia kaasutustekniikoita sekä pohdittiin pientuotannon kannattavuutta ja kaasutusalan kehitysnäkymiä kirjallisuusmateriaalin avulla. Työssä selvisi, että paras tämän hetken pienkaasutusvoimalasovellus koostuu myötävirtakaasuttimesta ja lisäksi joko polttomoottorista tai mikroturbiinista. Kaasutusvoimalan suurin etu hajautetussa energiantuotannossa on omavarainen sähkön- ja lämmöntuotanto. Lisäksi kirjallisuuden mukaan sähköntuotantohyötysuhde on parempi kaasutukseen perustuvassa sähköntuotannossa kuin suoraan polttoon perustuvassa sähköntuotannossa. Ongelmana kaasutuksessa ovat tuotekaasun epäpuhtaudet, etenkin terva ja tuhka, jotka likaavat ja vioittavat kaasuttimen ja sähköntuotantoyksikön osia. Alle 100 kWe:n laitoksissa tuotekaasun puhdistusyksikön investointikustannukset ovat merkittävä osa kokonaisinvestointia. Suomen markkinoillakin on jo saatavilla muutamia kaasutusvoimaloita esimerkiksi maatalouden käyttöön. Kiinnostusta kaasutusalalle on runsaasti ja kaasutusteknologiaa pyritään jatkuvasti kehittämään pilottihankkeiden avulla.

Fate of fuel-bound nitrogen and sulfur in biomass-fired Industrial boilers

Användning av biomassa som energikälla för produktion av el och värme är ett sätt att minska beroendet av fossila bränslen och höja självförsörjningen av energi. Fossila bränslen är den främsta källan till koldioxid utsläpp förorsakad av människan. Biomassa, å andra sidan, betraktas som en koldioxidneutral energikälla. Svavlet och kvävet i biomassan bildar dock föroreningar såsom kväveoxider (NOX) och svaveldioxid (SO2), som bidrar till försurning av mark och sjöar. Svavlet i bränslet kan även både förorsaka och förhindra korrosion i en förbränningsanläggning, beroende på förbränningen och bränslet. Huvudsyftet med detta arbete var att få en bättre förståelse om hur utsläppen av NOX och SO2 bildas från bränslebundet kväve och svavel vid förbränning av olika biobränslen. Mätkampanjer i fullskaliga förbränningsanläggningar utfördes, där gassammansättningen mättes i eldstaden och rökgasen. Förståelsen om gaskemin i eldstaden är viktig, för att möjliggöra utvecklandet av renare och effektivare förbränningsanläggningar. Ett annat syfte med arbetet var att klargöra om sulfatering av askkomponenter vid förbränning av biobränslen med olika askegenskaper. Alkaliklorider som bildas vid biomassaförbränning kan orsaka korrosion av värmeöverföringsytor. Svavlet i bränslet visade sig ha en viktig roll i att sulfatera alkaliklorider till mindre korrosiva alkalisulfater. Närvaron av gasformig svavelsyra i rökgaskanalen av förbränningsanläggningar studerades även. Kondensering av svavelsyra leder till korrosion av rökgaskanalen och dess delar. Om svavelsyrakoncentrationen i rökgasen är känd, kan daggpunktstemperaturen beräknas och kondensering av svavelsyra förhindras. I arbetet utvecklades en mätmetod för att mäta låga koncentrationer av gasformig svavelsyra i rökgaser. Denna metod användes för att undersöka risken av lågtemperaturkorrosion orsakad av svavelsyra i förbränningsanläggningar. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Käyttämällä biomassaa energianlähteenä voidaan vähentää sähkön- ja lämmöntuotannon riippuvuutta fossiilisiin polttoaineisiin. Biomassan käytöllä voidaan myös lisätä energiantuotannon omavaraisuutta. Fossiiliset polttoaineet ovat pääasiallinen syy ihmisen aiheuttamiin hiilidioksidipäästöihin. Biomassa sen sijaan luetaan hiilidioksidineutraaleihin energianlähteisiin. Biopolttoaineiden käytössä tosin vapautuu typpi- ja rikkioksideja, jotka edesauttavat maaperän ja merien happamoitumista. Lisäksi biopolttoaineen rikki voi sekä vähentää että aiheuttaa laitteiden korroosiota energiantuotannossa riippuen biopolttoaineesta ja palamisesta. Tämän työn päätavoitteena oli selvittää mitä biopolttoaineeseen sitoutuneelle typelle ja rikille tapahtuu teollisissa polttolaitoksissa. Kyseisten oksidien muodostumista tutkittiin polttamalla eri biomassoja polttolaitoksissa. Tutkimukset toteutettiin mittauskampanjoilla useissa polttolaitoksissa. Kaasujen koostumusta mitattiin sekä tulipesässä, että savukaasuista. Kaasujen koostumus varsinkin tulipesässä on tärkeää, jotta tulevaisuudessa voidaan rakentaa puhtaampia ja tehokkaampia polttolaitoksia. Työn toisena tavoitteena oli selvittää biomassan polton yhteydessä tapahtuvaa tuhkan sulfatoitumista. Alkalikloridit, joita muodostuu biomassan poltossa, voivat aiheuttaa lämmönsiirtopintojen korroosiota. Rikki osoittautui tärkeäksi osaksi prosessia, jossa korroosiota aiheuttavat alkalikloridit sulfatoituivat vähemmän korrosoiviksi alkalisulfaateiksi. Myös kaasumaisen rikkihapon läsnäoloa savukaasuissa tutkittiin. On todettu, että kaasumuotoinen rikkihappo johtaa korroosioon savukaasukanavan kylmässä päässä ja sen eri osissa rikkihapon tiivistyessä lämpötilan laskiessa. Mikäli rikkihapon pitoisuus savukaasussa tiedetään, sen kastepiste voidaan laskea ja tiivistyminen estää. Tässä työssä kehitettiin mittausmenetelmä rikkihapon alhaisten pitoisuuksien mittaamiseen. Menetelmää hyödynnettiin polttolaitoksissa, joissa tutkittiin rikkihapon tiivistymisestä johtuvaa korroosiota.

Economical potential of controlling charging of electric vehicles by using price signal

The number of electric vehicles grows continuously and the implementation of charging electric vehicles is an important issue for the future. Increasing amount of electric vehicles can cause problems to distribution grid by increasing peak load. Currently charging of electric vehicles is uncontrolled, but as the amount of electric vehicles grows, smart charg-ing (controlled charging) will be one possible solution to handle this situation. In this thesis smart charging of electric vehicles is examined from electricity retailers` point of view. The purpose is to find out plausible saving potentials of smart charging, when it´s controlled by price signal. Saving potential is calculated by comparing costs of price signal controlled charging and uncontrolled charging.

Biovoimalaitoksen energiatehokkuuden parantaminen ja osakuorma-ajon optimointi

Energiatehokkuus on nykyaikana yksi tärkeimmistä energiataloudellisista tekijöistä voimalaitosten sähköntuotannossa. Varsinkin yhteistuotantolaitoksissa joissa sähkö on lämpöenergian lisänä saatava sivutuote, sähkön tuotannon optimointi voi merkitä laitostalouden ja yrityksen kannalta huomattavia lisätuloja tai -säästöjä. Kaukaan Voima Oy:n biovoimalaitos on vuonna 2009 kaupalliseen käyttöön valmistunut moderni yhteistuotantolaitos, joka sijaitsee Lappeenrannassa UPM Kaukas sellutehtaan tehdasalueella. Voimalaitos tuottaa kaukolämpöä ja sähköä Lappeenrannan kaupungille sekä prosessihöyryä ja sähköä UPM Kaukaan tehtaille. Tämän työn tavoitteena on tarkastella biovoimalaitoksen omakäyttösähkön kulutusta kuukausitasolla verrattuna laitoksella tuotettavan höyryn määrään sekä etsiä voimalaitokselta kohteita, joiden omakäyttösähkön kulutusta voidaan vähentää vaikuttamatta höyryntuotantoon ja näin parantaa laitoksen energiatehokkuutta ja hyötysuhdetta. Työ rajataan käsittelemään voimalaitoksen apulaitteiden ja -järjestelmien omakäyttösähkön kulutusta. Työssä tarkastellaan vuodenaikojen vaihtelun ja kaukolämmön sekä prosessihöyryn tarpeen muutoksen vaikutusta voimalaitoksen ajomalliin sekä höyryntuotannon ja omakäyttösähkön kulutuksen suhteisiin. Työssä esiin nousseiden kohteiden potentiaaliset sähköenergian säästöt ovat noin 2500 MWh vuodessa joka tarkoittaa keskimäärin 3,7 % vähennystä voimalaitoksen kuukausittaiseen omakäyttösähkön kulutukseen. Kohteet eivät käytännössä vaadi minkaanlaista investointirahaa, vaan uusia ajojärjestelyitä. Keskeisimmiksi säästökohteiksi valikoitui laitoksen pumppausjärjestelmien paineenalennukset.

Öljylämmityksen korvaaminen maalämmöllä pientaloissa

Tässä kandidaatintyössä käsitellään öljylämmityksen korvaamista maalämmöllä pientaloissa. Suomessa on noin 200 000 öljylämmitteistä pientaloa. Lämmitysenergioiden hinnat ovat nousseet viimeisen kymmenen vuoden aikana voimakkaasti, etenkin lämmityksessä käytettävän kevyen polttoöljyn hinta. Hintojen nousu ohjaa kuluttajia etsimään halvempia lämmitysratkaisuja. Maalämpöjärjestelmä on investointina kallis, noin 16 000 – 20 000 euroa. Valtio tukee lämmitysjärjestelmäinvestointia kotitalousvähennyksen muodossa, joka pienentää kokonaisinvestointia muutamalla tuhannella eurolla. Maalämpö edellyttää vesikiertoista lämmönjakoa. Öljylämmityksen tilalle on helppo asentaa maalämpö, koska öljylämmitystaloissa vesikierto on valmiina. Työssä käytetään esimerkkikohteena Lappeenrannan Joutsenossa sijaitsevaa omakotitaloa. Lähtötietoina käytetään tämän hetkisiä todellisia kulutuksia ja energian hintoja. Pyysin tätä työtä varten tarjouksia maalämpöjärjestelmiä myyvästä yrityksestä, joten investointilaskelmat tehdään todellisten hintatietojen mukaan. Öljylämmitysjärjestelmän vaihtaminen maalämpöön on kannattava investointi. Tarkastelujaksona käytettiin 15 vuotta. Öljyn ja sähkön hintojen noustessa yhtä paljon kuin viimeisen kymmenen vuoden aikana, investointi ehtii tuottaa 15 vuoden tarkastelujakson aikana voittoa yli 20 000 euroa. Maltillisemmilla hintakehitysarvioilla tuotto jää pienemmäksi mutta joka tapauksessa tarkastelujakson aikana investointi on kannattava.

Lämmöntuotanto älykkäässä energiaverkossa

Energiaverkon edistäminen tulee olemaan tulevaisuudessa suuressa roolissa niin Suomessa kuin maailmalla. Tällöin yhtenä vaihtoehtona on älykkyyden tuominen koko energiajärjestelmään niin sähkön kuin lämmönkin osalta. Tällöin voidaan vähentää kulutushuippujen aikaista energian käyttöä ja saada koko verkoston energiankulutus profiili tasaiseksi. Tässä työssä tarkastellaan spot-sähkön hyödyntämismahdollisuuksia lämmöntuotannossa. Työssä kehitetyn mallinnustyökalun avulla tutkittiin erilaisia ajotapoja ja erilaisten järjestelmien kokonaiskustannuksia. Työssä esitellään esimerkkilaskennan avulla spot-sähkön käytöstä syntyviä kustannuksia ja keinoja vaikuttaa niihin eri järjestelmä muutoksin. Malli mahdollistaa erilaisten järjestelmien ja niiden ajotapojen tutkimista. Mallilla voidaan myös tutkia erilaisten alueiden kulutuskäyttäytymistä ja hyödyntää sitä kustannuslaskelmiin. Voidaan todeta, että työssä muodostunut malli on toimiva ja sitä voidaan hyödyntää alueellisten lämmöntuotantojärjestelmien ajotapojen optimointiin.

Uusiutuvan energian käyttömahdollisuudet Liikuntakeskus Pajulahdessa

Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston, Liikuntakeskus Pajulahden ja Nastolan Energiasäätiön yhteisprojektina. Työn tarkoituksena on tutkia aurinkosähköjärjestelmien taloudellista kannattavuutta ostosähkön korvaamisessa Liikuntakeskus Pajulahden kiinteistössä. Työssä tehdään laskelmat aurinkopaneelien tuotoista, tuotetun sähkön hinnasta, investointien takaisinmaksuajoista sekä tuotetun aurinkosähkön synnyttämistä hiilidioksidipäästövähenemistä. Lisäksi tarkastellaan energiaveron vaikutusta pientuotantolaitoksen kannattavuuteen. Tämän hetkisillä aurinkosähköjärjestelmien hinnoilla pystytään tuottamaan puhdasta, ympäristöystävällistä sähköä kilpailukykyiseen hintaan. Työssä tehdään yleiskatsaus myös muiden uusiutuviin energialähteisiin perustuvien tuotantomenetelmien käyttömahdollisuuksista. Yhtenä erityistarkastelunkohteena on Pajulahden monitoimihalliin vuonna 2008 suunniteltu vesistöä lämmönlähteenä käyttävä lämpöpumppujärjestelmä, jonka toteutukseen ei saatu tarvittavia lupia. Tarkastelussa tutkitaan myös aiemmin Suomessa toteutettuja vastaavia hankkeita ja niiden lupien saantia. Lisäksi on haettu tosiasioihin perustuvia argumentteja keskusteluun vesistölämmön hyödyntämisestä. Tarkastelun kohteena oleva vesistölämpöhanke voidaan todeta olevan erittäin kannattava, taloudellisesti sekä ympäristöllisesti. Tutkimuksen pohjalta Nastolan Energiasäätiölle tuotetaan havainnollinen ja selkeä aineisto aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksista Nastolan kunnassa.

Achieving EU energy targets – Impacts of evolutionary and revolutionary transition paths on power systems

Ambitious energy targets set by EU put pressures to increase share of renewable electricity supply in this and next decades and therefore, some EU member countries have boosted increasing renewable energy generation capacity by implementing subsidy schemes on national level. In this study, two different change approaches to increase renewable energy supply and increase self-sufficiency of supply are assessed with respect to their impacts on power system, electricity market and electricity generation costs in Finland. It is obtained that the current electricity generation costs are high compared to opportunities of earnings from present-day investor’s perspective. In addition, the growth expectations of consumptions and the price forecasts do not stimulate investing in new generation capacity. Revolutionary transition path is driven by administrative and political interventions to achieve the energy targets. Evolutionary transition path is driven by market-based mechanisms, such as market itself and emission trading scheme. It is obtained in this study that in the revolutionary transition path operation of market-based mechanisms is distorted to some extent and it is likely that this path requires providing more public financial resources compared to evolutionary transition path. In the evolutionary transition path the energy targets are not achieved as quickly but market-based mechanisms function better and investment environment endures more stable compared to revolutionary transition path.

The obstacles for cross-border transmission network investments in the Nordic electricity market: Case South-West link

The Nordic electricity market is often seen as an example of how to create a working, developed and integrated electricity market. Nevertheless, this thesis studies the obstacles of transmission network investments and the market integration challenges in the Nordic electricity market. The main focus is in the Nordic Transmission system operators (TSOs), which have a key role in grid development. This study introduces a case study of cancellation of South-West link, Western part, which was seen as essential grid investment in order to improve the Nordic electricity market functioning but ended up with cancellation in 2013. This study includes semi-structured theme interviews of the experts among Nordic electricity industry stakeholders. Despite the political will to create more equal prices for electricity in the Nordic market, the differing national regulation, mixed incentives created by bottleneck income and the focus moving from Nordic integration to European integration may create challenges to the Nordic electricity market integration in the future.

Strategic planning of major disturbance proof network

In the 2000’s Finland suffered from storms that caused long outages in electricity distribution, longest up to two weeks. These major disturbances increased the importance of supply security. In 2013 new Electricity Market Act was announced. It defined maximum duration for outages, 6 h for city plan areas and 36 h for other areas. The aim for this work is to determine required major disturbance proof level for a study area and find tools for prioritizing overhead lines for cabling renovation to improve supply security. Three prioritization methods were chosen to be studied: A: prioritization line sections by customer outage costs they cause, B: maximizing customers major disturbance proof network and C: minimizing excavation costs in medium voltage network. Profitability calculations showed that prioritization method A was the most profitable and C had the weakest profitability. The prioritization method C drove renovation into unreasonable locations in the study area in reliability point of view. Therefore universal rule prioritization methods couldn’t be made from the prioritization methods. This led to the conclusion that every renewing area need to be evaluated in a case by case basis.

Simulation of wind powered hydraulic heating system

The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible. Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design. Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high wind gusts. Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency. Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment. The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter only one, the optimal value was defined. Results from the simulation were compared with investment calculations. Different parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order to define the points of investment profitability. Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.