Strategic planning of electricity systems: Integrating renewable energies

Tese de Doutoramento - Programa Doutoral em Engenharia Industrial e Sistemas (PDEIS)

Overcoming the supply inconsistencies of tidal current energy conversion devices

The adoption of a sustainable approach to meeting the energy needs of society has recently taken on a more central and urgent place in the minds of many people. There are many reasons for this including ecological, environmental and economic concerns. One particular area where a sustainable approach has become very relevant is in the production of electricity. The contribution of renewable sources to the energy mix supplying the electricity grid is nothing new, but the focus has begun to move away from the more conventional renewable sources such as wind and hydro. The necessity of exploring new and innovative sources of renewable energy is now seen as imperative as the older forms (i.e. hydro) reach the saturation point of their possible exploitation. One such innovative source of energy currently beginning to be utilised in this regard is tidal energy. The purpose of this thesis is to isolate one specific drawback to tidal energy, which could be considered a roadblock to this energy source being a major contributor to the Irish national grid. This drawback presents itself in the inconsistent nature in which a tidal device generates energy over the course of a 24 hour period. This inconsistency of supply can result in the cycling of conventional power plants in order to even out the supply, subsequently leading to additional costs. The thesis includes a review of literature relevant to the area of tidal and other marine energy sources with an emphasis on the state of the art devices currently in development or production. The research carried out included tidal data analysis and manipulation into a model of the power generating potential at specific sites. A solution is then proposed to the drawback of inconsistency of supply, which involves the positioning of various tidal generation installations at specifically selected locations around the Irish coast. The temporal shift achieved in the power supply profiles of the individual sites by locating the installations in the correct locations, successfully produced an overall power supply profile with the smoother curve and a consistent base load energy supply. Some limitations to the method employed were also outlined, and suggestions for further improvements to the method were made.

Investigation into the feasibility of a West of Ireland Pumped Storage System

Ireland’s remote position on the tip of Europe ensures that the country is vulnerable to uncertainty of supply. The reliance on conventional sources of electricity has ensured that escalated prices and high carbon emissions have been witnessed whilst opportunities that inherent resources provide, such as the wind, have not been capitalised upon. The intermittent nature of the wind make it difficult to maximise its potential as in many cases the highest wind speeds are highest when demand is low. The West of Ireland’s combination of wind speeds and unique topography makes it suitable for and innovative wind powered pumped storage system, which can essentially regulate the wind generated electricity and integrate further penetration of renewable energy. In addition, its location along the Atlantic Ocean provides further scope for innovation as seawater can be integrated into the system design. The construction of such an unprecedented project in combination with increased interconnectors has the potential to make Ireland a rechargeable battery for Europe. However, such ambitious plans are at the very early stages and are in direct contrast to current events in the Irish energy market. This study focuses on the feasibility of West of Ireland pumped storage systems. Entailed within this is an extensive desk study, a detailed site selection process and a feasibility study of grid connection. To increase opportunities to identify the best possible site, the feasibility study was focused on the Galway and Mayo areas solely.

Localització de les zones òptimes del litoral català per la instal•lació d’un parc eòlic marí

Anàlisi territorial del litoral català mitjançant una sèrie de variables tractades amb sistemes d’informació geogràfica (recurs eòlic, perfil batimètric, zones incloses en Xarxa Natura 2000, subestacions elèctriques vora la costa) per tal de localitzar les zones òptimes d’implantació d’un parc eòlic marí

Obtenció d'un model de predicció de les afectacions dels parcs eòlics sobre els serveis de televisió

L'objectiu principal del projecte és l'obtenció d'un model que faci possible la predicció de les afectacionsdels parcs eòlics sobre els serveis de televisió tant analògica com digital. Perquè això sigui possible elpresent projecte pretén assolir els punts següents: 1. Estudi de les diferents fonts d'interferència que poden ocasionar els aerogeneradors, principalmentsobre els elements encarregats de la difusió del senyal de televisió. Aquest estudi es centraen l'anàlisi i detecció dels problemes en recepció de televisió analògica i digital. 2. Desenvolupament d'una metodologia que faci possible la predicció de les afectacions dels parcseòlics sobre els serveis de televisió analògica i digital i l'estudi de la seva viabilitat mitjançantmesures sobre el terreny on es té coneixement d'afectacions provocades per parcs eòlics. 3. Estudi tecno-econòmic dels costos aproximats d'implantació de les diferents solucions per reduirles afectacions i comparació econòmica entre la implantació de solucions prèvies i posteriors a laconstrucció del parc.

Análisis de viabilidad técnica-económica del parque eólico Altos de Peralta

RESUMEN La energia eolica se considera una forma indirecta de energia solar. Entre el 1 y 2% de la energia proveniente del sol se convierte en viento, debido al movimiento del aire ocasionado por el desigual calentamiento de la superficie terrestre. La energia cinetica del viento puede transformarse en energia util, tanto mecanica como electrica. La energia eolica, transformada en energia mecanica ha sido historicamente aprovechada, pero su uso para la generacion de energia electrica es mas reciente, en respuesta a la crisis del petroleo y a los impactos ambientales derivados del uso de combustibles. El objetivo principal de este trabajo es hacer un analisis de viabilidad desde un punto de vista tecnico y economico de un parque eolico situado en el municipio de Barasoain (Navarra). Desde el punto de vista tecnico se han estudiado los aspectos constructivos del parque considerando sus diferentes infraestructuras de obra civil y electrica asi como los niveles de recurso eolico. En el ambito economico y financiero se han analizado los aspectos y ratios mas relevantes que definen un proyecto de estas caracteristicas asi como el modelo de financiacion elegida basada en el Project- Finance. Entre las conclusiones mas destacadas de este proyecto cabe destacar la contribucion de la construccion del parque al desarrollo social y economico de la zona donde queda ubicado contribuyendo a la creacion de puestos de trabajo, tanto en la fase de construccion como de explotacion y una perfecta armonia con condicionantes medioambientales de la zona. El analisis tecnico realizado nos indica la viabilidad tecnica del parque tanto desde el punto de vista de recurso eolico como la idoneidad para poder evacuar la energia producida. Por otro lado, los resultados obtenidos cumplen perfectamente con los estandares requeridos por los financiadores de los parques y resultando ser muy atractivos para sus accionistas

Iowa Interstate Rest Area Stabilization Ponds, September 1979

This report is presented in two parts . P a r t I takes a new look at the design of rest area stabilization ponds after nearly 10 years' experience with some of the existing ponds and in the light of new design standards issued by Iowa DEQ. The Iowa DOT is embarking on improvements t o the ponds a t some of the r e s t areas. These improvements may include installation of drainage tile around the ponds to lower the water table below the pond bottom, sealing of the ponds with bentonite clay to reduce the infiltration to limits recently established by Iowa DEQ, and the enlargement of the ponds installation of aeration equipment t o increase the pond capacity. As the Iowa DOT embarks on this improvement program, it behooves them t o make only the improvements that are absolutely necessary to achieve waste water treatment goals. These ponds are subject to an extremely seasonal load and thus the ordinary standards used for pond design are not appropriate. Thus, Part I of the report presents a rationale for design and operation of the ponds which is deemed appropriate for t h e i r unique seasonally loaded character. Part I1 of the report looks a t the feasibility of using wind power for the aeration of the ponds, if and when aeration is deemed necessary.

Instal•lació d'un parc eòlic de microgeneració juntament amb l'enllumenat d'una via pública

L’objectiu del projecte és realitzar la instal•lació d’enllumenat per a un tram del’autovia de Palafrugell a Calella de Palafrugell, aquesta instal•lació també disposaràd’una instal•lació de microgeneració. On a cada farola s’hi acoblarà un aerogeneradord’eix vertical de 4 kW per a la producció d’energia elèctrica.Com no es disposa de faroles prefabricades que compleixin aquesta funció desuport per a lluminàries i un aerogenerador, en aquest projecte també es faràal disseny de la farola.L’actuació prevista és la instal•lació de 12 faroles de nou dissenyamb un aerogenerador d’eix vertical acoblat a cada farola, en l’ espai de la mitjana de l’autovia

Laitteen elinkaaritietoon perustuvien asiakasarvopohjaisten palveluiden kehittäminen

Työssä tutkitaan asiakasarvopohjaisten elinkaaritietoon perustuvien palveluiden kehittämistä. Tavoitteena on löytää asiakasarvo tuulivoimaliiketoiminnassa, selvittää mitä palveluja voidaan tuottaa elinkaaritietoon pohjautuen ja millainen kehitysprosessi palveluille ABB:n ympäristössä voidaan kuvata. Tutkimusongelmaa on tarkasteltuLCB-tutkimusprojektin tulosten ja kirjallisuuden pohjalta. Teoriat voidaan jakaa kolmeen osaan, asiakasarvoon, dataan ja kehitysprosessiin. Ensimmäisessä osassa keskitytään tarjoaman muutokseen, rooleihin liiketoimintaverkostossa ja asiakasarvon laskennalliseen määritykseen. Toisessa osassa keskitytään datan palveluksi jalostamiseen ja kolmannessa palvelun kehitysprosessin tutkimiseen. Tutkimustuloksia on verifioitu case-tutkimuksen avulla ja erästä asiakasta on lähestytty case-tapauksena haastattelun avulla. Asiakas on profiloitu haastattelun perusteella tavoitteena löytää asiakasarvo ja kiinnostus uusia palveluja kohtaan. Uusia palveluita on kehitetty sekä eksplisiittisen että hiljaisen tiedon pohjalta. Näiden pohjalta on luotu toimivia palvelukonsepteja ja ideointivaiheen kehitysprosessi on dokumentoitu. Työstä on tehty kaksi eri versiota, joista tämä on suppeampi.

The electricity distribution network in Saint-Petersburg area and benchmark between Saint-Petersburg and City of Stockholm related distribution companies' performance

The main objective of the Thesis is the description of the electricity distribution networks in Saint-Petersburg area and Stockholm as well. Main similarity and differences in the construction and technicalperformance are presented in the study. Present and future development and investment into the electricity distribution network of OJSC Lenenergo are viewed. The Thesis presents the overview of the power industry reform in Russia. The current state of the electricity distribution sector is described. The study views the participation of the foreign investor "Fortum Power and Heat Oy" inthe development and management of the OJSC Lenenergo. Benchmark comparison of the prices and tangible assets of the main electricity distribution companies in Saint-Petersburg and Stockholm areas is done.

Competitiveness Comparison of the Electricity Production Alternatives

The competitiveness comparison is carried out for merely electricity producing alternatives. In Finland, further construction of CHP (combined heat and power) power plants will continue and cover part of the future power supply deficit, but also new condensing power plant capacity will be needed. The following types of power plants are studied: - nuclear power plant, - coal-fired condensing power plant - combined cycle gas turbine plant, - peat-fired condensing power plant. - wood-fired condensing power plant - wind power plant The calculations have been made using the annuity method with a real interest rate of 5 % perannum and with a fixed price level as of March 2003. With the annual full load utilization time of 8000 hours the nuclear electricity would cost 23,7 ¤/MWh, the gas based electricity 32,3 ¤/MWh and coal based electricity 28,1 ¤/MWh. If the influence of emission trading is taken into account,the advantage of the nuclear power will still be improved. Inorder to study the impact of changes in the input data, a sensitivity analysis has been carried out. It reveals that the advantage of the nuclear power is quite clear. E.g. the nuclear electricity is rather insensitive tothe changes of the uranium price, whereas for natural gas alternative the rising trend of gas price causes the greatest risk.

Merituulivoiman kannattavuus Kokkolan seudun rannikolla

Tässä diplomityössä selvitetään teollisen mittakaavan merituulipuistojen taloudellisia ja osin myös teknisiä rakentamisedellytyksiä Kokkolan seudun rannikolla. Lisäksi työssä tarkastellaan erilaisten tukitoimien vaikutusta tuulivoiman kannattavuuteen sekä selvitetään lyhyesti merituulivoiman hallinnollisia ja oikeudellisia edellytyksiä. Esimerkkikohteina tarkastellaan viittä Kokkolan edustalle suunniteltua merituulipuistoa, joiden tehot ovat 20 – 100 MW ja yksikkökoot 1,8 – 5 MW. Tuulipuistojen tuuliolot on arvioitu läheisten mittauspisteiden tietojen perusteella ja niiden pohjalta on laskettu puistojen energiantuotto. Tuulivoimaloiden huipunkäyttöajoiksi on saatu noin 2400 – 2500 h/a. Puistojen investointikustannukset ovat noin 6 500 –10 200 mk/kW: itse turbiinin lisäksi suurimpia kustannuseriä ovat perustukset ja sähköverkkoliitäntä. Vuosittaisten käyttö- ja kunnossapitokustannusten suuruudeksi on arvioitu noin 3 % investointikustannuksista. Kannattavuustarkastelut on suoritettu 5 % laskentakorolla ja 25 vuoden pitoajalle. Tuotantokustannukset ovat ilman tukia noin 27 – 38 p/kWh. Kun sähkön hintana on 150 mk/MWh, ei taloudellista kannattavuutta voida saavuttaa edes nykyisin käytössä olevan investointi- ja tuotantotuen avulla. Tuulisähköstä saatava mahdollinen ”vihreän sähkön lisä” tai päästökaupan aloittaminen voisivat mahdollistaa tuulivoiman taloudellisen kannattavuuden myös silloin, kun sähkön hintataso on matala. Kannattavuutta voitaisiin parantaa myös tukijärjestelmällä, joka painottaa nykyistä enemmän tuotantoa.

Inhimillisten virheiden tarkastelu ydinvoimalaitosten käyttökokemusten hyödyntämisessä

Tässä työssä on kuvattu ydinvoimalaitosten käyttökokemusten tutkimusta keskittyen erityisesti inhimillisten toimintojen tarkasteluun. Työssä on kerrottu kansainvälisistä vaatimuksista ja järjestöistä sekä yleisesti käyttökokemusten tutkimuksessa käytössä olevista menetelmistä keskittyen perussyyanalyysimenetelmiin. Suomen osalta työssä on käsitelty lainsäädännön asettamia velvoitteita ja muita vaatimuksia, jotka ydinvoima-alalla koostuvat lähinnä Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeista. Viranomaisena toimivan Säteilyturvakeskuksen, alan tutkimusta suorittavan Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen ja Teollisuuden Voima Oy:n käyttökokemusten tutkimiseen liittyvät organisaatiot ja menettelytavat on esitelty. Fortum Power and Heat Oy:n omistaman ja käyttämän Loviisan ydinvoimalaitoksen käyttökokemusten hyödyntäminen on käsitelty tarkemmin. Loviisan voimalaitoksen organisaatio ja käyttökokemusten sekä inhimillisten virheiden käsittelymenetelmiä on esitelty ja analysoitu. Työn alkuvaiheessa Loviisan voimalaitoksella inhimillisistä virheistä kerätystä tiedosta koottu tietokanta järjesteltiin kuntoon. Järjestelyn jälkeen tietoa analysoitiin ja analysoinnin tulokset on esitetty tässä työssä. Sekä järjestelyn että analysoinnin aikana havaitut kehityskohteet kirjattiin muistiin. Pienet toimenpiteet suoritettiin heti ja suuremmat kirjattiin tämän työn toimenpide-ehdotuksiin. Kehittämiskeinoja on ehdotettu virheiden luokittelumenetelmään ja käyttökokemusten käsittelymenetelmiin.

Pientuulivoimaloiden markkinapotentiaalin arviointi Suomessa ja globaalisti

Työn tavoitteena on selvittää pientuulivoimaloiden markkinapotentiaali Suomessa sekä muualla maailmassa, ja kartoittaa alalla toimivat kilpailijat. Tarkoituksena on myös arvioida kuinka tilanne tulee jatkossa kehittymään ja, mitkä ovat Hafmex Windforce Oy:n mahdollisuudet kilpailla kyseisillä markkinoilla. Lisäksi tarkastelun kohteena on selvittää millä edellytyksillä pientuulivoimaloita voidaan liittää paikalliseen sähkönjakeluverkkoon. Työssä on myös esitelty kaupallisten tuulivoimaloiden perusperiaatteita, sekä tällä hetkellä käytössä olevaa teknologiaa. Tarkemmin on keskitytty pientuulivoimaloiden toiminnan periaatteisiin. Työn teoriapohjassa tarkastellaan markkinatutkimuksen suorittamisen erityispiirteitä, markkinapotentiaalin määrittämiseen liittyviä käsitteitä ja kilpailija-analyysin suorittamista. Teoriaosa perustuu alan kirjallisuudesta, lehtiartikkeleista sekä internetistä kerättyyn materiaaliin.

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Sähkön ja lämmön yhteistuotannon lisärakentaminen tulee kattamaan tietyn osuuden lähitulevaisuuden sähkön hankinnan vajeesta, mutta sen lisäksi tarvitaan myös uutta lauhdetuotantokapasiteettia. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos ja tuulivoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja tammikuun 2008 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus olisi 35,0 € /MWh, kaasusähkön 59,2 €/MWh ja hiilisähkön 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Ilman päästökauppaa kaasusähkön hinta on 51,2 €/MWh ja hiilisähkön 45,7 €/MWh ydinsähkön hinnan pysyessä ennallaan. Herkkyystarkastelun tulosten perusteella ydinvoiman kilpailukyky korostuu muihin tarkasteltuihin tuotantomuotoihin verrattuna. Ydinpolttoaineen suurellakaan hinnan muutoksella ei ole merkittävää vaikutusta ydinsähkön tuotantokustannukseen, kun taas maakaasusähkö on erittäin riippuvainen polttoaineen hinnasta. Myös päästöoikeuden hinnan kasvu lisää merkittävästi ydinvoiman kilpailukykyä kaasu- ja hiilisähköön verrattuna. Ydinvoimainvestoinnin kannattavuutta ja takaisinmaksua tarkastellaan myös yksinään siten, että investoinnilla saavutettavien tuottojen laskennassa käytetään useita eri sähkön markkinahintoja. Investoinnin kannattavuus on erittäin hyvä, kun sähkön markkinahinta on 50 €/MWh tai suurempi.