TEHO-hankkeen raportteja, osa 1

Tehoa maatalouden vesiensuojeluun (TEHO) -hankkeen tavoitteena on edistää maatalouden vesiensuojelua. Tähän julkaisuun on koottu tuloksia TEHO-hankkeen kokeiluista ja selvityksistä. Julkaisun ensimmäinen raportti käsittelee jaettua typpilannoitusta ja toisessa osassa käsitellään pientareiden ja suojakaistojen vaikutusta peltolohkolta saatavaan taloudelliseen tulokseen. Kolmannessa osassa esitetään tuloksia kokeilusta, jossa pyrittiin vähentämään kipsin avulla fosforin huuhtoutumista pellolta. Neljäs raportti käsittelee valumavesien kemiallista käsittelyä. Julkaisu on toteutettu osana Tehoa maatalouden vesiensuojeluun (TEHO) -hanketta.

TEHO-hankkeen raportteja, osa 2 : Peltomaan laatutesti : Ravinnetaseet

Tehoa maatalouden vesiensuojeluun (TEHO) -hankkeen tavoitteena on edistää maatalouden vesiensuojelua. Tähän julkaisuun on koottu tuloksia TEHO-hankkeen selvityksistä. Julkaisun ensimmäisessä osassa on kerätty yhteen kokemuksia ja palautetta, joita on saatu hankkeessa tehdyistä Peltomaan laatutesteistä. Testin avulla havainnoidaan ja saadaan tietoa peltomaan fysikaalisesta ja biologisesta tilasta sekä maan kokonaisvaltaisesta tilanteesta. Testissä saadut havainnot toimivat perusteena pellon kasvukuntoa parantaville toimenpiteille. Toinen raportti on yhteenveto TEHO-tiloille lasketuista ravinnetaseista. Ravinnetaselaskenta on työkalu, jonka avulla viljelijä saa arvokasta tietoa ravinteiden käytön tehokkuudesta omilla pelloillaan. Julkaisu on toteutettu osana Tehoa maatalouden vesiensuojeluun (TEHO) -hanketta.

Kohdentamalla suurin hyöty maatalouden ympäristönsuojeluun : TEHO Plus -hankkeen (2011-2014) loppuraportti

TEHO Plus, Maatalouden vesiensuojelun tehostaminen -hanke jatkoi TEHO-hankkeen aloittamaa työtä vuosina 2011–2014. Hankkeen toiminnan painopistealueina ovat olleet maatalouden ympäristöneuvojien koulutuspaketin luonti ja koulutuksen kokeileminen, tilakohtainen neuvonta ja neuvonnasta saatujen kokemusten hyödyntäminen, tietopaketin kokoaminen maatalouden ympäristöasioista, tilatason kokeilutoiminta ja vedenlaadun seurannan kehittäminen. Ympäristötoimia on neuvonnassa suositeltu kohdennettavaksi paikkatietoaineistoja ja ravinnetaseita hyödyntäen. Hanke toteutettiin Varsinais-Suomen ELY-keskuksen, MTK-Satakunnan ja MTK-Varsinais-Suomen yhteistyönä. Hanketta rahoittivat maa- ja metsätalousministeriö sekä ympäristöministeriö. Tärkeänä kumppanina hankkeessa olivat yhteistyöviljelijät, joiden kanssa kehitettiin ympäristöneuvontaa ja toteutettiin kokeilutoimintaa. Hankkeen toiminta-alueena oli Satakunta ja Varsinais-Suomi, mutta hankkeen tulokset ovat valtakunnallisesti hyödynnettävissä. Valtakunnallista näkemystä haettiin tiiviillä yhteistyöllä eri maakuntien toimijoiden kanssa. Tähän loppuraporttiin on koottu hankkeen kokemuksia ja tuloksia ympäristöneuvonnasta, ympäristöneuvojien koulutuksesta, tilakäynnistä ja viljelijöiden antamasta palautteesta ympäristöneuvonnasta, vedenlaadun seurannan kehittämisestä, kokeilutoiminnasta sekä hanketyöstä.

Targeted measures bring the greatest benefits for environmental protection in agriculture final report of the TEHO Plus project (2011–2014)

Targeted measures bring the greatest benefits for environmental protection in agriculture final report of the TEHO Plus project (2011–2014). Particular priority areas of the project activities included creating a training package for agri-environment advisers and testing it, farm-specific advisory services and exploitation of experiences of advice provision, putting together an information package of agri-environment issues, farm-level experiments, and development of water quality monitoring. The recommendations issued by advisers on targeting environmental measures were based on utilising geographical information material and nutrient balances. The project was implemented in cooperation by Southwest Finland Centre for Economic Development, Transport and the Environment, MTK-Satakunta and MTK-Varsinais-Suomi. The project received funding from the Ministry of Agriculture and Forestry and the Ministry of the Environment. Participating farmers, with whom environmental advice was developed and experiments were carried out, were important partners for the project. The operating area of the project was Satakunta and Varsinais-Suomi in Southwest Finland, but its outcomes can be exploited nationally. A national perspective was ensured by close cooperation with actors in different provinces. This final report describes project experiences and outcomes including environmental advisory services, training of agri-environmental advisers, farm visits and the feedback received from farmers on agri-environmental advice, development of water quality monitoring, experiments and project work.

Vuosaaren B-voimalaitoksen lauhduttimien merivesikanavaan sijoitettavan pienvesivoimalan kannavuusselvitys

Insinöörityön tavoitteena oli tehdä teknis-taloudellinen selvitystyö pienvesivoimasta Vuosaaren B-voimalaitokselle. Ensimmäiseksi täytyi selvittää laitoksen virtausolosuhteet, putouskorkeus, saavutettavissa oleva teho, konkreettinen sijoittumispaikka laitoksessa, tarvittavat rakenteet, laitteistot, sähköistys ja ohjausjärjestelmät sekä näiden kaikkien kustannukset. Työn alkuosassa käsitellään vesivoimaloiden teoriaa ja niihin liittyviä yleisiä asioita. Loppuosassa tarkastellaan Vuosaaren B-voimalaitosta sekä varsinaista teknis-taloudellista selvitystyötä. Työn teoriaosuuteen tietoja hankittiin kirjallisuudesta sekä Internetistä. Varsinaisessa selvitystyössä tietojen hankkimisessa auttoivat Helsingin Energian sekä muiden yritysten asiantuntijat. Selvitettyjen alkuarvojen ja muiden tietojen perusteella pystyttiin lopuksi tekemään yleisarvio kannattavuudesta sekä arvio investointien kannattavuudesta. Työssä käsiteltiin seuraavia toteutettavissa olleita vaihtoehtoja: yksi turbiini, kaksi turbiinia tai ei turbiinia ollenkaan. Yhdellä turbiinilla vuotuinen käyttöaika olisi ollut laitoksen käyttötietojen perusteella noin 7500 tuntia vuodessa. Kahden turbiinin vaihtoehdossa yhtä turbiinia olisi käytetty 6000 tuntia vuodessa ja kahden turbiinin yhteiskäyttöaika olisi jäänyt vain 1500 tuntiin vuodessa. Näistä syistä johtuen parhaaksi ratkaisuksi muodostui yhden turbiinin vaihtoehto, jossa turbiinin käyttöaika oli optimaalinen ja investointikustannukset pysyivät kohtuullisina. Turbiinin pois jättäminen ei myöskään olisi järkevää, koska turbiinin avulla laitoksen energia tehokkuus paranisi. Selvitystyön avulla Helsingin Energia voi tehdä päätöksen pienvesivoimalaan investoimisesta, mikä selvityksen perusteella vaikuttaisi kannattavalta.

Hiiliteräspalkin kuitulaserhitsaus

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen ja mahdollinen parantaminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Laserhitsauksen nopeus, tarkkuus, tasainen laatu ja aikaansaatava syvä tunkeuma ovatkin vakiinnuttaneet menetelmän vankan aseman tehokkaana valmistusmenetelmänä. Sähkön ja heliumin hinnan nousu ovat pakottaneet teollisuuden miettimään entistä tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien laserlähteiden hankkimista. Kuitulaserin korkea hyötysuhde, hyvä säteenlaatu, suuri teho ja matalat käyttökustannukset ovat herättäneet kiinnostusta laserhitsaavassa teollisuudessa. Diplomityössä keskityttiin kuitulaserhitsauksen soveltamiseen. Työn tavoitteena oli parantaa kuitulaserhitsausmenetelmän ymmärrystä ja saada käsitys siitä, miten valitaan hitsausparametrien arvot, ja soveltuuko kuitulaser teolliseen tuotantoon. Tutkimuksessa pyrittiin löytämään peruskokeilla optimaaliset hitsausparametrit, joilla syntyy hyvin tunkeutunut, vähän huokosia sisältävä, ja ulkoisesti laadukas hitsi, sekä optimaalinen hitsin tunkeumaprofiili. Lopuksi hitsausparametreja testattiin tuotteen hitsauksessa. Kuitulaser soveltuu erinomaisesti hiiliteräksen hitsaukseen ja hyvin erikoislujien terästen hitsaukseen, kun teräksen hiili- ja rikkipitoisuudet ovat matalia. Sillä on laaja parametrialue. Yleisimmät hitsausvirheet ovat vajaa hitsautumissyvyys ja huokoset. Tässä diplomityössä keskityttiin etsimään yhdelle valmistettavalle tuotteelle optimaaliset kuitulaserhitsausparametrit. Kuitulaserin laser- ja prosessiparametrien vaikutusta hitsiin ei ole juurikaan tutkittu. Diplomityön kokeiden perusteella olisi hyvä tehdä eri materiaalien jatkotutkimusta railonvalmistuksen, kuten liitoksen oksidikerroksen ja ilmaraon sekä suojakaasun, vaikutuksesta hitsiin. Kuitulaserin hyvä säteenlaatu ja muut laser-parametrit ovat tuoneet mukanaan prosessiin uusia ilmiöitä, joita on syytä tutkia lisää.

Vaneri- ja kertopuutehtaiden kuivatuskoneiden lämmöntalteenottojen järjestelmäselvitys

Vanerin tai kertopuun valmistusprosessissaviilun kuivaukseen käytetään suurin osa koko valmistusprosessin primäärienergiasta. Viilunkuivauskoneessa viilun sisältämä vesi siirretään tyypillisesti prosessihöyryllä lämmitettyyn viilunkuivaajan kiertoilmaan höyrystämällä ja poistetaanviilunkuivaajasta poistoilman mukana. Viilunkuivaajan poistoilma on lämmintä jaerittäin suuren kosteuspitoisuutensa takia sisältää runsaasti energiaa. Tyypillisellä viilunkuivaajalla poistoilmaan sitoutunut lämpöteho vaihtelee prosessiolosuhteista riippuen välillä 2,7-5,7 MW. Diplomityössä tutkittiin viilunkuivaajan poistoilman sisältämän lämmön talteenottoa laitteistolla, johon kuuluu lämmöntalteenottopesuri, jossa poistoilmalla lämmitetään tuotantolaitoksen tukkipuun hautomon kiertovettä sekä ilma-ilma-lämmönsiirrin, jolla lämmitetään pesurista poistuvan ilman jäännöslämmöllä ulkoilmaa tehdassalin tuloilmakäyttöön. Työn tavoitteena oli kehittää lämmöntalteenottojärjestelmän suunnittelua, mitoitusta ja ajotapoja. Työssä analysoitiin teoreettisesti pesuria ja ilmalämmönsiirrintä, kehitettiin lämmöntalteenottopesurin simulointimenetelmä ja mitattiin toiminnassa olevia talteenottolaitteistoja. Tutkimuksessa todettiin lämmöntalteenottohyötysuhteen vaihtelevan lämmityskaudella välillä 50-70 %. Lämmöntalteenottolaitteiston pesurin veteen saatava teho riippuu ensisijaisesti viilunkuivaajan poistoilman lämpösisällöstä, joka on enimmäkseen kosteusriippuvainen ja ilmanvaihtoilmaan saatava teho ulkolämpö-tilan määräämästä tehontarpeesta. Pesurin vesijärjestelmän vaikutusmekanismit pesurin suorituskykyyn tunnistettiin ja niiden pohjalta annetaan suositukset mitoitukseen ja ajotapaan. Lämmöntalteenottolaitteiston lämpötehon tasapainottamiseen pesurin ja ilma-ilma-lämmönsiirtimen välillä mitoituksen avulla esitellään työkalut.

Suurnopeushilaohjain IGB-transistoreille

Hilalta ohjattavien tehokytkimien, kuten IGBT tai MOSFET, ohjaaminen toteutetaan ohjausjännitettä muuttamalla. Hilaohjaimen tehtävä on ladata tehokytkimen hilakapasitanssia ohjattuun jännitteeseen. Hilaohjaimen siirtämän varauksen suuruuteen vaikuttaa hilakapasitanssin todellinen suuruus ja käytettävä ohjausjännite. Hilaohjaimen virrankäsittelykyky määrittää hilaohjaimen nopeuden siinä mielessä, että ohjattavan komponentin hilavaraus tulisi pystyä lataamaan ja purkamaan tietyssä suhteessa kytkentätaajuuteen. Kytkentätaajuuksien kasvaessa myös hilaohjaimen virrankäsittelykyky sekä hilaohjaimen teho joutuvat uudelleen arvioitaviksi. Työssä perehdytään IGBT:n toimintaan ja hilaohjainratkaisuihin suurilla kytkentätaajuuksilla. Työssä ontutkittu mahdollisuutta rakentaa IGBT:n hilaohjain jo markkinoilla olevista MOSFET:ien hilaohjaimista. Suurnopeushilaohjaimesta suunnitellaanja rakennetaan prototyyppi. Prototyypin suoriutumista tehtävistään tarkastellaan tekemällä mittauksia. Lopuksi arvioidaan asioita joiden tulee muuttua matkalla kohti megahertsien kytkentätaajuuksia.

Aurinkokeräimien käyttö turpeen kenttäkuivauksessa

Tämä tutkimus tehtiin osana Vapo Oy:n uuden turvetuotantotekniikan kehitystä. Kihniön Aitonevalle on rakennettu uuden turvetuotantotekniikan tutkimusalue, johon kuuluu muun muassa yksi lämmittämätön kuivatuskenttä sekä yksi aurinkolämmöllä lämmitetty kuivatuskenttä aurinkokeräimineen ja putkistoineen. Työn tavoitteena oli selvittää aurinkolämmöllä lämmitetyn kuivatuskentän tuotannon teho verrattuna lämmittämättömään kenttään. Toinen tavoite oli selvittää Aitonevan tutkimusalueella käytössä olevista aurinkokeräimistä turpeen kuivaustarkoitukseen parhaiten soveltuva keräin. Tuotantoa uudella menetelmällä tehtiin vuoden 2005 kesän ajan. Tuotantotehon ero pyrittiin selvittämään seuraamalla yksittäisten turvetuotantoerien eli satokiertojen kuivumista kosteusnäyttein ja toisaalta vertaamalla koko kesän aikana saatua tuotantoa. Aurinkokeräimien vertailu toteutettiin energiamäärä- ja hyötysuhdemittauksin. Lisäksi kuivatuskenttien lämpötiloja mitattiin kentässä tapahtuvan lämmönsiirron selvittämiseksi. Mittausten perusteella havaittiin, ettälämmitetyn ja lämmittämättömän kentän välillä on tutkimuksen aikaisella kenttärakenteella 6-8 % ero satokierron aikana haihdutetussa vesimäärässä. Tätä voidaanpitää odotuksia pienempänä. Kenttien lämpötilamittausten perusteella osoittautui, että kentän pintarakenne tulisi eristää maaperästä, koska kentän alle siirrettyä lämpöä siirtyy häviöinä kylmään pohjamaahan. Käytössä olleista aurinkokeräimistä parhaaksi osoittautui katettu kumimattokeräin niin hyötysuhteen kuin tehokkuudenkin puolesta. Työn aikana todettiin, että tutkimusta keräimien ja varsinkinkenttärakenteen suhteen tulee jatkaa tulevaisuudessa ennen aurinkokeräinkentän laajamittaisen käytön aloittamista.

Plasmapolttoprosessin kehittäminen ja optimointi

Ydinvoimaloidenprimaarivesikierron puhdistukseen käytetään ioninvaihtohartsia. Käytönjälkeen ioninvaihtohartsi luokitellaan matalaja keskiaktiivisiin jätteisiin. Plasmakäsittelyllä käytetyn ioninvaihtohartsin tilavuutta voidaan pienentää sekä sen orgaaninen luonne poistaa. Plasmakäsittelyn tarkoituksena on hapettaa orgaaninen aines oksideiksi, jotka poistuvat prosessista savukaasuina. Epäorgaaninen aines, joka sisältää radioaktiivisen aineksen, on tarkoitus hapettaa oksideiksi ja sulfideiksi, jotka voidaan kerätä talteen tuhkana. Tässä diplomityössä käsitellään käytetyn ioninvaihtohartsin käsittelyyn suunnitellun plasmapolttoprosessin kehittämistä ja optimointia. Ioninvaihtohartsin plasmakäsittelyssä syntyvien reaktiotuotteiden selvittäminen suoritettiin tarkastelemalla ainetaseita sekä aihetta käsitteleviä tutkimuksia. Näiden perusteella parannettiin jäähdytystä, suunniteltiin jatkuvatoiminen syöttömenetelmä sekä laadittiin toimintaalueen reunaehdot laitteistolle. Koelaitteistossa 6,5 kW:n rfteho syötetään sovitinpiirin ja kuparisen induktiokelan kautta plasmaan. Plasmakaasuna on käytetty hapenja argonin seoskaasua. Plasmapolttoa on seurattu massaspektrometrilla, optisella emissiospektrometrilla, lämpösekä painemittareilla. Laskennan ja kokeiden pohjalta selvitettiin optimaalinen seossuhde plasmakaasulle, paineen ja tehon noston vaikutus hartsin polttonopeuteen sekä jatkuvatoimisen syöttömenetelmän edut panostoimiseen syöttöön. Rfgeneraattorin teho rajoitti jatkuvatoimisen polttonopeuden 130 g/h ja hetkellisen polttonopeuden 175 g/h. Radioaktiivisten aineiden pidätys oli 93,5 % cesiumin osalta. Tulosten perusteella 4 kg/h ioninvaihtohartsia polttavan laitteiston tehon lähteeksi tarvitaan 65 kW rfgeneraattori. Palamattoman hartsin ja tuhkan kulkeutuminen partikkelisuodattimille sekä reaktiotuotteena syntyvien rikinoksidien käsittely vaatii vielä jatkotutkimusta.

Ohutlevyn diodilaserhitsaus

Diplomityössä tutkitaan, miten diodilaserhitsauksen ominaisuuksia ja mahdollisuuksia voidaan hyödyntää teollisuuden käytännön sovellutuksissa. Työn alkuosassa esitelläändiodilaserin toimintaperiaatetta ja säteen muodostumista. Lisäksi työssä on esitetty laserin käyttöön liittyviä turvallisuusseikkoja. Hitsaukseen liittyviä teknisiä seikkoja on myös käyty läpi. Työn kokeellisessa osassa tutkitaan kylmävalssatun ja ruostumattoman teräksen hitsattavuutta eri liitosmuodoissa kuten päittäis-, laippa- ja päällekkäisliitoksissa. Hitsauskokeet suoritettiin eri paksuisille levyille. Tavoitteena oli löytää eri levymateriaaleille ja liitosmuodoille oikeat nopeus- ja tehoparametrit. Diodilaserkokeet suoritettiin käyttäen Hämeen ammattikorkeakoulun Riihimäen yksikön 2 kW:n tehoista diodilaserlaitteistoa. Koekappaleet olivat 100 x 200 mm kokoisia. Osalle hitsatuista kappaleista tehtiin vetokokeita ja mikrokovuuskokeita. Hitseille tehtiin silmämääräinen tarkastus ja lisäksi tutkittiin hitsejä mikroskooppikuvauksella. Koekappaleita hitsaamalla selvitettiin teho- ja nopeusparametrit. Hitsattaessa kylmävalssattuja levyjä muodostui hitsausvirheitä T- ja päittäisliitoksissa. Hitsausvirheet huomattiin, kun suoritettiin vetokokeita ja tehtiin hietä. Mutta yleensä kylmävalssattujen levyjen hitsaus onnistui moitteettomasti. Kun hitsaukset suoritettiin käyttämällä ruostumatonta terästä, hitsausvirheitä ei muodostunut, kuten kylmävalssattuihin levyihin. Ruostumattomien terästen hitsaus onnistui moitteettomasti. Tunkeuma molemmissa levytyypeissä oli hyvä. Todettiin, että levyt hitsautuivat yhteen hitsauksen alussa moitteettomasti, mutta loppuosa ei hitsautunut kunnolla, koska lämpötilanmuutos muokkasi levyjen muotoja.

Laskentamalli PKL-koelaitteiston pienen vuodon kokeen simuloimiseksi Apros-ohjelmistolla

Työn tavoitteena oli tehdä Apros-laskentamalli PKL-koelaitteistosta ja testata kuinka hyvin Apros pystyy laskemaan PKL-koelaitteistolla suoritetun E2.2 pienen vuodon kokeen. Tavoitteena oli myös tarkastella boorittoman veden tulpan etenemistä pienen vuodon kokeen aikana. PKL-koelaitteisto vastaa saksalaista sähköteholtaan 1300 MW olevaa Philippsburg 2 painevesilaitosta. Koelaitteiston tilavuudet ja teho on skaalattu kertoimella 145. Työssä tehdyllä laskentamallilla tarkasteltiin boorittoman veden tulpan liikkumista pienen vuodon kokeen aikana. Kun malli oli valmis, laskenta suoritettiin Apros 5.05 versiolla. Boorittoman veden tulpan etenemisen laskennassa käytettiin toisen kertaluvun diskretointia, jolla booripitoisuuden muutokset säilyvät teräväreunaisina. Laskentamalli pystyi kuvaamaan koelaitteistolla suoritetussa pienen vuodon kokeessa tapahtuneet ilmiöt varsin hyvin. Eroa koetuloksiintuli pääkiertopiirien luonnonkiertojen alkamishetkistä ja primääripaineen käyttäytymisessä. Kokeen alkutilanne ei ollut stationääritila, joten alkutilanteen asettamisessa oli hankaluuksia. Varsinkin pääkiertopiirien veden pinnankorkeuksienasettamisessa oli vaikeuksia, koska veden pinnankorkeuksien erot pyrkivät tasoittumaan nopeasti kokeen aikana. Apros pystyi laskemaan PKL-koelaitteistolla suoritetun pienen vuodon kokeen hyvin. Mallilla tulisi kuitenkin laskea vielä toisentyyppisiäkin kokeita, ennen kuin voidaan varmuudella tietää mallin toimivuus. PKL-koelaitteisto vastaa pääpiirteiltään Suomeen rakennettavaa Olkiluoto 3 ydinvoimalaitosta. Tehty työ antaa lisävarmuutta, kun Olkiluoto 3 laitoksen turvallisuustarkasteluita tehdään.