Production of Biofuels by Fischer Tropsch Synthesis

Production of biofuel via biomass gasification followed by Fischer Tropsch synthesis is of considerable interest because of the high quality of fuels produced which do not contain sulphur and are free of carbon dioxide. The purpose of this Master’s thesis is to study feasibility production of biofuels integrated with Fischer Tropsch process using Aspen Plus simulation. The simulation results were used to size process equipment and carry out an economic evaluation. The results show that lowering the reactor temperature from 1000 oC - 850 oC and raising the water gas shift temperature from 500 oC - 600 oC can improve overall gas efficiency, which in turn leads to better production of ultra clean syngas for the Fischer Tropsch synthetic reactor. Similarly, the Fischer Tropsch offgas is converted into a gas turbine for power production, and finally biodiesel is produced as fuels for transportation.

Lämmöntalteenottokattilan lämpötekninen mitoitus

Kandidaatintyön tavoitteena oli laatia mitoitussovellus KPA Unicon Oy:lle, jolla voidaan arvioida lämmöntalteenottokattilasta saatavaa tehoa sekä tarvittavaa lämmönsiirtopinta-alaa. Mitoitussovellus laadittiin yksipaineisen kattilan mitoitusta varten ja sitä on tarkoitus hyödyntää yrityksen tarjousvaiheen projekteissa. Laskentasovelluksen laatimista varten tässä kandidaatintyössä käsitellään kaasuturbiinin jälkeistä lämmöntalteenottokattilaa ja sen mitoittamista. Erityisesti huomiota kiinnitetään yleisiin suunnitteluperiaatteisiin ja lämpötekniseen mitoittamiseen. Työssä esitetään tyypillisiä suunnitteluarvoja, rakenteita sekä laskentamenetelmiä, joiden avulla lämmöntalteenottokattila voidaan mitoittaa.

Tuulivoimalan staattoripakan puristusrakenteen kehittäminen

Diplomityössä tutkittiin voidaanko tuulivoimalan generaattorin staattoripakan puristamisessa hyödyntää komposiittista rakenneratkaisua. Tyypillisesti generaattorissa staattorin teräslevyt puristetaan erilaisilla teräsrakenteilla toisiaan vasten. Tavoitteena oli selvittää, voidaanko puristavan komposiittirakenteen osana hyödyntää liimaliitosta tai laminoitua liitosta. Tarkoitus oli etsiä rakenteeseen soveltuva liima ja liimaliitoksen arvot tai laminoitu rakenne ja sille soveltuvat materiaalit ja suoritustapa. Työssä on perehdytty erilaisiin tuulivoimalatyyppeihin, sekä niissä käytettäviin kesto- ja vierasmagnetoituihin generaattorityyppeihin. Tämän lisäksi on tarkasteltu niissä käytettävien staattorien valmistusvaihtoehtoja ja syitä miksi niissä olevat teräslevyt on puristettava toisiaan vasten. Samalla on luotu katsaus nykyisin käytössä oleviin rakenteisiin, joilla puristus voidaan toteuttaa. Liimauksesta on käsitelty perusteoriaa, sekä seikkoja jotka vaikuttavat liimaliitoksen kestoon. Työssä tutkittavaan liitokseen soveltuvien liimojen ominaisuuksia on käsitelty. Myös laminoituun liitokseen jo aiemmin kovettuneeseen komposiittiin on perehdytty. Tutkittavaan rakenteeseen soveltuvia hartsi- ja lasikuitutyyppejä on esitelty. Komposiittien mekaaniseen liittämiseen on lyhyesti perehdytty. Työssä suoritettiin useita vetokokeita, joilla selvitettiin puristusrakenteen tutkimista varten valmistettujen koekappaleiden suurin vetokuormankesto. Vetokokeiden perusteella voitiin valita soveltuvin rakenne staattorin puristamiseksi.

Tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelu

Tämä diplomityö käsittelee tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelua. Työssä käydään läpi tuulivoimateollisuuden, -markkinoiden ja -turbiinien historiaa, nykyhetkeä ja tulevaisuuden ennusteita. Tuulivoimaturbiineista esitellään yleisimmät tyypit ja teknologiat, joita vertaillaan keskenään. Lisäksi selvitetään tarkemmin suoravetoisten tuuliturbiinigeneraattoreiden teknologiaa ja teknisiä rakenteita joita myös vertaillaan keskenään. Työn pääasiallisena tarkoituksena on luoda selkeä konseptisuunnitteluprojektin toimintamalli, jota noudattamalla projekti voidaan hoitaa johdonmukaisesti läpi. Lopuksi työssä vielä käydään läpi suoravetoisen kestomagneettigeneraattorin todellinen konseptisuunnitteluprojekti, jossa ei ole ollut käytössä selkeää toimintamallia.

Hybridikomposiittien hyödyntäminen tuulivoimalan rakenteissa

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia hybridikomposiittien soveltuvuutta tuulivoimalan osien tai osakokonaisuuksien rakennemateriaaliksi. Lähtökohtana oli selvittää erityisesti luonnonkuitukomposiitin materiaaliteknisten ominaisuuksien, etenkin lujuusominaisuuksi-en soveltuminen tuulivoiman rakenteisiin. Työn johdanto-osuudessa esitellään tuulivoiman rooli tämän päivän energiantuotannossa, yksittäisen tuulivoimalalaitoksen rakenne, rakenteiden suunnittelussa huomioitavat seikat, voimalan eri osien kuten tornin, lapojen ja nasellin yleisimmät valmistusmenetelmät, sekä muovien ja eri lujitteiden ohella puumuovikomposiitin materiaaliominaisuudet, valmistus-menetelmät ja yleisimmät käyttökohteet. Hybridikomposiittien lujuusominaisuuksia tutkittiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston puutekniikan laboratoriossa suoritetuissa mittauksissa. Saatuja tuloksia verrattiin referens-situlosten ohella myös tällä hetkellä tuulivoimalan rakenteissa yleisesti käytettävien lasi- ja hiilikuidun, sekä teräksen ominaisuuksiin. Mittaustulosten perusteella bambu- ja lasikuitu-lujitteiset puumuovikomposiitit soveltuvat parhaiten tuulivoimalarakenteisiin, mutta niiden valmistaminen ekstruusiomenetelmällä on melko haasteellista.

Performance of small wind turbines: simulation of electricity supply to loads connected to the public or isolated grid

ABSTRACT The successful in the implementation of wind turbines depends on several factors, including: the wind resource at the installation site, the equipment used, project acquisition and operational costs. In this paper, the production of electricity from two small wind turbines was compared through simulation using the computer software HOMER - a national model of 6kW and an imported one of 5kW. The wind resources in three different cities were considered: Campinas (SP/BR), Cubatão (São Paulo/BR) and Roscoe (Texas/ USA). A wind power system connected to the grid and a wind isolated system - batteries were evaluated. The results showed that the energy cost ($/kWh) is strongly dependent on the windmill characteristics and local wind resource. Regarding the isolated wind system – batteries, the full supply guarantee to the simulated electrical load is only achieved with a battery bank with many units and high number of wind turbines, due to the intermittency of wind power.

Tuulivoimateollisuuden tarkastelu patenttianalyysiä hyödyntäen

Työssä luodaan katsaus tuulivoiman käyttöön historiassa sekä tuulivoiman hyödyntämiseen sähköntuotantoon nykyaikaisessa yhteiskunnassa. Lisäksi esitellään modernin kolmilapaisen tuuliturbiinin tekniikkaa. Työssä tarkastellaan kolmen suuren tuulivoimaloita valmistavien yrityksien patentointiaktiivisutta aikavälillä 2000–2010 ja patenttien lukumäärässä, maantieteellisessä vaihtelussa, tyypissä ja luokissa esiintyviä trendejä. Näiden pohjalta luodaan kokonaiskuva tuulivoiman teollisuuden kehityksestä 2000-luvun alussa ja odotetuista tulevaisuuden näkymistä. Vuosituhannen vaihteen jälkeen patentointiaktiivisuus on kasvanut tuulivoimateknologiayrityksillä. Etenkin vuonna 2007 havaitaan piikki patenttien lukumäärässä. Patentointitoiminta on keskittynyt Eurooppaan, Pohjois-Amerikkaan sekä Kiinaan. Tuulivoimateknologian voidaan olettaa kehittyvän sekä koossa että kustannustehokkuudessa.

Höyryturbiinin käytönaikaisen suorituskyvyn seuranta

Tässä diplomityössä jatkettiin Loviisan voimalaitoksen höyryturbiinien suorituskyvyn parannuspotentiaalien tutkimusta. Tavoitteena oli kehittää laitoksen höyryturbiinien suorituskyvyn käytönaikaisia on-line-mittauksia. Selvityksessä perehdyttiin norjalaisen IFE:n kehittämään stationääritilan TEMPOohjelmaan( The Thermal Performance Monitoring And Optimisation system), sen käyttöohjeisiin ja toimintaperiaatteisiin. Työssä esiteltiin laajasti tiedon yhteensovittamisen laskentateoriaa, johon TEMPOn toiminta perustuu. Työssä tarkasteltiin turbiinin todellista paisuntaprosessia, koska sen ymmärtäminen on tärkeässä osassa turbiinin suorituskyvyn valvonnassa. Tutkimuksessa esiteltiin myös turbiineille mahdollisia vikoja sekä niiden syntymisprosesseja. Työssä tarkasteltiin TEMPOn sovittamien tulostiedostojen analysointiohjelman toimivuutta havaitsemalla itse aiheutettuja poikkeamia todellisiin mittaustiedostoihin. Analysointiohjelmalla muodostettuja kuvaajia vertailtiin todellisen prosessin ajotilanteen kuvaajiin ja tarkasteltiin, kuinka poikkeamia on mahdollista havaita kuvaajien avulla. TEMPO-ohjelmalle löydettiin tutkimuksen edetessä kehittämisehdotuksia. Näillä muutoksilla ohjelma saadaan mallintamaan Loviisan voimalaitoksen turbiiniprosessia tarkemmin ja tuloksista saadaan hyödyllisempiä.

Painevesityyppisen ydinvoimalaitoksen sekundääripiirin mallinnus

Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää entistä tarkempi ja luotettavampi työkalu Loviisan ydinvoimalaitoksen ensimmäisen reaktoriyksikön sekundääripiirin 50-linjan stationääritilan toiminnan arviointiin. Toisena tavoitteena oli kartoittaa ja raportoida mallintamiseen käytetyn SOLVO-ohjelman kehitysmahdollisuuksia. Tutkimusten perusteella kehitettiin testatusti toimiva prosessimalli, joka dokumentoitiin ja validoitiin yksityiskohtaisesti. Tulevaisuudessa tapahtuvaa kehitystyötä, ja mallin käyttöä varten kehitettiin lisäksi Excel-pohjainen työkalu, jonka avulla SOLVO:n ja Excelin välinen integraatio voidaan myöhemmin julkaistavassa SOLVO:n versiossa viedä nykyistä pidemmälle. Mallintamistyön ohella tutkimuksen aikana selvitettiin olennaisimmat SOLVO:n erityispiirteet ja vahvuudet sekä kartoitettiin sen käyttöön liittyvät kehitystarpeet. Tärkeimpänä kehitysehdotuksena nousi esiin yksittäisissä komponenteissa suoritetun laskennan läpinäkyvyyden parantaminen. Seuraavassa kehitysvaiheessa myös komponenttikohtaiset laskentayhtälöt olisi suositeltavaa asettaa avoimiksi käyttäjäkohtaisille muutoksille. Työn aikana saavutettiin myös muita merkittäviä tuloksia, jotka liittyivät pääosin rinnak-kaisten 10- ja 50-linjojen välisiin yhteyksiin. Linjojen välisiä vaikutuksia analysoitaessa huomattiin niiden olevan olennaisessa asemassa erityisesti sarja-ajon aikana. Mikäli mallilla halutaan kuvata sekä sarja- että rinnanajoa, sen on käsitettävä molemmat linjat ja kaikki niihin liittyvät komponentit. Edellä mainitun lisäksi mallipohjaisen tarkastelun tuloksena tehtiin havaintoja, joiden perusteella nykyistä prosessia voidaan edelleen kehittää. Näistä havainnoista tärkeimpänä merivesipumppujen optimaalisen säätölämpötilan todettiin asettuvan 4,5 – 4,6 °C välille. Toinen huomio liittyi matalapaineturbiinien ulosvirtaushäviöihin, joihin hukataan juoksusta riippuen keskimäärin noin 10 kJ/kg enemmän entalpiaa kuin parhaassa mahdollisessa tapauksessa. Validoinnin yhteydessä havaituista pienistä poikkeamista huolimatta kehitetty malli vastaa hyvin laitokselta saatuja mittaustuloksia sekä muita samassa yhteydessä käytettyjä luotet-tavuuden arviointikriteerejä.

Höyryturbiinin vaikutus ulosvirtauskanavan suorituskykyyn

Diplomityössä käsitellään ydinvoimalaitoksen matalapaineturbiinin ulosvirtauskanavaa. Tavoitteena oli tarkastella ulosvirtauskanavassa syntyviä häviöitä sekä niiden pienentämistä. Tarkastelussa käsiteltiin jossain määrin myös turbiinin viimeisessä siipivaiheessa syntyviä häviöitä. Työssä selvitettiin Loviisan voimalaitoksella tehtyihin mittauksiin perustuen painehäviö ulosvirtauskanavassa lauhduttimen paineen funktiona ja näiden syntyvien häviöiden vaikutusta turbiinin tuottamaan teoreettiseen tehoon. Ulosvirtauskanavan diffuusoria käsiteltiin omana laajana kokonaisuutenaan. Aluksi tarkasteltiin diffuusorin suorituskykyä yksinkertaisiin laskelmiin perustuen, jonka jälkeen diffuusorin toimintaa mallinnettiin FLUENT – laskentaohjelmalla, jolloin voitiin paremmin havainnollistaa virtauksen käyttäytymistä diffuusorissa. Kokeellisia mittaustuloksia ei ollut käytössä, joten laskennan oikeellisuus jäi tältä osin toteamatta.

Suurnopeus-turbokoneroottoreiden termodynaaminen ja mekaaninen mallinnus sekä rakenneanalyysi

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan suurnopeustekniikan eri sovelluksissa ilmeneviä roottoreihin liittyviä rakenteellisia vaatimuksia ja haasteita. Tässä yhteydessä suurnopeustekniikalla tarkoitetaan järjestelyä, jossa sähkökone (moottori, generaattori) ja toimilaite (turbiini, kompressori, puhallin) on kytketty ilman vaihdetta suoraan mekaanisesti yhteen ja jossa yhteisen roottorin pyörimisnopeus on selvästi suurempi kuin 50/60 hertsin verkosta syötetyn kaksinapaisen vaihtovirtasähkökoneen tahtinopeus. Tyypillistä suurnopeuskoneen roottorille on suuri tehotiheys ja suuri mekaaninen kuormitus. Siksi esimerkiksi sähkökoneen jäähdytys on entistä haasteellisempaa kasvavien rautahäviöiden ja pienempien lämmönsiirtopinta-alojen vuoksi. Tämän työn tavoitteet voidaan jakaa kolmeen osaan:  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu, jonka tavoitteena on pienentää lämmönkehitystä ja tehostaa kriittisten kohtien jäähdytystä. Tähän liittyy sähkömagneettisten häviöiden keskittäminen jäähdytyksen kannalta edullisiin kohtiin  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu kriittisten ominaistaajuuksien kannalta  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen analysointi lujuustekniseltä kannalta. Tähän liittyvät mm. erilaiset ahdistussovitteet ja niiden säilyminen korkeilla pyörimisnopeuksilla sekä niiden roottoria jäykistävä vaikutus ja lämmön johtuminen kyseisissä liitospinnoissa. Tämän työn tieteellinen uutuusarvo on nimenomaan yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin rakenteen analysointi ottamalla samanaikaisesti huomioon kaikki edellä mainitut näkökohdat: jäähtyminen erityisen kuumissa kohdissa, sähköisten häviöiden alentaminen ja niiden jakautuman huomioon ottaminen, roottorin jäykkyyden maksimointi, lujuusrasitusten hallinta ja rakenteen mekaaninen stabiliteetti sekä lämpöteknisten ylimenovastusten tarkastelu.

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Raportti on jatkoa aikaisemmille tutkimuksille, joista viimeisin julkaistiin 2008. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos, tuulivoimala ja uutena aurinkovoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja maaliskuun 2012 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus, kun laitos rakennetaan olemassaolevalle tontille olisi 43,7 €/MWh, täysin uuden ydinvoimalaitoksen 57,9 €/MWh, kaasusähkön 75,4 €/MWh, turvelauhteen 75,4 €/MWh ja hiilisähkön hiilidioksidin talteenotolla 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Vastaavasti uusiutuvista puupolttoainelauhdesähkön tuotantokustannus olisi 70,2 €/MWh kun taas 2200 tunnin huipunkäyttöajalla maalla sijaitsevan tuulivoimalaitoksen sähkön tuotantokustannus 52,7 €/MWh ja merellä sijaitsevan tuulivoimalaitoksen 76,8 €/MWh. Erillistarkastelussa arvioitiin suurien keskittävää teknologiaa käyttävän aurinko-voimalaitoksen tuotantokustannuksen ylittävän 100 €/MWh ollen todennäköisesti lähempänä 150 €/MWh. Arvio piensähkön tuotantokustannuksista aurinkosähköisillä paneeleilla vaihtelee 90 – 130 €/MWh. Merkittävin kustannussäästö syntyy, jos aurinkosähköpaketteja voidaan tarjota kuluttajalle kokonaistoimituksena avaimet käteen. Aurinkosähkön tuottaminen kotikeräimillä näyttääkin olevan vaiheessa, jossa se on selkeästi pienkäyttäjälle edullista mikäli sijoitettava pääoma 6000 – 18000 € ei vaadi ulkopuolista rahoitusta.

Power cycling lifetime estimation of IGBT power modules based on chip temperature modeling

In this doctoral thesis, methods to estimate the expected power cycling life of power semiconductor modules based on chip temperature modeling are developed. Frequency converters operate under dynamic loads in most electric drives. The varying loads cause thermal expansion and contraction, which stresses the internal boundaries between the material layers in the power module. Eventually, the stress wears out the semiconductor modules. The wear-out cannot be detected by traditional temperature or current measurements inside the frequency converter. Therefore, it is important to develop a method to predict the end of the converter lifetime. The thesis concentrates on power-cycling-related failures of insulated gate bipolar transistors. Two types of power modules are discussed: a direct bonded copper (DBC) sandwich structure with and without a baseplate. Most common failure mechanisms are reviewed, and methods to improve the power cycling lifetime of the power modules are presented. Power cycling curves are determined for a module with a lead-free solder by accelerated power cycling tests. A lifetime model is selected and the parameters are updated based on the power cycling test results. According to the measurements, the factor of improvement in the power cycling lifetime of modern IGBT power modules is greater than 10 during the last decade. Also, it is noticed that a 10 C increase in the chip temperature cycle amplitude decreases the lifetime by 40%. A thermal model for the chip temperature estimation is developed. The model is based on power loss estimation of the chip from the output current of the frequency converter. The model is verified with a purpose-built test equipment, which allows simultaneous measurement and simulation of the chip temperature with an arbitrary load waveform. The measurement system is shown to be convenient for studying the thermal behavior of the chip. It is found that the thermal model has a 5 C accuracy in the temperature estimation. The temperature cycles that the power semiconductor chip has experienced are counted by the rainflow algorithm. The counted cycles are compared with the experimentally verified power cycling curves to estimate the life consumption based on the mission profile of the drive. The methods are validated by the lifetime estimation of a power module in a direct-driven wind turbine. The estimated lifetime of the IGBT power module in a direct-driven wind turbine is 15 000 years, if the turbine is located in south-eastern Finland.

Tuulivoima; kehitys, investoinnit ja työllisyys Suomessa

Tuulivoimalla on pitkä historia. Tuulivoima soveltuu nykyajan energiantuotantoon. Suunniteltaessa ja rakennettaessa uusia tuulivoimaloita on tunnettava tuulisuuteen vaikuttavat tekijät samoin kuin tuulivoimalan sijoituspaikalla on tehtävä perusteelliset tuu-liolosuhdemittaukset. Nykyisellä sähkön hinnalla tuulivoimalat eivät ole täysin kilpailukykyisiä, joten niitä on tuettava. Tukimuotoja on monia. Suomessa pääasiallinen tukimuoto on syöttötariffi. Vallitseva politiikka on ratkaisevassa asemassa luotaessa tukijärjestelmiä tuulivoimalle. Suomessa tehtävät tuulivoimainvestoinnit ovat kasvussa. Tuulivoimaan liittyy niin hyviä kuin huonoja puolia. Huonot puolet ovat ratkaistavissa. Päästökaupan kannalta on tuulivoima yksi keino alentaa kasvihuonekaasuja ilmakehässä. Tuulivoiman osuuden kasvattaminen sähköntuotannossa luo työpaikkoja Suomeen ja luo vientimahdollisuuksia ulkomaille. Tuulivoimalla on valoisa tulevaisuus.

Arc fusion of self-fluxed nickel alloys

Self-fluxed nickel alloys are usually flame fused after thermal spraying. However, due to the practical aspects of high temperatures reached during flame fusing, large structures such as the hydraulic turbines for power generation, can not be efficiently coated. An alternative is to fuse the sprayed coating with a gas tungsten electric arc. In this case, heating is much more intensive and substrate temperature during and after the fusing operation is much lower, thus reducing the possibility that any problem will occur. In this work, coatings of self-fluxed nickel alloy fused by flame and gas tungsten arc were evaluated as protection of hydraulic turbines against cavitational damage. Several tests were performed, including the ASTM ultrasonically vibration-induced cavitation, optical and scanning electronic microscopic metallography, and hardness tests. The results showed that the arc-fused coating presented better cavitation damage resistance, probably due to its finer microstructure. A field application of this new technique is also described. A self-fluxed Ni alloy was flame sprayed in critical regions of Francis-type hydraulic turbine blades and fused by a gas tungsten arc after spraying. The blades will be inspected during the next two years.