Assessment of Environmental Impacts of Power Generation

Through indisputable evidence of climate change and its link to the greenhouse gas emissions comes the necessity for change in energy production infrastructure during the coming decades. Through political conventions and restrictions energy industry is pushed toward using bigger share of renewable energy sources as energy supply. In addition to climate change, sustainable energy supply is another major issue for future development plans, but neither of these should come with unbearable price. All the power production types have environmental effects as well as strengths and weaknesses. Although each change comes with a price, right track in minimising the environmental impacts and energy supply security can be found by combining all possible low-carbon technologies and by improving energy efficiency in all sectors, for creating a new power production infrastructure of tolerable energy price and of minor environmental effects. GEMIS-Global Emission Model for Integrated Systems is a life-cycle analysis program which was used in this thesis to make indicative energy models for Finland’s future energy supply. Results indicate that the energy supply must comprise both high capacity nuclear power as well as large variation of renewable energy sources for minimization of all environmental effects and keeping energy price reasonable.

Technical Wind Energy Potential in Russia

The goal of the master's thesis is a detailed research of the technical wind energy potential in Russian Federation: the distribution of the potential all over the territory of the country and the possibility of the application of the potential for power supply of various objects. The main attention of the thesis is devoted to the assessment of wind energy resources (potential) of Russian Federation, both for the territory of country in whole and for every region. Theoretical basic wind energy concepts and the scheme of transformation of kinetic energy of a wind into electric energy by modern wind turbines are given in the work. Also the costs of energy, stimuli of development of wind-engineering and obstacles which impact the industry development are analyzed. The review of existent and projected wind power plants in Russia is carried out.

Reaktoreiden termisen tehon laskennan epävarmuuksien kartoitus

Diplomityössä selvitettiin Fortum Power and Heat Oy:n Loviisan VVER-440 painevesireaktorilaitosten termisen tehon laskentaan liittyviä epävarmuuksia. Laitoksen turvallisuusteknisissä käyttöehdoissa (TTKE) määrätään reaktorin suurimmaksi sallituksi lämpötehoksi 1500 MW. Tähän perustuen haluttiin selvittää nykyiseen RT1 laskentaan liittyvät epävarmuudet tarkastamalla nykyinen laskenta ja siinä käytetyt termohydrauliset laskentasovitteet. Työn alussa selostetaan lyhyesti Loviisan voimalaitoksen toimintaperiaate, jonka jälkeen esitellään laskentaan osallistuvat prosessimittaukset ja niihin liittyvät epävarmuustekijät. Mittauksille määritettiin epävarmuudet käyttäen hyödyksi komponenttivalmistajien tietoja sekä laitoksen kalibrointitodistuksia ja näiden lisäksi laskettiin standardin mukainen virhe virtauslaipoille. Edellä mainittujen virheiden perusteella voitiin laskea tehon epävarmuudet yksittäiselle höyrystimelle, josta edelleen varianssien summamenetelmällä saatiin reaktorin termiselle teholle 0,78 %:n epävarmuus 95 % luottamustasolla. Laskettua tehon epävarmuutta verrattiin Monte Carlo -menetelmällä suoritettuun tarkistuslaskentaan, jolla termisen tehon epävarmuudeksi saatiin 0,53 %, luottamustason ollessa 95 %. Työssä tarkasteltiin keskiarvotuksen vaikutusta mittausdataan. Näissä tarkasteluissa havaittiin pinnansäädöstä aiheutuva reaktoritehon huojunta, joka oli työn merkittävin havainto.

Improving the calculation of rate of stratification in APROS

APROS (Advanced Process Simulation Environment) is a computer simulation program developed to simulate thermal hydraulic processes in nuclear and conventional power plants. Earlier research at VTT Technological Research Centre of Finland had found the current version of APROS to produce inaccurate simulation results for a certain case of loop seal clearing. The objective of this Master’s thesis is to find and implement an alternative method for calculating the rate of stratification in APROS, which was found to be the reason for the inaccuracies. Brief literature study was performed and a promising candidate for the new method was found. The new method was implemented into APROS and tested against experiments and simulations from two test facilities and the current version of APROS. Simulation results with the new version were partially conflicting; in some cases the new method was more accurate than the current version, in some the current method was better. Overall, the new method can be assessed as an improvement.

Tritiumin kulkeutumisreitit ja tritiuminventaari Loviisan voimalaitoksella

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää Loviisan voimalaitoksen vesijärjestelmien tritiuminventaari sekä tritiumin kulkeutuminen eri järjestelmissä. Kulkeutumisreittien kartoittamisessa keskityttiin erityisesti kaasujenkäsittely- ja ilmastointiprosesseihin, ilmapäästöjen lähteen selvittämiseksi. Työssä perehdyttiin tritiumin tuottoon ja päästöihin Loviisan VVER- tyyppisessä ydinvoimalaitoksessa. Lisäksi esiteltiin selvitystä varten tarkasteltavat voimalaitoksen vesiilmastointi- ja kaasujenkäsittelyjärjestelmät. Työssä esiteltiin myös tritiumpäästöjä sekä tritiumin mittausmenetelmiä Loviisan voimalaitoksella. Tritiuminventaarin selvittämiseksi otettiin vesinäytteitä niiden järjestelmien säiliöistä, joiden oli tunnistettu sisältävän tritiumpitoisia vesiä. Tritiumin kulkeutumisreittien selvittämiseksi vesinäytteiden lisäksi otettiin ilmasta ja eri järjestelmistä näytteitä tritiumkerääjillä. Tehtyjen mittausten perusteella määritettiin Loviisan voimalaitoksen tritiuminventaari. Tarkasteltujen järjestelmien sisältämä tritiuminventaari on alle puolet normaalista vuotuisesta tritiumvesipäästöstä eikä sen vuoksi aiheuta toimenpiteitä käytöstä poistoa ajatellen. Ilmapäästöjen tritiumin kulkeutumisreittien määrityksessä tunnistettiin pääreiteiksi TL-ilmastoinnit. Kaasujenkäsittelyjärjestelmien osuus ilmapäästöjen tritiumista oli huomattavasti pienempi.

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.

Integration of Torrefaction with Steam Power Plant

Torrefaction is one of the pretreatment technologies to enhance the fuel characteristics of biomass. The efficient and continuous operation of a torrefaction reactor, in the commercial scale, demands a secure biomass supply, in addition to adequate source of heat. Biorefinery plants or biomass-fuelled steam power plants have the potential to integrate with the torrefaction reactor to exchange heat and mass, using available infrastructure and energy sources. The technical feasibility of this integration is examined in this study. A new model for the torrefaction process is introduced and verified by the available experimental data. The torrefaction model is then integrated in different steam power plants to simulate possible mass and energy exchange between the reactor and the plants. The performance of the integrated plant is investigated for different configurations and the results are compared.

Lauhdevoimakapasiteetin ennenaikaisen poistumisen energiataloudelliset vaikutukset

Tässä diplomityössä on tutkittu lauhdekapasiteetin ennenaikaisen markkinoilta poistumisen energiataloudellisia vaikutuksia. Tarkastelu toteutettiin sähkömarkkinamallinnuksen avulla luomalla kaksi erilaista lauhdekapasiteettiskenaariota perustuen arvioituun lauhdekapasiteetin poistumiseen sekä vastavuoroisesti sen säilymiseen markkinoilla. Skenaarioiden vaikutuksia tutkittiin myös herkkyystarkasteluin ja tuloksia analysoitiin energiataloudellisesta näkökulmasta. Työn tavoitteena oli selvittää lauhdekapasiteetin ennenaikaisen poistumisen energiataloudellista kustannusta. Viime vuosien pitkittynyt talouden taantuma on hillinnyt kysynnän ennakoitua kehitystä johtaen alhaiseen sähkön markkinahintatasoon. Samalla tiukentuneet energiatuotannon ympäristövaatimukset asettavat investointirasitteita perinteisille voimalaitoksille heikentäen niiden taloudellisen kannattavuuden edellytyksiä. Markkinasähkön alhainen hintataso yhdessä investointirasitteiden kanssa asettaa haasteita etenkin usein rajatuotantomuotona toimiville lauhdelaitoksille. Alhaisen kannattavuuden seurauksena lauhdekapasiteettia arvioidaan poistuvan ennen teknisen käyttöiän täyttymistä markkinoilta merkittävästi lähivuosina. Kapasiteetin poistuminen kasvattaa oman tuotannon ja kysynnän välistä tehovajetta, minkä vuoksi sähköjärjestelmän nähdään tiukentuvan merkittävästi ennen rakenteilla olevan ydinvoimalaitoksen valmistumista. Työssä toteutettujen mallinnusten perusteella lauhdekapasiteetin väheneminen nostaa sähkön hintatasoa sekä lisää korkeiden hintapiikkien esiintymistä merkittävästi suhteessa korkeamman kapasiteetin tuloksiin. Sähköjärjestelmä on hyvin tiukka ennen rakenteilla olevan ydinvoimalaitoksen käyttöönottoa, minkä vuoksi lauhdekapasiteetin eroavaisuuksien vaikutukset ovat merkittävä etenkin poikkeuksellisen kylmänä vuotena. Lauhdekapasiteetin merkitys pienenee selvästi 2020-luvulla, kun oma tuotantokapasiteetti kasvaa. Työn tulosten perusteella lähivuosina alhaisemman lauhdekapasiteetin aiheuttama vuotuinen energiataloudellinen kustannus on huomattavasti korkeampi kuin laitosten kannattavan ylläpidon vaatima kustannus.

Ydinvoiman säädettävyys laajamittaisesti sähköä varastoivassa energiajärjestelmässä

Tulevaisuudessa tuuli- ja aurinkovoiman osuus sähköntuotannosta tulee kasvamaan. Näiden uusiutuvien energiamuotojen tuotanto kuitenkin vaihtelee sääolosuhteiden mukaan. Tästä johtuen tarvitaan lisää säätövoimaa, jotta voidaan vastata sähkönkulutukseen tuuli- ja aurinkosähkön tuotannon laskiessa. Tässä työssä tarkastellaan mahdollisuutta toteuttaa sähkönkulutuksen ja tuotannon tasapainottaminen Suomessa sähkön varastoinnin avulla sekä ydinvoiman soveltuvuutta säätövoimaksi ja ydinsähkön varastoinnin kannattavuutta. Työssä vertaillaan mahdollisuuksia sähkön varastointiteknologioiksi, joista valitaan potentiaalisimmat vaihtoehdot kustannus- ja soveltuvuustarkasteluun. Varastointikapasiteetin tarvetta tarkastellaan Suomen nykyisen sähkönkulutuksen ja -tuotannon mukaan sekä tilanteessa, jossa tuuli- ja aurinkovoiman osuus on molemmilla 15 % kokonaistuotantokapasiteetista. Vanhempien sekä nykyaikaisten ydinvoimaloiden soveltuvuutta säätövoimaksi tarkastellaan laitosten säädettävyyden perusteella. Ydinvoimalaa on kuitenkin kannattavinta käyttää mahdollisimman suurella käyttökertoimella, joten tarkastelussa on myös mahdollisuus varastoida sähköä tilanteissa, joissa tuotantoa jouduttaisiin rajoittamaan. Varastointiteknologioiden ja eri skenaarioissa vaadittujen varastointikapasiteettien perusteella voidaan todeta, ettei sähkönkulutuksen ja -tuotannon tasapainottaminen sähkön varastoinnilla ole kannattavaa nykyisillä varastointikustannuksilla ja sähkön hinnoilla. Ydinvoiman voidaan todeta soveltuvan hyvin säätövoimaksi ominaisuuksien puolesta, mutta taloudellisesti se ei ole paras vaihtoehto. Ydinvoimalla tuotetun sähkön varastointi ei ole tällä hetkellä Suomessa kannattavaa matalien sähkön hintojen ja korkeiden varastointikustannusten vuoksi. Sähkön varastoinnista on mahdollista tulla kannattavaa 2020-luvulla. Tämä edellyttää Yhdysvaltojen energiaministeriön asettaman strategian toteutumista, jonka tavoitteena on varastoimalla tuotetun sähkön kustannusten saaminen alle 75 €/MWh.

Large scale solar power plant flat roof and carport installation in Finland

This work focuses on the 159.5 kW solar photovoltaic power plant project installed at the Lappeenranta University of Technology in 2013 as an example of what a solar plant project could be in Finland. The project consists of a two row carport and a flat roof installation on the roof of the university laboratories. The purpose of this project is not only its obvious energy savings potential but also to serve as research and teaching laboratory tool. By 2013, there were not many large scale solar power plants in Finland. For this reason, the installation and data experience from the solar power plant at LUT has brought valuable information for similar projects in northern countries. This work includes a first part for the design and acquisition of the project to continue explaining about the components and their installation. At the end, energy produced by this solar power plant is studied and calculated to find out some relevant economical results. For this, the radiation arriving to southern Finland, the losses of the system in cold weather and the impact of snow among other aspects are taken into account.

Optimal processing chain for waste power plant

This study is done to examine waste power plant’s optimal processing chain and it is important to consider from several points of view on why one option is better than the other. This is to insure that the right decision is made. Incineration of waste has devel-oped to be one decent option for waste disposal. There are several legislation matters and technical options to consider when starting up a waste power plant. From the tech-niques pretreatment, burner and flue gas cleaning are the biggest ones to consider. The treatment of incineration residues is important since it can be very harmful for the envi-ronment. The actual energy production from waste is not highly efficient and there are several harmful compounds emitted. Recycling of waste before incineration is not very typical and there are not many recycling options for materials that cannot be easily re-cycled to same product. Life cycle assessment is a good option for studying the envi-ronmental effect of the system. It has four phases that are part of the iterative study process. In this study the case environment is a waste power plant. The modeling of the plant is done with GaBi 6 software and the scope is from gate-to-grave. There are three different scenarios, from which the first and second are compared to each other to reach conclusions. Zero scenario is part of the study to demonstrate situation without the power plant. The power plant in this study is recycling some materials in scenario one and in scenario two even more materials and utilize the bottom ash more ways than one. The model has the substitutive processes for the materials when they are not recycled in the plant. The global warming potential results show that scenario one is the best option. The variable costs that have been considered tell the same result. The conclusion is that the waste power plant should not recycle more and utilize bottom ash in a number of ways. The area is not ready for that kind of utilization and production from recycled materials.

Development of laboratory exercises for basic nuclear thermal hydraulics measurements

The thesis focuses on light water reactors (pressurized water reactors, boiling water reactors) and measurement techniques for basic thermal hydraulics parameters that are used in a nuclear power plant. The goal of this work is a development of laboratory exercises for basic nuclear thermal hydraulics measurements.

Canadian Niagara Power Company fonds

Power at the Falls: The first recorded harnessing of Niagara Falls power was in 1759 by Daniel Joncairs. On the American side of the Falls he dug a small ditch and drew water to turn a wheel which powered a sawmill. In 1805 brothers Augustus and Peter Porter expanded on Joncairs idea. They bought the American Falls from New York State at public auction. Using Joncairs old site they built a gristmill and tannery which stayed in business for twenty years. The next attempt at using the Falls came in 1860 when construction of the hydraulic canal began by the Niagara Falls Hydraulic Power and Manufacturing Co. The canal was complete in 1861 and brought water from the Niagara river, above the falls, to the mills below. By 1881 the Niagara Falls Hydraulic Power and Manufacturing Co. had a small generating station which provided some electricity to the village of Niagara Falls and the Mills. This lasted only four years and then the company sold its assets at public auction due to bankruptcy. Jacob Schoellkopf arrived at the Falls in 1877 with the purchase of the hydraulic canal land and water and power rights. In 1879 Schoellkopf teamed up with Charles Brush (of Euclid Ohio) and powered Brush’s generator and carbon arc lights with the power from his water turbines, to illuminate the Falls electrically for the first time. The year 1895 marked the opening of the Adam No. 1 generating station on the American side. The station was the beginnings of modern electrical utility operations. The design and operations of the generating station came from worldwide competitions held by panels of experts. Some who were involved in the project include; George Westinghouse, J. Pierpont Morgan, Lord Kelvin and Nikoli Tesla. The plants were operated by the Niagara Falls Power Company until 1961, when the Robert Moses Plant began operation in Lewiston, NY. The Adams plants were demolished that same year and the site used as a sewage treatment plant. The Canadian side of the Falls began generating their own power on January 1, 1905. This power came from the William Birch Rankine Power Station located 500 yards above the Horseshoe Falls. This power station provided the village of Fort Erie with its first electricity in 1907, using its two 10,000 electrical horsepower generators. Today 11 generators produce 100,000 horsepower (75 megawatts) and operate as part of the Niagara Mohawk and Fortis Incorporated Power Group.