Energiatehokkuuden parantaminen teollisuushalleissa - Etelä-Karjalan pienten ja keskisuurten konepaja- ja kunnossapitoyritysten energiaohjelma

Työn tarkoituksena on lisätä Etelä-Karjalan pienten ja keskisuurten konepaja- ja kunnossapitoyritysten tietoisuutta energiatehokkuudesta sekä muista niitä koskettavista energia-asioista. Tietoisuuden lisäämiseksi tutkittiin yritysten energiankulutusta ja kulutustapoja. Tutkimusten pohjalta on kehitetty työkalu, energiaohjelma, jonka avulla tutkimuksen kohteena olleet yritykset voivat itse tarkastella omaa energiankulutustaan ja –tehokkuuttaan. Energiaohjelmaa lähdettiin kehittelemään tutkimuksessa mukana olevan yritysryhmään kuuluvien yritysten haastattelujen pohjalta. Lisäksi muutamiin kohteisiin käytiin tutustumassa energiatehokkuuden mahdollisiin parannuskohtiin paikan päällä. Ohjelma muodostettiin näissä tapahtumissa havainnoitujen tarpeiden pohjalta. Haastattelujen lisäksi tutkimuksessa on käytetty lähteenä myös kirjallisuutta, tärkeimpinä Suomen rakentamismääräyskokoelmat. Ohjelman testausta varten toteutettiin pilottiprojekti, josta saatiin laskennallisesti lupaavia tuloksia. Lämmöntalteenoton lisääminen teollisuushallin poistoilmaan osoittautui hyväksi tavaksi lisätä pilottiprojektissa mukana olleen yrityksen energiatehokkuutta ja hankkeen takaisinmaksuaika jäi alhaiseksi. Jatkoa ajatellen olisi hyvä, jos ohjelmaa voitaisiin kehittää edelleen samankaltaisten kohteiden avulla enemmän yrityksiä palvelevaksi kokonaisuudeksi.

Monitoring of centrifugal pump operation by a frequency converter

Centrifugal pumps are widely used in industrial and municipal applications, and they are an important end-use application of electric energy. However, in many cases centrifugal pumps operate with a significantly lower energy efficiency than they actually could, which typically has an increasing effect on the pump energy consumption and the resulting energy costs. Typical reasons for this are the incorrect dimensioning of the pumping system components and inefficiency of the applied pump control method. Besides the increase in energy costs, an inefficient operation may increase the risk of a pump failure and thereby the maintenance costs. In the worst case, a pump failure may lead to a process shutdown accruing additional costs. Nowadays, centrifugal pumps are often controlled by adjusting their rotational speed, which affects the resulting flow rate and output pressure of the pumped fluid. Typically, the speed control is realised with a frequency converter that allows the control of the rotational speed of an induction motor. Since a frequency converter can estimate the motor rotational speed and shaft torque without external measurement sensors on the motor shaft, it also allows the development and use of sensorless methods for the estimation of the pump operation. Still today, the monitoring of pump operation is based on additional measurements and visual check-ups, which may not be applicable to determine the energy efficiency of the pump operation. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the use of a frequency converter as a monitoring and analysis device for a centrifugal pump. Firstly, the determination of energy-efficiency- and reliability-based limits for the recommendable operating region of a variable-speed-driven centrifugal pump is discussed with a case study for the laboratory pumping system. Then, three model-based estimation methods for the pump operating location are studied, and their accuracy is determined by laboratory tests. In addition, a novel method to detect the occurrence of cavitation or flow recirculation in a centrifugal pump by a frequency converter is introduced. Its sensitivity compared with known cavitation detection methods is evaluated, and its applicability is verified by laboratory measurements for three different pumps and by using two different frequency converters. The main focus of this thesis is on the radial flow end-suction centrifugal pumps, but the studied methods can also be feasible with mixed and axial flow centrifugal pumps, if allowed by their characteristics.

Sähkö- ja hybridiautojen voimansiirtojärjestelmien jännitetasot

Kasvihuonekaasu- ja hiilidioksidipäästöt ovat kasvaneet viimeisten vuosikymmenten aikana merkittävästi. Merkittävimpiä päästöjen lähteitä ovat liikenteessä ja energiantuotannossa käytetyt fossiiliset polttoaineet. Kaikista maailman kasvihuonepäästöistä liikenne aiheuttaa noin 13 %, josta yli 80 % on tieliikenteen aiheuttamia päästöjä. Jotta tieliikenteen ai-heuttamia päästöjä saataisiin vähennettyä on tieliikenteeseen kehitettävä yhä vähäpäästöisempiä ja päästöttömiä kulkuvälineitä. Tämä on ollut yksi päätekijä sähkö- ja hybridiautojen kehitykseen. Tässä kandidaatintyössä selvitetään sähkö- ja hybridiautoissa käytettyjä jännitetasoja sekä voimansiirtojärjestelmissä käytettyjä komponentteja. Työ rajoittuu ainoastaan henkilöautoihin, joista tarkastelun kohteena ovat sähkö-, hybridi- ja muunnossähköautot. Työssä tarkastellaan myös sähkö- ja hybridiautojen tulevaisuuden näkymiä turvallisuuden ja standardoinnin kannalta. Työssä esitettyjen tietojen perusteella saadaan selkeä näkemys siitä, miten käytetyt jännitetasot ja komponentit vaihtelevat eri autovalmistajien kesken. Korkeammat jännitetasot ovat energiatehokkuuden kannalta parempia, mutta aiheuttavat vaatimuksia käyttöturvallisuuteen liittyvissä kysymyksissä.

Taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuudet kompressorijärjestelmien elinkaarikustannusten optimoimisessa

Paineilmaa on kutsuttu neljänneksi perushyödykkeeksi veden, sähkön ja kaasun lisäksi. Paineilman kuluttaja on usein myös sen tuottaja. EU:n alueen teollisuudessa keskimää-rin 16 % kulutetusta kokonaissähkötehosta kuluu ilmakompressoreiden käyttöön. Taa-juusmuuttajan käyttö on viime vuosikymmeninä lisääntynyt merkittävästi, kun on pyrit-ty energiatehokkaisiin ratkaisuihin esimerkiksi pumppaus- ja puhallinjärjestelmissä. Kompressorijärjestelmissä taajuusmuuttajien käyttö ei ole vielä yhtä yleistä kuin esi-merkiksi pumppukäytöissä, vaikka taajuusmuuttajan käytöllä saavutetaan useimmissa tapauksissa huomattavia etuja. Tässä työssä tutkitaan taajuusmuuttajan hyödyntämismahdollisuuksia kompressorijär-jestelmien käytönaikaisten elinkaarikustannusten optimoimisessa. Työssä selvitetään säästöpotentiaalia, ja pohditaan pyörimisnopeussäädöllä saavutettavia etuja eri komp-ressorityypeillä. Lopuksi muodostetaan elinkaarikustannusanalyysit kahdelle todelliselle teollisuuden kompressorikohteelle. Tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustyö sekä asi-antuntijahaastattelut teollisuudesta. Työn tavoitteena on kartoittaa taajuusmuuttajan hyödyntämispotentiaalia kompressorijärjestelmissä ja luoda pohjaa mahdolliselle jatko-tutkimukselle.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön suunnittelu ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Ympäristörasituksen vähentäminen, tiukkenevat päästörajat ja ehtyvät öljyvarat ovat ajaneet kulkuvälineteollisuuden hakemaan uusia vaihtoehtoja ajoneuvojen energiatehokkuuden kehittämiseksi. Hybriditeknologia tarjoaa ratkaisuja kustannustehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden parantamiseksi. Hybriditeknologian yleistyessä myös työkoneympäristössä saadaan paitsi kehitettyä energiatehokkaampia ja pienemmillä käyttökustannuksilla olevia työkoneita, niin myös tuotua siviiliajoneuvoista tuttuja turvallisuusominaisuuksia työkoneympäristöön. Perinteisten diesel-moottorien korvaaminen nopeavasteisilla ja tarkasti säädettävillä sähkömoottoreilla tarjoaa mahdollisuuksia toteuttaa tarkempia ja monipuolisempia säätöjärjestelmiä kuin perinteisessä ympäristössä. Tässä diplomityössä suunnitellaan luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö hybridityökoneympäristöön. Järjestelmä voi käyttökohteesta riippuen pienentää huomattavasti käyttökustannuksia ja mahdollistaa uusien sovellusten tuomista markkinoille, kuten esimerkiksi kääntymisen avustaminen differentiaalisella ohjauksella.

Teurasjätteiden jalostaminen liikennepolttoaineiksi

Työssä määritettiin luokan 2 eläinperäisistä sivutuotteista liikennekäyttöön tuotettujen biodieselin ja biometaanin elinkaaren aikaiset kasvihuonekaasupäästöt ja tuotantoprosessien energiankulutukset perustuen kirjallisuuslähteistä saatuihin lähtötietoihin. Tätä kautta tutkittiin yhdistelmäprosessia, jossa tuotetaan molempia polttoaineita ja selvitettiin onko tällaisella tuotantotavalla mahdollista vähentää päästöjä ja parantaa polttoaineiden tuotannon energiatehokkuutta. Kasvihuone-kaasupäästöjen laskentamenetelmä pohjautuu direktiivissä 2009/28/EY annettuun ohjeistukseen ja eri kasvihuonekaasupäästöjen karakterisointi IPCC:n sadan vuoden tarkastelumalliin. Käytännön laskenta suoritettiin standardien SFS-EN ISO 14040 ja 14044 määrittelemän elinkaariarviointiselvityksen muodossa. Työssä käytetyn laskentamenetelmän ja tarkasteluun valittujen tuotanto-teknologioiden perusteella lasketut tulokset osoittavat, että yhdistelmäprosessilla ei saavuteta suurempia päästövähenemiä eikä parempaa energiatehokkuutta kuin nykyisin käytössä olevilla tuotantotavoilla. Tulokset ovat kuitenkin hyvin herkkiä laskennassa tehtyjen oletusten ja käytettyjen lähtötietojen vaihtelulle sekä valittujen laskentamenetelmien muutoksille. Suurin päästöjä ja energiankulutusta aiheuttava yksittäinen tekijä on kaikissa tuotejärjestelmissä luokan 2 sivutuotteiden esikäsittelyssä vaadittavaan steri-lointiin tarvittavan lämmön tuotanto. Tutkituissa tuotejärjestelmissä lämpö tuotetaan kokonaan tai osittain fossiilisilla polttoaineilla. Kasvihuone-kaasupäästöjä olisi mahdollista alentaa merkittävästi siirtymällä lämmön tuotannossa kokonaan uusiutuviin polttoaineisiin. Sterilointi on lain edellyttämä käsittelytapa ja siksi energiankulutusta on vallitsevissa olosuhteissa hyvin vaikea pienentää merkittävästi.

Energiaratkaisujen vaikutukset kerrostalon asumiskustannuksiin

Tämä diplomityö on tehty East- West Trade & Consulting Oy:lle sekä Lappeenrannan Energia Oy:lle. Työssä tavoitteena oli selvittää energiatehokkuutta parantavien energiaratkaisujen vaikutuksia kerrostalon asumiskustannuksiin. Ratkaisuvaihtoehtoja vertailtiin myös hiilidioksidipäästöjen osalta. Laskelmat suoritettiin Lappeenrantaan suunnitellulle asuinkerrostalolle. Heinäkuun alussa 2012 voimaan tulevissa Suomen rakentamismääräyksissä on määritetty uudiskerrostalon kokonaisenergiankulutukselle raja-arvo, jota ei saa ylittää. Työssä selvitettiin, millaiset energiaratkaisut sekä täyttävät viranomaisvaatimukset että ovat kyseisessä kerrostalossa toteuttamiskelpoisia. Lisäksi määritettiin järjestelmäratkaisuilla, kuten aurinkosähköjärjestelmällä, mahdollisesti saavutettavat säästöt energiakustannuksissa verrattuna kaukolämpö- ja sähköjärjestelmään. Myös järjestelmäratkaisujen takaisinmaksuajat määritettiin. Työn tuloksista havaitaan, että valitsemalla aurinkoenergiaa ja maalämpöä uusiutuvaksi omavaraisenergiaksi kaukolämmön ja verkkosähkön rinnalle voidaan asumiskustannuksia ja CO2- päästöjä pienentää. Tulevaisuudessa energianhinnan nousu, teknologian kehitys ja teknologian investointikustannusten pieneneminen voivat lisätä aurinkoenergiajärjestelmien suosiota.

Technical evaluation of artificial ligthing systems for broiler houses

The spatial distribution of illuminance and the electric consumption of artificial lighting system is one of the main problems related to broiler production. Therefore, the aim of this study was to evaluate the spatial distribution of luminance level and energy efficiency of different lighting systems for broiler houses. Six types of lamps were tested in two different configurations to find the minimum illuminance of 20 and 5 lux. The tested lamps were incandescent (IL) 100 W, compact fluorescent (CFL) 34 W, mixed (ML) 160 W, sodium vapor (SVL) 70 W, T8 fluorescent tube (T8 FTL) 40 W and T5 fluorescent tube (T5 FTL) 28 W. The first four were evaluated with and without reflective light fixture and the latter two without light fixture. It was observed that the tested system with light fixtures negatively affected the spatial distribution of illuminance inside the house. The systems composed by IL and ML without light fixture led to better results in meeting the minimum illuminance of 20 lux and 5 lux, respectively. T5 FTL presented the lowest energy demand.

Energetic analysis of landrace varieties and hybrids of corn produced in different technological levels of management

The aim of this study was to analyze, under the energetic point of view, the cultivation of corn in three management systems (low, medium and high-tech), using two landrace varieties ('Argentino' and 'BR da Várzea'), a double hybrid cultivar (SHS 4080) and a simple hybrid (IAC 8333). Five performance indicators were used: energy efficiency, liquid cultural energy, cultural efficiency, energy balance and productive energy efficiency. From the perspective of family farming, it was verified the largest social importance of the systems under low and medium levels of technology, due to the increase employment capacity of rural labor. The liquid cultural energy and energy balance were more favorable for the system under high technological level, unlike cultural efficiency and productive energy efficiency, which were significantly higher for medium and low technological levels. The variety 'Argentino' showed lower productive energy efficiency. The variety 'BR da Várzea', on the other hand, presented the potential to generate energy as much as the hybrids. In general, the biggest sustainability in the corn crop was achieved when the management system under medium and lower levels of technology were used.

Solar energy use for water pre-heating in boilers of agro-industries

Energy consumption in the world has been growing every year. The industrial sector represents 27.32% of the world energy demand. Heating systems that use solar energy may contribute with a percentage of the total energy required by industries. This work aimed to study the use of vacuum solar collectors for water pre-heating in boilers. We used four collectors installed according to NBR 15,569; water flow through the tubes was 0.058 L/s, and temperature in the inlet and outlet pipes was measured. Results showed that instantaneous radiation, and inlet fluid and room temperatures are variables that influence the process, reaching water maximum temperature in the solar collector outlet of 97.9 °C, and efficiency of approximately 65% for most experiments. For the financial viability evaluation, the payback study was applied, which resulted in 4; 7 and 5 years, for the respective sources: firewood, LPG (liquefied petroleum gas), and electricity. Regarding the calculation of the annual contribution to the reduction of greenhouse gases, it was, respectively, 2.162 and 356 kg of CO2 per m² of collector tubes, in comparison with firewood and LPG.

Energetic sustainability of three arabica coffee growing systems used by family farming units in Espírito Santo state

Three growing systems of Arabica coffee were evaluated under the energy perspective, in the state of Espírito Santo in Brazil. The systems are conventional cultivation (CC), cultivation with good agricultural practices (CGP) and organic farming (OF). It was made a comparison of the energy flows within these three systems to show sustainable levels of each one based on production average data of several family-farming units. Therefore, we analyzed crop yield, total energy efficiency reverse (TEER), energy efficiency of ripe coffee (EERC) and non-renewable energy efficiency (NREE). OF system had values for TEER, EERC and NREE of 3.3 4.7 and 7.9 respectively. Yet CC showed values of 1.8, 1.9 and 1.6 for TEER, EERC and NREE respectively. Furthermore, CGP presented values for TEER, EERC and NREE of 0.7, 1.3 and 1.4 respectively. The highest yield was observed in CGP, reaching an amount of 1794 kg ha-1(17,455 MJ); however, this system expends more energy than it converts. Thus, over those points, OF is the most sustainable system.

Aurinkoenergian hyödyntäminen olemassa olevassa pientalossa

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tutkia aurinkoenergian hyödyntämistä olemassa olevassa pientalossa. Työssä tarkastellaan aurinkoenergiahankkeen kannattavuutta vaihtoehtoisten lämmitysjärjestelmien osana sekä aurinkosähkön tuotantoa rakennuksen sähköenergian kulutukseen. Lisäksi tarkastellaan, missä määrin aurinkoenergian käyttö vähentää rakennuksen hiilidioksidipäästöjä. Suomi on asettanut itselleen kunnianhimoisen tavoitteen pienentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta vuoteen 2050 mennessä. Olemme myös sitoutuneet EU:n uusiutuvan energiankäytön lisäämistavoitteisiin. Normiohjauksen avulla voidaan huolehtia uudisrakennustuotannon energiatehokkuudesta, mutta olemassa olevaan rakennuskantaan on löydettävä muita kustannustehokkaita keinoja vähentää ostoenergian kulutusta ja lisätä uudistuvan energian osuutta energiankulutuksesta. Suomalaiselle asuntorakennuskannalle on tyypillistä pientalovaltaisuus sekä asuntokannan hidas uusiutuvuus. Tämä osaltaan lisää haastetta kansallisten sekä kansainvälisten tavoitteiden saavuttamisessa. Aurinkoenergian hyödyntämisen kannattavuutta tarkastellaan aurinkoenergiahankkeen rajakustannuksen avulla. Laitteen tekninen käyttöikä ja ostoenergian hintakehitys ovat arvioituja. Näin tarkastellen öljylämmitys ja suora sähkölämmitys saavat suurimman hyödyn aurinkoenergiasta, kun sillä tuotetaan lämmintä käyttövettä.

Dynaamisen lämmönsiirtomallin kehittäminen

Dynaamisia simulointimalleja tarvitaan, jotta voidaan tarkastella järjestelmän käyttäytymistä ajan funktiona. Simulointimallilla voidaan simuloida järjestelmän lähtö erilaisilla herätteillä. Mallin avulla saadaan myös tarkempi käsitys järjestelmästä ja sen osa-alueista, koska simulointimallista voidaan tarkastella sellaisia asioita, jotka voivat olla oikeasta järjestelmästä vaikeasti mitattavia. Tässä työssä kehitetään LUT Energian hyötysuhdemittapaikan keskikokoista kalorimetriä approksimoiva dynaaminen lämmönsiirtomalli käyttäen Matlab® Simulink -ohjelmistoa. Kehitetyn lämmönsiirtomallin tarkkuutta arvioidaan todellisella järjestelmällä tehdyillä mittauksilla. Työssä käytetään karkeita approksimaatioita, jotka tulee korvata tarkemmilla matemaattisilla malleilla jatkokehitystä varten. Työssä kehitetty dynaaminen lämmönsiirtomalli approksimoi todellisen järjestelmän vastetta lämmitysvaiheessa keskimääräisenvirheen ±0,19 °C tarkkuudella.

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.

Barriers of ESCO Service Business in Finland

The purpose of this study is to determine what are the key barriers hampering ESCO service business success in Finland. Research approach for this study is qualitative. Data was collected using Delphi method with two questionnaire rounds. Internet based tool was applied in carrying out questionnaires. Respondents of the questionnaires were ESCO service experts and researchers, and people working for ESCO service providers. Characteristics of ESCO service and ESCO project implementation are analyzed by using transaction costs theory of service business. In terms of ESCO service in Finland, uncertainty and asset specificity are relevant dimensions of TCE. General uncertainty in world’s economy hinders demand for ESCO service, and asset specificity of ESCO contracts induces slight problems for project financiers. Also bounded rationalism and opportunism are present in Finnish ESCO business. The most significant barriers of success of ESCO service in Finland are problems in legislative and political frameworks, and in customers’ investment processes. ESCO service providers should move more strongly towards service dominant business logic and improve understanding of customer needs. Political barriers are unsuitable procurement processes, unclear and unpredictable laws, and lack of compelling factors in subsidy system. Investment process hurdles are caused by customers’ lack of interest to change course of action. These are things in which ESCOs can have influence in.