Energetic and economic analysis of a Brazilian compact cogeneration system: Comparison between natural gas and biogas

Cogeneration may be defined as the simultaneous production of electric power and useful heat from the burning of a single fuel. This technique of combined heat and power production has been applied in both the industrial and tertiary sectors. It has been mainly used because of its overall efficiency, and the guarantee of electricity with a low level of environmental impact. The compact cogeneration systems using internal combustion engine as prime movers are thoroughly applied because of the good relationship among cost and benefit obtained in such devices. The cogeneration system of this study consists of an internal combustion engine using natural gas or biogas as fuel, combined with two heat exchangers and an absorption chiller utilising water-ammonia as working mixture. This work presents an energetic and economic comparison between natural gas and biogas as fuel used for the system proposed. The results are useful to identify the feasible applications for this system, such as residential sector in isolated areas, hotels, universities etc. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Combined desalination and power generation using coal energy.

Phase I report. Site selection and estimated water costs based on current technology. Phase II report. Investigation of emerging technology, by-product recovery, and very large capacities. Period of performance: June 1965-Oct. 1966.

Developing an enhanced model for combined heat and air infiltration energy simulation

The need for efficient, sustainable, and planned utilization of resources is ever more critical. In the U.S. alone, buildings consume 34.8 Quadrillion (1015) BTU of energy annually at a cost of $1.4 Trillion. Of this energy 58% is utilized for heating and air conditioning. ^ Several building energy analysis tools have been developed to assess energy demands and lifecycle energy costs in buildings. Such analyses are also essential for an efficient HVAC design that overcomes the pitfalls of an under/over-designed system. DOE-2 is among the most widely known full building energy analysis models. It also constitutes the simulation engine of other prominent software such as eQUEST, EnergyPro, PowerDOE. Therefore, it is essential that DOE-2 energy simulations be characterized by high accuracy. ^ Infiltration is an uncontrolled process through which outside air leaks into a building. Studies have estimated infiltration to account for up to 50% of a building's energy demand. This, considered alongside the annual cost of buildings energy consumption, reveals the costs of air infiltration. It also stresses the need that prominent building energy simulation engines accurately account for its impact. ^ In this research the relative accuracy of current air infiltration calculation methods is evaluated against an intricate Multiphysics Hygrothermal CFD building envelope analysis. The full-scale CFD analysis is based on a meticulous representation of cracking in building envelopes and on real-life conditions. The research found that even the most advanced current infiltration methods, including in DOE-2, are at up to 96.13% relative error versus CFD analysis. ^ An Enhanced Model for Combined Heat and Air Infiltration Simulation was developed. The model resulted in 91.6% improvement in relative accuracy over current models. It reduces error versus CFD analysis to less than 4.5% while requiring less than 1% of the time required for such a complex hygrothermal analysis. The algorithm used in our model was demonstrated to be easy to integrate into DOE-2 and other engines as a standalone method for evaluating infiltration heat loads. This will vastly increase the accuracy of such simulation engines while maintaining their speed and ease of use characteristics that make them very widely used in building design.^

Data-Driven Dynamic Prediction of Interrelated Heat and Electric Outputs of Microturbines

Microturbines are among the most successfully commercialized distributed energy resources, especially when they are used for combined heat and power generation. However, the interrelated thermal and electrical system dynamic behaviors have not been fully investigated. This is technically challenging due to the complex thermo-fluid-mechanical energy conversion processes which introduce multiple time-scale dynamics and strong nonlinearity into the analysis. To tackle this problem, this paper proposes a simplified model which can predict the coupled thermal and electric output dynamics of microturbines. Considering the time-scale difference of various dynamic processes occuring within microturbines, the electromechanical subsystem is treated as a fast quasi-linear process while the thermo-mechanical subsystem is treated as a slow process with high nonlinearity. A three-stage subspace identification method is utilized to capture the dominant dynamics and predict the electric power output. For the thermo-mechanical process, a radial basis function model trained by the particle swarm optimization method is employed to handle the strong nonlinear characteristics. Experimental tests on a Capstone C30 microturbine show that the proposed modeling method can well capture the system dynamics and produce a good prediction of the coupled thermal and electric outputs in various operating modes.

Developing an Enhanced Model for Combined Heat and Air Infiltration Energy Simulation

The need for efficient, sustainable, and planned utilization of resources is ever more critical. In the U.S. alone, buildings consume 34.8 Quadrillion (1015) BTU of energy annually at a cost of $1.4 Trillion. Of this energy 58% is utilized for heating and air conditioning. Several building energy analysis tools have been developed to assess energy demands and lifecycle energy costs in buildings. Such analyses are also essential for an efficient HVAC design that overcomes the pitfalls of an under/over-designed system. DOE-2 is among the most widely known full building energy analysis models. It also constitutes the simulation engine of other prominent software such as eQUEST, EnergyPro, PowerDOE. Therefore, it is essential that DOE-2 energy simulations be characterized by high accuracy. Infiltration is an uncontrolled process through which outside air leaks into a building. Studies have estimated infiltration to account for up to 50% of a building’s energy demand. This, considered alongside the annual cost of buildings energy consumption, reveals the costs of air infiltration. It also stresses the need that prominent building energy simulation engines accurately account for its impact. In this research the relative accuracy of current air infiltration calculation methods is evaluated against an intricate Multiphysics Hygrothermal CFD building envelope analysis. The full-scale CFD analysis is based on a meticulous representation of cracking in building envelopes and on real-life conditions. The research found that even the most advanced current infiltration methods, including in DOE-2, are at up to 96.13% relative error versus CFD analysis. An Enhanced Model for Combined Heat and Air Infiltration Simulation was developed. The model resulted in 91.6% improvement in relative accuracy over current models. It reduces error versus CFD analysis to less than 4.5% while requiring less than 1% of the time required for such a complex hygrothermal analysis. The algorithm used in our model was demonstrated to be easy to integrate into DOE-2 and other engines as a standalone method for evaluating infiltration heat loads. This will vastly increase the accuracy of such simulation engines while maintaining their speed and ease of use characteristics that make them very widely used in building design.

Avaliação da auto-suficiência energética na indústria nacional arrozeira

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia mecânica

Kaukolämpöveden jäähdytyksen parantaminen

Kaukolämpöverkoston lämpötilatason alentaminen kasvattaa sähkösaalista sähkön ja lämmön yhteistuotannossa, pienentää kaukolämpöverkon lämpöhäviöitä ja lisäksi hyvä jäähdytys tuo säästöjä kaukolämpöveden pumppausenergian kulutuksessa. Työssä selvitettiin laskennallisesti kaukolämpöveden lämpötilojen alentamisen vaikutuksia ja niiden tuomia säästöjä Kuopion Energian kaukolämpöjärjestelmässä. Tulokseksi saatiin, että laskemalla paluulämpötilaa yhdellä asteella nousee vuotuinen sähköntuotanto 0,1 %, pienenevät lämpöhäviöt 0,88 % ja pumppausenergian kulutus 7,7 %. Menolämpötilaa laskemalla vaikutukseksi saatiin 0,4 % lisää sähköä ja 0,79 % pienemmät lämpöhäviöt. Työssä käytetyillä sähkön hinnalla 92 mk/MWh ja lämmön hinnalla 61 mk/MWh saatiin tulokseksi, että alentamalla paluulämpötilaa asteella on kokonaishyöty noin 68 700 mk vuodessa ja menolämpötilaa alentamalla 71 500 mk. Asiakkaiden lämmönjakojärjestelmät aikaansaavat jäähdytyksen. Ongelmana on, etteivät nykyiset yleisesti käytössä olevat kaukolämpötariffit ohjaa asiakkaita riittävästi hyvään jäähdytykseen. Asiakkaan jäähdytysmotivaation parantamiseksi tulisi kehittää tariffijärjestelmä, joka selkeästi palkitsisi hyvästä jäähdytyksestä. Työssä selvitettiin asiakaskyselyllä asiakkaiden näkemyksiä nykyisestä kaukolämpötariffista ja mielenkiintoa uusiin tariffivaihtoehtoihin. Kyselyn perustella asiakkaat olisivat motivoituneita jäähdytyksen parantamiseen, jos lämmityskustannusten alennus olisi vähintään 10 %. Meno- ja paluulämpötilan alentamisen taloudellisia hyötyjä asiakasta kohti selvitettiin esimerkkitapauksella. Vertaamalla asiakkaan aikaansaamia taloudellisia hyötyjä hänen lämmityskustannuksiinsa, selvitettiin kuinka suuri alennusprosentti jäähdytyksestä palkitsevassa tariffissa voitaisiin tarjota. Työssä käytetyillä energian hinnoilla ja lämpötilojen alentamistapauksilla asiakkaalle voitaisiin tarjota jäähdytyksestä palkitsevassa tariffissa 1-2 % alennus lämmityskustannuksista.

Lisäpoltolla varustetun maakaasukombivoimalaitoksen optimointi.

Voimalaitoksen sisäisellä optimoinnilla pyritään parantamaan prosessia ja lisäämään voimalaitoskonseptin kilpailukykyä energiamarkkinoilla. Tässä työssä optimoitiin lisäpoltolla varustettua, sähköteholtaan noin 125 MW:n maakaasukompivoimalaitosta. Työ on osa Fortum Engineering Oy:n konseptikehitysohjelmaa. Kaasuturbiinin savukaasun sisältämää happea voidaan hyödyntää lämmöntal-teenottokattilan savukaasukanavaan sijoitetussa lisäpoltossa. Lisäpoltolla saadaan nostettua savukaasun lämpötilaa ja lisättyä tuotetun tuorehöyryn määrää. Työssä tutkittiin lisäpolton kannattavuutta ja sen vaikutusta voimalaitoksen mitoitukseen. Lisäpolton lämpötila valitaan teknisten rajoitusten perusteella, jolloin siitä aiheutuvat investointikustannukset eivät nouse merkittäviksi. Optimointimenetelmä pohjautuu Fortum Oyj:ssä kehitetyllä voimalaitossimulaattori Solvolla laskettujen lämpötaseiden ja asiantuntija-arvioihin perustuvien investointikustannuskaavojen käyttöön. Taloudelliset lähtöarvot on valittu Itä-Euroopan markkinatilanteen mukaisiksi. Kannattavuuslaskelmat perustuvat nykyarvomenetelmään, jossa investointikustannuksille ja sähkön ja kaukolämmön myynnistä saaduille tuotoille lasketaan nykyarvo. Teknisten rajoitusten puitteissa suurimman nykyarvon antava tapaus on aina kunkin tutkittavan prosessisuureen optimitapaus. Tutkittavia prosessisuureita voivat olla esimerkiksi tuorehöyryn tila-arvot. Eräs työn tavoitteista oli selvittää lämmöntalteenottokattilan painetasojen optimaalinen lukumäärä. Lisäpoltto todettiin lämmitysvoimalaitoksella kannattavaksi ratkaisuksi kun nyt optimoitua laitosta verrattiin ilman lisäpolttoa mitoitettuun vastaavanlaiseen laitokseen. Kannattavuuslaskelmille tehtiin herkkyystarkastelut, joiden avulla tutkittiin mitoitetun konseptin herkkyyttä taloudellisten lähtöarvojen muutoksille. Herkkyysanalyysin avulla optimoitua voimalaitoskonseptia voidaan hyödyntää suuremmalla taloudellisten lähtöarvojen vaihteluvälillä.

Sähköntuotannon kannattavuus pienissä biopolttoainekattilalaitoksissa

Tässä diplomityössä selvitettiin sähköntuotannon kannattavuus pienissä biopolttoaineita käyttävissä laitoksissa. Työ jaettiin kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa tarkasteltiin turbiini-investoinnin kannattavuutta Punkavoima Oy:n kattilalaitoksella. Toisessa osassa tutkittiin sähkön ja lämmön yhteistuotannon mahdollisuutta pienillä laitoksilla, joissa lämpökuorma muodostuu pienen kunnan kaukolämpöverkon mukaan. Punkavoima Oy tuottaa prosessihöyryä Finnforest Oyj:n Punkaharjun tehtaille ja kaukolämpöä Punkaharjun taajamaan. Uusi 30 MWth tehoinen kattilalaitos, jota ei varustettu turbiinilaitoksella, otettiin kaupalliseen käyttöön toukokuussa 2002.Tarkastelun kohteena oli 3 erilaista turbiinivaihtoehtoa. Mahdollinen tehtaiden höyrykuorman muutos otettiin myös huomioon. Toisessa osassa tutkittiin pienten laitosten soveltuvuutta lämmön ja sähkön yhteistuotantoon. Tarkastelun kohteena olleet vaihtoehdot olivat: ORC- prosessi (Organic Rankine Cycle), Novel- voimalaitos (puun kaasutus), Wärtsilä BioGrate- voimalaitos sekä höyrykone.

Sähköä ja lämpöä tuottavien maakaasukäyttöisten pienvoimalaitosten kannattavuus Turengissa

Diplomityössä tutkitaan sähkön ja lämmön yhteistuotannon kannattavuutta Turengin nykyisen lämmöntuotannon yhteydessä. Tavoitteena on löytää taloudellisesti kilpailukykyiset tuotantovaihtoehdot Turengin energiahuollon kehittämisessä. Ensimmäisenä tarkasteltarkastellaan voimalaitoksen nykyiseen tuotantolaitteistoon kuuluvan vastapainehöyryturbiinin käyttöönoton mahdollisuuksia. Tämän jälkeen suoritetaan kannattavuuslaskelmat neljälle vaihtoehtoiselle investointitapaukselle. Voimalaitosinvestoinnit kohdistuvat kaasumoottori- ja kaasuturbiinivoimalaitoksiin, joilla tuotetaan sähköä, kaukolämpöä ja eräissä tapauksissa myös prosessihöyryä. Voimalaitosten nettosähkötehot ovat neljästä yhdeksään megawattia. Voimalaitosyksiköiden energiantuotanto määritetään Turengin lämpökuormien perusteella. Tuotannon määrityksessä apuna käytetään WinTEHO –ohjelmistoa, johon luodaan tarvittavat energiatiedostot. Kannattavuuslaskelmat suoritetaan vertaamalla investointivaihtoehtojen aiheuttamia vuotuisia kassavirtoja nykyisen tuotannon mukaisiin kassavirtoihin. Kassavirtalaskelmasta saadaan kullekin vaihtoehdolle nettonykyarvo, sisäinen korko ja takaisinmaksuaika. Tarkastelun tuloksena saatiin, että voimalaitosvaihtoehdoista kannattavin on investointi yhteen kaasumoottoriin, jolla tuotetaan sähkön lisäksi vain kaukolämpöä. Alhaisilla sähkön hinnoilla kaasuturbiinivaihtoehdot ovat suunnilleen yhtä kannattavia. Investointien nykyarvo valitulla korkokannalla on positiivinen, kun sähkön markkinahinnan keskiarvo tuotantokaudella ylittää likimain tason 130 mk/MWh. Nykyisillä markkinahinnoilla investoinnit eivät ole kannattavia. Investoiminen uuteen kaasumoottoriin tai -turbiiniin osoittautui kannattavammaksi kuin sähkön tuotannon aloittaminen laitoksen nykyisellä höyryturbiinilla. Merkittävin syy tähän oli höyryturbiinituotannon korkeat henkilöstökustannukset. Tehty selvitys tukee vallitsevaa käsitystä, että nykytekniikalla sähkön ja lämmön yhteistuotanto on taloudellisesti kilpailukykyistä myös pienessä kokoluokassa.

Lietettä polttoaineenaan käyttävän pienen kokoluokan lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitoksen investointikustannus

Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa on käynnissä hanke, jossa kehitetään lietettä polttoaineenaan käyttävä höyryvoimalaitosprosessiin perustuva pienen kokoluokan lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitos. Kehitteillä olevan pienen kokoluokan lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitoksen erikoisuutena on laitoksen polttoaineeksi valittu yhdyskuntaliete. Valitussa ratkaisussa jätevedenpuhdistamolla esikäsitelty liete tuodaan voimalaitokselle, jossa liete kuivataan epäsuorassa kiertomassakuivurissa ja kuivauksen jälkeen poltetaan kiertoleijutekniikkaan perustuvassa reaktorissa. Palamistuotteena syntyvän tuhkan määrä on vain murto-osa laitoksella käsitellystä lietemäärästä. Laitoksessa on mahdollista käyttää lietteen lisäksi biopolttoaineita sekä kierrätyspolttoaineita. Tämän työn tavoitteena on määrittää laitoksen investointikustannus. Määritys perustuu koneiden ja laitteiden osalta yrityksiltä saatuihin tarjouksiin ja muilta osin kirjallisuustietoihin sekä toteutettuihin vastaavan kaltaisiin hankkeisiin. Tässä työssä määritetyn investointikustannuksen perusteella voidaan tehdä jatkotarkasteluja laitoksen toteutettavuudesta valitussa liiketoimintaympäristössä.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannon mahdollisuudet vaneritehtaan yhteydessä

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tehdä sähkön ja lämmöntuotannon kannattavuustarkastelu erään esimerkkitehtaan näkökulmasta. Tarkoitus oli selvittää onko vaneritehtaalla edellytyksiä investoida sähköä ja lämpöä tuottavaan yhteistuotantolaitokseen, vai onko edullisempaa tuottaa itse ainoastaan valmistusprosessin kannalta välttämätön lämpöenergia ja ostaa tarvittava sähköenergia ulkoiselta toimijalta. Johdantona on tarkasteltu ensin vanerin valmistusprosessia ja prosessissa syntyviä sivutuotteita. Toisena osiona on pyritty hahmottamaan vanerinvalmistuksessa syntyvien sivutuotteiden määriä ja ominaisuuksia niiden polttoainekäyttöä silmällä pitäen. Lopuksi johdannossa on perehdytty mahdollisiin tekniikoihin, joilla sähkön ja lämmön yhteistuotanto vaneritehtaan yhteydessä olisi mahdollista. Johdannossa käsiteltävät asiat perustuvat teorialähteisiin. Aineisto ja menetelmät osiossa on tarkasteltu esimerkkitehdasta voimalaitoksen sijoituskohteena. Osiossa on perehdytty prosessin sivutuotteiden määrään ja energian kulutukseen. Näiden seikkojen perusteella on tehtaan yhteyteen mitoitettu sähköä ja lämpöä tuottavia yhteistuotantolaitosesimerkkejä. Lopuksi tuloksissa on tarkasteltu yhteistuotantolaitoksien kannattavuutta vaneritehtaan yhteydessä ja tutkittu kannattavuuteen vaikuttavia tekijöitä.

Pienen kokoluokan CHP-tuotannon kannattavuus kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä

Fossiiliset polttoainevarannot ovat ehtymässä. Nykyisen talouskasvumme perustuessa fossiilisten polttoaineiden kestämättömään käyttöön, on energiantuotantorakenteen muututtava. Euroopan Unioni on asettanut tavoitteet uusiutuvan energian osuuden lisäämiseksi. Näistä syistä johtuen kiinnostus uusiutuvaa energiaa ja hajautettua energiantuotantoa kohtaan on kasvanut viime aikoina. Tämän globaalin ilmiön rinnalla yhteiskuntarakenteen muutos Suomessa on johtanut tilanteeseen, jossa taloudellinen aktiviteetti kasvukeskusten ulkopuolella on hiipumassa. Loogisena ratkaisumallina on syntynyt hankkeita kuten Keski-Karjalan Kehitysyhtiö Oy:n Puhos 2013 - ympäristöalasta uutta liiketoimintaa - hanke. Tämä työ on Puhos 2013 - hankkeeseen tilattu tutkimus, jonka tavoitteena on puuta ja biokaasua polttoaineenaan käyttävän mikroturbiinitekniikkaan pohjautuvan pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuden selvittäminen kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä. Tutkimuksessa selvitettiin aluksi pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuteen vaikuttavat tekijät, jonka jälkeen opittua tietoa sovellettiin Kiteen Lämmön Arppentien lämpölaitoksen tapaukseen. Kiteen Lämmön taloudellisen kannattavuuden ohella tutkimuksessa huomioitiin uusien liiketoiminta mahdollisuuksien syntyminen alueelle. Käytetyt tutkimusmenetelmät olivat kvalitatiivinen analyysi ja perinteinen investoinnin kannattavuuslaskenta. Tutkimuksen tuloksena muodostettiin strategia, joka maksimoi molemmat edellä mainitut kannattavuuden näkökulmat. Kehitetyn strategian Kiteen Lämmön tulosta maksimoiva osuus muodostuu oman käyttösähkön tuottamisen aloittamisesta Arppentien lämpölaitoksella 30 kWe mikroturbiinilla käyttäen polttoaineena Bio10 Oy:n toimittamaa biokaasua. Uusien liiketoiminta mahdollisuuksien synty alueelle mahdollistetaan puolestaan kehittämällä puun kaasutukseen perustuva modulaarinen CHP laitos yhteistyössä Mekrijärven tutkimusaseman ja suomalaisten laitevalmistajien kanssa.

Commercialization of Modern Renewable Energy

The threat of global warming and its consequences are widely recognized, and the question of how to proceed with the long transition towards fossil fuel -neutral economies concerns many nations and people. At the same time the world’s primary energy use is predicted to increase significantly during the next decades as a result of global population and welfare increase. Improved energy efficiency and increased use of renewable energy sources in the world’s energy mix play important roles in the future energy production and consumption. The objective of this thesis is to study how novel renewable energy technologies, such as distributed small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies could be commercialized efficiently. A wide array of attributes may contribute to the diffusion of new products. In general, the bioenergy and wind power technologies are in emerging phases, and the diffusion stage varies from country to country. The effects of firms’ technology choices, collaboration and alliances are studied in this thesis. Furthermore, the roles of national energy infrastructure and energy support schemes in the commercialization of new renewable energy products are explored. The empirical data is based on energy expert interviews, financial and patent data, and literature reviews of different case studies. The thesis comprises two parts. The first part provides an overview of the study, and the second part includes six research publications. The results reveal that small-scale bio-fueled combined heat and power production and wind power technologies are still in emerging phases in their life cycles, and energy support schemes are crucial in the market diffusion. The study contributes to earlier findings in the literature and industry by confirming that adequate energy policies and energy infrastructure are fundamental in the commercialization of novel renewable energy technologies. Firm-specific issues, including business relationships and new business models, and market-related issues will have a more significant role in the market penetration in the future, when the technologies mature and become competitive without political support schemes.