Kaukolämmön hinnoittelumallien optimointi ja kehittäminen muuttuvassa toimintaympäristössä

Kaukolämpöliiketoiminnan kehittämistarve korostuu jatkuvasti alan rakennemuutosten ja markkinoiden muutoksien seurauksena. Turku Energian tavoitteena on uudistaa ja kehittää kaukolämmön hinnoitteluaan vastaamaan energian tuotannon, jakelun, loppukäytön ja muihin alan muutoksiin. Tässä opinnäytetyössä tutkitaan kaukolämmön hinnoittelun optimointi ja kehittämistä nykyisessä sekä tulevaisuuden markkina- ja tuotantorakenteessa. Nykyisen hinnoittelumallin lisäksi tutkitaan vaihtoehtoisia tapoja hinnoitella myytävä kaukolämpöenergia, kuten vuodenaikojen mukaan määriteltävä muuttuva energianhinta. Työn kirjallisuusosassa esitellään kaukolämmön tuotanto, siirto ja jakelu sekä liiketoiminta Suomessa ja Turun seudulla. Tutkittavat hinnoittelumallit perustuvat todellisiin ja arvioituihin liiketoiminnan kustannuksiin, sekä esitettyihin laskentaperiaatteisiin. Turku Energian nykyistä perusmaksun hintatasoa tulee korottaa, jotta se vastaa lämmönhankinnan kiinteitä kustannuksia tarkemmin ja minimoi liiketoiminnan markkinariskiä. Nykyisen hinnoittelun verokomponentin kehittämisellä lisätään hinnoittelun läpinäkyvyyttä. Kausihinnoittelun avulla energianhinta noudattaa tuotannon kustannuksia vuoden aikana ja ohjaa asiakkaiden lämmönkulutusta nykyistä tarkemmin. Uusiutuvilla energianlähteillä tuotettua kaukolämpöä voidaan myydä erillisillä tuotteilla, joiden avulla liiketoiminnalle saadaan lisäarvoa.

Uusiutuvan energian käyttömahdollisuudet Liikuntakeskus Pajulahdessa

Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston, Liikuntakeskus Pajulahden ja Nastolan Energiasäätiön yhteisprojektina. Työn tarkoituksena on tutkia aurinkosähköjärjestelmien taloudellista kannattavuutta ostosähkön korvaamisessa Liikuntakeskus Pajulahden kiinteistössä. Työssä tehdään laskelmat aurinkopaneelien tuotoista, tuotetun sähkön hinnasta, investointien takaisinmaksuajoista sekä tuotetun aurinkosähkön synnyttämistä hiilidioksidipäästövähenemistä. Lisäksi tarkastellaan energiaveron vaikutusta pientuotantolaitoksen kannattavuuteen. Tämän hetkisillä aurinkosähköjärjestelmien hinnoilla pystytään tuottamaan puhdasta, ympäristöystävällistä sähköä kilpailukykyiseen hintaan. Työssä tehdään yleiskatsaus myös muiden uusiutuviin energialähteisiin perustuvien tuotantomenetelmien käyttömahdollisuuksista. Yhtenä erityistarkastelunkohteena on Pajulahden monitoimihalliin vuonna 2008 suunniteltu vesistöä lämmönlähteenä käyttävä lämpöpumppujärjestelmä, jonka toteutukseen ei saatu tarvittavia lupia. Tarkastelussa tutkitaan myös aiemmin Suomessa toteutettuja vastaavia hankkeita ja niiden lupien saantia. Lisäksi on haettu tosiasioihin perustuvia argumentteja keskusteluun vesistölämmön hyödyntämisestä. Tarkastelun kohteena oleva vesistölämpöhanke voidaan todeta olevan erittäin kannattava, taloudellisesti sekä ympäristöllisesti. Tutkimuksen pohjalta Nastolan Energiasäätiölle tuotetaan havainnollinen ja selkeä aineisto aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksista Nastolan kunnassa.

Puuhakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksien parantaminen

Nykyaikana yhteiskunta tavoittelee uusiutuvaa ja ympäristöä säästävää energiantuotantoa. Biopolttoaineiden käyttö vähentää fossiilisten polttoaineiden osuutta energiantuotannossa. Jotta biopolttoaineilla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita, biopolttoaineita täytyy jalostaa. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää puuhakkeen jalostuksen merkitystä hakkeen käytölle ja kannattavuudelle. Hakkeen kuivaamisella ja seulonnalla voidaan parantaa hakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksia. Kosteuden ja tasalaatuisuuden merkitys suurenee, kun haketta käytetään pienissä kattiloissa. Pienissä kattiloissa lämmöntuotannon hyötysuhde pienenee merkittävästi kosteuden suurentuessa. Tällöin polttoaineen kulutus ja energiantuotantokustannukset suurenevat. Suuremmissa kattiloissa hyvälaatuisella hakkeella on mahdollista korvata kalliimpia vara- ja huippukuormapolttoaineita, kuten öljyä. Tällöin fossiilisten polttoaineiden osuus pienenee. Lisäksi kuivaaminen ja seulominen ovat edullisia jalostusprosesseja esimerkiksi pelletin tuotantoon verrattuna.

Biohiilen tuotannon toimintaedellytykset Parikkalassa

Suomessa on sitouduttu kansainvälisiin päästövähennystavoitteisiin ja uusiutuvan ener-gian osuuden kasvattamiseen. Biohiili on erinomainen polttoainevaihtoehto kivihiili-voimalaitoksissa, sillä sitä voidaan käyttää suurellakin seososuudella ilman merkittäviä rakenteellisia muutoksia polttoaineen syöttölaitteistoihin tai kattilaan. Biohiiltä voidaan käyttää myös metallurgiassa pelkistimenä, maanparannusaineena ja hiilinieluna. Biohiilen raaka-aineena toimii energia- ja kuitupuuhake. Parikkalan lähialueella on hyödyn-nettävissä olevaa teknis-taloudellista metsäenergiapotentiaalia keskisuuren biojalostamon perustamista varten. Biohiilen teoreettinen markkinapotentiaali on valtava, mutta sen taloudelliset kannattavuusnäkymät ovat heikot nykyhintatasolla. Biohiilen kilpailukykyä heikentävät kivihiilen ja päästöoikeuksien alhaiset hinnat ja biohiilen korkeat tuotantokustannukset. Biohiilimarkkinoiden kehittymistä jarruttaa myös olemassa olevan tuotannon puute. Biohiilen käyttöönotto edellyttäisi kansainvälisiä tukitoimia tai kivihiilen hinnan kasvua.

Achieving EU energy targets – Impacts of evolutionary and revolutionary transition paths on power systems

Ambitious energy targets set by EU put pressures to increase share of renewable electricity supply in this and next decades and therefore, some EU member countries have boosted increasing renewable energy generation capacity by implementing subsidy schemes on national level. In this study, two different change approaches to increase renewable energy supply and increase self-sufficiency of supply are assessed with respect to their impacts on power system, electricity market and electricity generation costs in Finland. It is obtained that the current electricity generation costs are high compared to opportunities of earnings from present-day investor’s perspective. In addition, the growth expectations of consumptions and the price forecasts do not stimulate investing in new generation capacity. Revolutionary transition path is driven by administrative and political interventions to achieve the energy targets. Evolutionary transition path is driven by market-based mechanisms, such as market itself and emission trading scheme. It is obtained in this study that in the revolutionary transition path operation of market-based mechanisms is distorted to some extent and it is likely that this path requires providing more public financial resources compared to evolutionary transition path. In the evolutionary transition path the energy targets are not achieved as quickly but market-based mechanisms function better and investment environment endures more stable compared to revolutionary transition path.

Metsäenergian liiketoimintojen kehittäminen ja käytön kasvun vaikutukset Kaakkois-Suomessa

Kaakkois-Suomen alueella uusiutuvan energian käyttö ja erityisesti metsäenergian käyttö on kasvanut merkittävästi 2000-luvulla. Tulevaisuudessa metsäenergia nähdään edelleen potenti-aalisimpana vaihtoehtona korvattaessa fossiilisia polttoaineita lämpö- ja voimalaitoskokoluo-kassa. Muita uusiutuvan energian vaihtoehtoja ovat mm. tuuli- ja aurinkovoima, biokaasu sekä erilaiset kiinteät ja nestemäiset polttoainejalosteet. Tulevaisuudessa alueella voi olla mahdollis-ta tuottaa niin kansalliseen kuin kansainväliseen vientiin esim. biopolttonesteitä, biokaasua ja biohiiltä. Tutkimushankkeen tavoitteena oli selvittää metsäenergia-alan alueelliset toimijat sekä metsä-energian soveltuvuus ja liiketoimintamahdollisuudet Kaakkois-Suomen alueen energian tuo-tannossa. Tutkimus koostui seuraavista osatehtävistä: metsäsektorin toimijakentän kartoitus, metsäenergian alueelliset liiketoimintamahdollisuudet, puuperäisten polttoainejalosteiden käyttö- ja liiketoimintamahdollisuudet, muiden uusiutuvien energialähteiden käyttömahdolli-suudet ja vaikutukset Kaakkois-Suomessa. Tutkimuksessa arvioitiin myös Kaakkois-Suomen metsäenergian hankinnan työllisyysvaikutuksia. Tutkimuksen ohjausryhmänä toimi Kaakkois-Suomen metsäenergianeuvottelukunta. Tutkimuksessa kyselytutkimuksella selvitettiin metsäenergian tuottajien ja käyttäjien mielipi-teitä ja kehittämiskohteita toimialalta. Kaakkois-Suomessa hyödynnettävistä uusiutuvista energialähteistä selvitettiin nykyinen käyttö sekä arvioitiin tulevaisuuden hyödyntämismah-dollisuuksia vuonna 2020. Nämä tulokset esitettiin Kaakkois-Suomen energiataseen avulla. Kaakkois-Suomessa uusiutuvista energialähteistä puupolttoaineilla on merkittävin rooli metsä-teollisuuden johdosta ja alueen metsäenergian käyttö voi kasvaa jopa 1,7 TWh:in, mikäli fos-siilisia energialähteitä korvataan edelleen voimalaitoksissa ja lämpökeskuksissa. Metsäenergian käytön kasvussa alueen kunnilla on merkittävä rooli. Viime vuosina erityisesti tuulivoiman tuotanto on kasvanut ja tulee kasvamaan edelleen. Samoin aurinkoenergian hyödyntäminen kiinteistökokoluokassa on lisääntynyt voimakkaasti. Lisäksi maakuntaan on suunnitteilla kiin-teiden, nestemäisten ja kaasumaisten polttoainejalosteiden tuotantolaitoksia. Toteutuessaan laitokset voivat lisätä metsäenergian käyttöä merkittävästi.

On advancing business intelligence in the electricity retail market

In recent decades, business intelligence (BI) has gained momentum in real-world practice. At the same time, business intelligence has evolved as an important research subject of Information Systems (IS) within the decision support domain. Today’s growing competitive pressure in business has led to increased needs for real-time analytics, i.e., so called real-time BI or operational BI. This is especially true with respect to the electricity production, transmission, distribution, and retail business since the law of physics determines that electricity as a commodity is nearly impossible to be stored economically, and therefore demand-supply needs to be constantly in balance. The current power sector is subject to complex changes, innovation opportunities, and technical and regulatory constraints. These range from low carbon transition, renewable energy sources (RES) development, market design to new technologies (e.g., smart metering, smart grids, electric vehicles, etc.), and new independent power producers (e.g., commercial buildings or households with rooftop solar panel installments, a.k.a. Distributed Generation). Among them, the ongoing deployment of Advanced Metering Infrastructure (AMI) has profound impacts on the electricity retail market. From the view point of BI research, the AMI is enabling real-time or near real-time analytics in the electricity retail business. Following Design Science Research (DSR) paradigm in the IS field, this research presents four aspects of BI for efficient pricing in a competitive electricity retail market: (i) visual data-mining based descriptive analytics, namely electricity consumption profiling, for pricing decision-making support; (ii) real-time BI enterprise architecture for enhancing management’s capacity on real-time decision-making; (iii) prescriptive analytics through agent-based modeling for price-responsive demand simulation; (iv) visual data-mining application for electricity distribution benchmarking. Even though this study is from the perspective of the European electricity industry, particularly focused on Finland and Estonia, the BI approaches investigated can: (i) provide managerial implications to support the utility’s pricing decision-making; (ii) add empirical knowledge to the landscape of BI research; (iii) be transferred to a wide body of practice in the power sector and BI research community.

Laskentamenetelmissä tehtävien valintojen merkitys alueellisen lämmön- ja sähköntuotannon kasvihuonekaasupäästöjen kannalta

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää alueellisen lämmön- ja sähköntuotannon laskentamenetelmävalintojen vaikutuksia kasvihuonekaasupäästöihin. Työn tutkimuskysymyksenä on, onko mahdollista, että laskentamenetelmän valinnalla on suurempi vaikutus alueen kasvihuonekaasupäästöihin kuin energiantuotantotekniikan valinnalla. Laskentamenetelmävalinnoista tutkitaan tarkemmin CHP-laitoksen päästöjen allokointitavan ja sähkönpäästöjen määrittämisen vaikutuksia kasvihuonekaasupäästöihin. Tutkimusmenetelminä työssä on käytetty kirjallisuuskatsausta sekä tapaustutkimusta. Kirjallisuuskatsauksen aineistona käytetään tieteellisiä artikkeleita ja tutkimusraportteja. Tapaustutkimuksessa tutkitaan yksittäistä case-kohdetta, joka on Tampereen Härmälänrannan uudisrakennusalue, ja jossa vertaillaan maalämpöpumppua ja kaukolämpöä alueen lämmitysratkaisuina. Työn tuloksena todetaan, että on olemassa sellaisia tilanteita, joissa laskentamenetelmän valinnalla on suurempi vaikutus alueen kasvihuonekaasupäästöihin kuin energiantuotantotekniikan valinnalla. Lisäksi case-tarkastelun perusteella huomataan, että laskentamenetelmävalinnoilla on sitä suurempi merkitys, mitä enemmän CHP-laitoksessa käytetään uusiutuvaa polttoainetta. Työn johtopäätöksenä voidaan todeta, että energiantuotannon kasvihuonekaasupäästölaskennassa on syytä ymmärtää ja huomioida eri laskentamenetelmävalintojen vaikutus esitettyihin tuloksiin.

Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa

Kandidaatintyön tavoitteena on kartoittaa merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon, keittämöön sekä kuivauskoneeseen. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen odotetaan pysyvän tavanomaista sulfaattiprosessia vastaavalla tasolla. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö

Hiilidioksidilla on merkittävä vaikutus ilmastoon ja suurin osa ihmisten käyttämästä energiasta perustuu hiilipohjaisiin polttoaineisiin. Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö tarjoaa erinomaisen mahdollisuuden ilmastonmuutoksen vai-kutusten vähentämiseen vaikuttamatta kuitenkaan merkittävästi käytettyihin energialäh-teisiin. CO2:n talteenottotekniikat voidaan jakaa neljään periaatteeltaan erilaiseen tyyppiin: pol-ton jälkeiseen talteenottoon, ennen polttoa tapahtuvaan talteenottoon, happipolttoon ja kemialliseen kiertoon perustuvaan palamiseen. Polton jälkeinen ja ennen polttoa tapah-tuva talteenotto edustavat eniten tutkittua ja käytettyä tekniikkaa. Hyötykäyttökohteita CO2:lla on useita, joista nykyiset merkittävimmät ovat öljyn tuo-tannon tehostus ja elintarviketeollisuus. Tulevaisuudessa merkittäviä käyttökohteita tulee todennäköisesti olemaan uusiutuvan energian varastointi synteettiseen metaa-niin/metanoliin, kemian-, paperi- ja selluteollisuuden prosessit ja vedenkäsittely.

Testing FCM technique for the wind energy scenarios in Finland

In the latter days, human activities constantly increase greenhouse gases emissions in the atmosphere, which has a direct impact on a global climate warming. Finland as European Union member, developed national structural plan to promote renewable energy generation, pursuing the aspects of Directive 2009/28/EC and put it on the sharepoint. Finland is on a way of enhancing national security of energy supply, increasing diversity of the energy mix. There are plenty significant objectives to develop onshore and offshore wind energy generation in country for a next few decades, as well as another renewable energy sources. To predict the future changes, there are a lot of scenario methods developed and adapted to energy industry. The Master’s thesis explored “Fuzzy cognitive maps” approach in scenarios developing, which captures expert’s knowledge in a graphical manner and using these captures for a raw scenarios testing and refinement. There were prospects of Finnish wind energy development for the year of 2030 considered, with aid of FCM technique. Five positive raw scenarios were developed and three of them tested against integrated expert’s map of knowledge, using graphical simulation. The study provides robust scenarios out of the preliminary defined, as outcome, assuming the impact of results, taken after simulation. The thesis was conducted in such way, that there will be possibilities to use existing knowledge captures from expert panel, to test and deploy different sets of scenarios regarding to Finnish wind energy development.

Polysulfidiprosessin vaikutukset höyrynkulutukseen sulfaattisellutehtaassa

Diplomityön tavoitteena on kartoittaa höyrynkulutuksen merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia sekä todennettuja muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Diplomityössä analysoidaan muutoksiin johtaneita syitä ja erityisesti peilataan niitä ennalta odotettuihin muutoksiin, joita kandidaatintyö ”Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa” (Szepaniak 2014) esitti kirjallisuuden pohjalta. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Tutkimustulosten perusteella esitetään jatkotutkimus- ja kehityskohteita. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon ja keittämöön. Keittämön höyrynkulutus kasvaa, haihduttamon kuorma vähenee ja soodakattilan lämmöntuotanto heikkenee. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen muutokset ovat tilastollisesti merkityksettömiä. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Alueellisen lämmitysjärjestelmän valinta hankesuunnitteluvaiheessa

Työn lähtökohtana oli tarkastella hankesuunnitteluvaiheen lämmitysjärjestelmän valintaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Työssä käytettiin Case-tarkasteluna Espoon Finnoon aluetta. Rakennusosakeyhtiö Hartela voitti Espoon Finnoon ensimmäisen (Finnoo I) asemakaava-alueen suunnittelu ja toteuttamisen ideakilpailun vuoden 2012 lopussa. Finnoo I alueelle rakennettaan noin 155 000 kerrosmetriä eli huoneistot noin 4000 asukkaalle. Alueen ra-kennukset suunnitellaan energiatehokkaaksi, sekä lämmityksessä ja sähkössä on tarkoitus käyttää uusiutuvaa energiaa. Työssä käsiteltiin alueellista lämmitysjärjestelmää ja sen vaihtoehtoetoja. Työssä tutkittiin myös aurinkosähkön käytön mahdollisuutta alueella. Ensin työssä mitoitettiin rakennusten energiankulutuksen muodostuminen alustavien suunnitelmien ja arvioitujen ominaiskulu-tusten avulla. Sen jälkeen käytiin läpi mahdolliset lämmitysjärjestelmät, joita alueella voi-daan käyttää ja arvioitiin niiden aiheuttamat elinkaarikustannukset koko laskenta-ajan jak-solla. Elinkaarilaskentaan valittiin viisi toteutuskelpoisinta järjestelmää ja niistä laskettiin elinkaarikustannukset. Lisäksi laskettiin järjestelmien hiilidioksidipäästöt vuosittain. Työn tulosten pohjalta voidaan olettaa, että kokonaisvaltaisesti yhtä ainoata parasta lämmi-tysjärjestelmää alueelle ei ole, vaan kaukolämpöä, maalämpöä ja hybridijärjestelmiä tulisi käyttää alueella sekaisin. Lisäksi alue on mahdollista rakentaa niin, että alue käyttäisi nolla-lämpöalueen periaatetta, niin että rakennukset, jotka tuottavat lämpöä liikaa myisivät ne sitä rakennuksille jotka tarvitsevat sitä. Aurinkosähkön potentiaali alueella on hyvä ja sitä käyttämällä voidaan rakennusten E-lukua ja hiilidioksidipäästöjä laskea.

Comparison of Different Concentrated Solar Power Collector Designs and Development of a Linear Fresnel Solar Collector Model

Concentrated solar power (CSP) is a renewable energy technology, which could contribute to overcoming global problems related to pollution emissions and increasing energy demand. CSP utilizes solar irradiation, which is a variable source of energy. In order to utilize CSP technology in energy production and reliably operate a solar field including thermal energy storage system, dynamic simulation tools are needed in order to study the dynamics of the solar field, to optimize production and develop control systems. The object of this Master’s Thesis is to compare different concentrated solar power technologies and configure a dynamic solar field model of one selected CSP field design in the dynamic simulation program Apros, owned by VTT and Fortum. The configured model is based on German Novatec Solar’s linear Fresnel reflector design. Solar collector components including dimensions and performance calculation were developed, as well as a simple solar field control system. The preliminary simulation results of two simulation cases under clear sky conditions were good; the desired and stable superheated steam conditions were maintained in both cases, while, as expected, the amount of steam produced was reduced in the case having lower irradiation conditions. As a result of the model development process, it can be concluded, that the configured model is working successfully and that Apros is a very capable and flexible tool for configuring new solar field models and control systems and simulating solar field dynamic behaviour.

Large-eddy simulation of wind flows over complex terrains for wind energy applications

Wind energy has obtained outstanding expectations due to risks of global warming and nuclear energy production plant accidents. Nowadays, wind farms are often constructed in areas of complex terrain. A potential wind farm location must have the site thoroughly surveyed and the wind climatology analyzed before installing any hardware. Therefore, modeling of Atmospheric Boundary Layer (ABL) flows over complex terrains containing, e.g. hills, forest, and lakes is of great interest in wind energy applications, as it can help in locating and optimizing the wind farms. Numerical modeling of wind flows using Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a popular technique during the last few decades. Due to the inherent flow variability and large-scale unsteadiness typical in ABL flows in general and especially over complex terrains, the flow can be difficult to be predicted accurately enough by using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). Large- Eddy Simulation (LES) resolves the largest and thus most important turbulent eddies and models only the small-scale motions which are more universal than the large eddies and thus easier to model. Therefore, LES is expected to be more suitable for this kind of simulations although it is computationally more expensive than the RANS approach. With the fast development of computers and open-source CFD software during the recent years, the application of LES toward atmospheric flow is becoming increasingly common nowadays. The aim of the work is to simulate atmospheric flows over realistic and complex terrains by means of LES. Evaluation of potential in-land wind park locations will be the main application for these simulations. Development of the LES methodology to simulate the atmospheric flows over realistic terrains is reported in the thesis. The work also aims at validating the LES methodology at a real scale. In the thesis, LES are carried out for flow problems ranging from basic channel flows to real atmospheric flows over one of the most recent real-life complex terrain problems, the Bolund hill. All the simulations reported in the thesis are carried out using a new OpenFOAM® -based LES solver. The solver uses the 4th order time-accurate Runge-Kutta scheme and a fractional step method. Moreover, development of the LES methodology includes special attention to two boundary conditions: the upstream (inflow) and wall boundary conditions. The upstream boundary condition is generated by using the so-called recycling technique, in which the instantaneous flow properties are sampled on aplane downstream of the inlet and mapped back to the inlet at each time step. This technique develops the upstream boundary-layer flow together with the inflow turbulence without using any precursor simulation and thus within a single computational domain. The roughness of the terrain surface is modeled by implementing a new wall function into OpenFOAM® during the thesis work. Both, the recycling method and the newly implemented wall function, are validated for the channel flows at relatively high Reynolds number before applying them to the atmospheric flow applications. After validating the LES model over simple flows, the simulations are carried out for atmospheric boundary-layer flows over two types of hills: first, two-dimensional wind-tunnel hill profiles and second, the Bolund hill located in Roskilde Fjord, Denmark. For the twodimensional wind-tunnel hills, the study focuses on the overall flow behavior as a function of the hill slope. Moreover, the simulations are repeated using another wall function suitable for smooth surfaces, which already existed in OpenFOAM® , in order to study the sensitivity of the flow to the surface roughness in ABL flows. The simulated results obtained using the two wall functions are compared against the wind-tunnel measurements. It is shown that LES using the implemented wall function produces overall satisfactory results on the turbulent flow over the two-dimensional hills. The prediction of the flow separation and reattachment-length for the steeper hill is closer to the measurements than the other numerical studies reported in the past for the same hill geometry. The field measurement campaign performed over the Bolund hill provides the most recent field-experiment dataset for the mean flow and the turbulence properties. A number of research groups have simulated the wind flows over the Bolund hill. Due to the challenging features of the hill such as the almost vertical hill slope, it is considered as an ideal experimental test case for validating micro-scale CFD models for wind energy applications. In this work, the simulated results obtained for two wind directions are compared against the field measurements. It is shown that the present LES can reproduce the complex turbulent wind flow structures over a complicated terrain such as the Bolund hill. Especially, the present LES results show the best prediction of the turbulent kinetic energy with an average error of 24.1%, which is a 43% smaller than any other model results reported in the past for the Bolund case. Finally, the validated LES methodology is demonstrated to simulate the wind flow over the existing Muukko wind farm located in South-Eastern Finland. The simulation is carried out only for one wind direction and the results on the instantaneous and time-averaged wind speeds are briefly reported. The demonstration case is followed by discussions on the practical aspects of LES for the wind resource assessment over a realistic inland wind farm.