Uudisrakennusalueen lämmitysratkaisujen valinta – tulevaisuuden haasteet ja niihin vastaaminen

Matalaenergiarakentaminen asettaa uudenlaisia haasteita ja mahdollisuuksia lämpöenergian tuotannolle. Lämmitysjärjestelmien mitoitustehot eivät laske samassa suhteessa kuin lämmitysenergiankulutus, mikä suosii alhaisia investointeja muuttuvien kulujen kustannuksella. Työssä tutkittiin viittä vaihtoehtoista tapaa tuottaa kohdealueen rakennuskannan vuotuinen lämpöenergiantarve. Kohdealue koostui pääasiallisesti matalaenergiakerrostaloista. Neljä vaihtoehtoa perustui kaukolämpöön ja yksi matalaenergiaverkkoon varustettuna kiinteistökohtaisilla lämpöpumpuilla. Lähialueen jätevedenpuhdistamolle sijoitettu keskitetty lämpöpumppuratkaisu muodostui kokonaiskustannuksiltaan edullisimmaksi vaihtoehdoksi tuottaa kohdealueen rakennuskannan lämpöenergiantarve. Haketta polttoaineenaan käyttävä pien-CHPlaitos omasi vastaavasti pienimmän hiilijalanjäljen, mutta oli kustannusrakenteeltaan epäedullinen. Kohdealue ja vaihtoehtoiset lämmitysjärjestelmät mallinnettiin GaBi 4.3 elinkaarimallinnusohjelmistolla vaihtoehtojen hiilijalanjälkien selvittämiseksi.

Energiatehokkuuden parantaminen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa

Tämän diplomityön tarkoituksena on esitellä energiatehokkuutta koskevien lakien ja määräysten nykytilannetta ja selvittää niiden vaikutusta esimerkkikohteena olevan Lappeenrannan teknillisen yliopiston rakennusten energiatehokkuuteen sekä esittää keinoja, kuinka energiatehokkuutta voidaan parantaa. Energiatehokkuuden parantamiskeinojen löytämiseksi on selvitetty Lappeenrannan teknillisen yliopiston energiankäytön nykytilaa. Energiatehokkuuden parantamiseksi tehtävät toimenpiteet on jaettu potentiaalisiin ja lisäselvitystä vaativiin toimenpiteisiin seuraavalle viidelle vuodelle. Työssä esitellään esimerkkitarkasteluja mahdollisista toimenpiteistä ja arvioidaan investointeja vaativien toimenpiteiden kustannuksia, saavutettavia säästöjä ja investointien takaisinmaksuaikaa. Toimenpiteet on rajattu sellaisiin, jotka voidaan toteuttaa seuraavan viiden vuoden aikana

Heating control of an electrical motor

Electrical motors on a ship attackable to different factors which decrease these lifetimes. One of the main external factors on a ship which usually is a reason of the motor failure is a moisture condensation which decreases the motor winding insulation and increase a probability of the short circuit. Therefore, the protection against moisture is necessary for ship electrical motors. The motor should be protected against moisture all time when it does not operate. The necessity of such protection requires a lot of energy consumption. This master’s thesis is focused on the creation of the electrical motor thermal model and on the different methods of the motor protection against moisture analysis with energy consumption point of view.

Feasibility study for acidic biorefinery concept

The integration a recovery process for spent sulfite liquor from a sulfite cooking process with a kraft pulp mill was studied in this thesis work. The process includes a fermentation process for the production of biofuel. The calculation for three cases was done. The three cases considered were with a spruce sulfite pulp production of 100, 250 and 1000 Adt/day corresponding to 10, 25 and 100% of the total pulp production. A kraft cooking process with prehydrolysis was taken in consideration as reference. Compared to kraft cooking with prehydrolysis a bigger amount of ethanol can be produced by sulfite cooking. In the kraft prehydrolysis case 40 t/day of ethanol and 1000 Adt/day pine pulp is produced and in the sulfite case the production is 113 t/day of ethanol and 1000 Adt/day of spruce pulp. The energy consumption in the sulfite process is assumed to be slightly higher than in the kraft prehydrolysis process. The recovery system for spent liquor mix was studied. The evaporation of the spent cooking liquors should be done separately. The approximately composition of melt was calculated. A comparison of all four cases was done and profitability was estimated.

Vaneritehtaan energianäkökohtien tarkastelu ja seuranta

Diplomityön tavoitteena oli tunnistaa ja analysoida vaneritehtaan energianäkökohdat. Lisäksi tavoitteena oli luoda työkalu, joka mahdollistaisi energianäkökohtien seurannan ja vertailun sekä tehtaan energiankäytön jatkuvan kehittämisen. Teoriaosuudessa käsiteltiin energiatehokkuutta sekä energian käyttöä, hankintaa ja tuotantoa. Lisäksi tarkasteltiin vanerin valmistusprosessia. Tarkoituksena oli luoda pohja vaneritehtaan energiankäytön hahmottamiselle ja sen energianäkökohtien analysoinnille. Energian käytön kartoittaminen tehtiin osaksi hyödyntämällä olemassa olevaa tietokantaa ja osaksi prosessoimalla kerättyjä mittaustuloksia. Kartoituksen perusteella tunnistettiin vaneritehtaan osastokohtaiset energianäkökohdat. Näkökohtien analysoinnilla selvitettiin niiden vaikutusta energiankulutukseen ja tuotannon tehokkuuteen. Tämän pohjalta luotiin seurantatyökalu, johon energianäkökohdat ja niihin vaikuttavat tekijät koottiin osastoittain. Energiatehokkuuteen vaikuttavien tekijöiden merkittävyyttä tarkasteltiin pisteyttämällä toiminnan osa-alueita. Analysoinnin yhteydessä työssä esitettiin myös yksittäisiä toiminnan tehokkuuteen liittyviä kehitysesimerkkejä.

Etelä-Karjalan pienten ja keskisuurten konepaja- ja kunnossapitoyritysten energiaohjelma

Työssä tutkitaan Etelä-Karjalan alueella olevien uusiutuvien energiavarojen lisäämisen mahdollisuuksia sekä energian kulutuksen vähennysmahdollisuuksia energiatehokkuuden avulla pienissä ja keskisuurissa konepaja- ja kunnossapitoyrityksissä. Energiaohjelman pohjalla on EU:n halu jalkauttaa energia- ja ilmastotavoitteensa pieniin ja keskisuuriin yrityksiin. Ohjelma on muodostettu yritysryhmän mielipiteet ja tarpeet, sekä Etelä-Karjalan alueen ominaispiirteet huomioon ottaen. Energiaohjelmaa muodostettaessa perehdyttiin sekä EU:n että Suomen energiapolitiikkaan ja Etelä-Karjalan alueellisiin ominaisuuksiin ja energiantuotantotapoihin. Lisäksi yrityksiä haastateltiin energia-asioista ja niihin liittyvistä asenteista sekä perehdyttiin yritysten energiatehokkuuteen. Haastattelujen ja alueellisen energiarakenteen pohjalta päädyttiin muodostamaan energiaohjelma energiatehokkuuteen painottuen, koska alueen uusiutuvia luonnonvaroja on jo hyödynnetty melko tehokkaasti. Energiaohjelmaa testattiin pilottiprojektissa, joka toteutettiin työssä teoreettisena laskentana. Pilottiprojektin laskennasta saatiin lupaavia tuloksia. Laskennassa käytettävistä arvoista suurin osa saatiin pilottiprojektin yritykseltä tai muista lähteistä, mutta osa arvioitiin itse. Pilottiprojektista saatujen tietojen perusteella voidaan energiaohjelman väittää toimivan ainakin tarkastelussa mukana olleessa yritysryhmässä Etelä-Karjalan alueella. Energiaohjelma voi edistää yritysryhmän energiatehokkuutta vain jos se otetaan yrityksissä käyttöön. Ohjelmaa on mahdollista kehittää lisää muun muassa yksinkertaistamalla laskentaa. Jatkokehittelyllä on mahdollista luoda EU:n alueelle sopiva energiantehokkuustarkasteluun käytettävä ohjelma.

Energiankulutuksen vähentäminen jäähdytyspiirin pumppausprosessissa

Pumppujen oikean mitoituksen lisäksi niiden tuoton säätämisellä on merkitystä pumppausprosessin energiankulutukseen. Työssä tarkastellaan pyörimisnopeussäädön ja virtauksen kuristamisen eroja pumppauksen tilavuusvirran säätämisessä erityisesti energiatehokkuuden kannalta. Työn kokeellisessa osiossa tarkastellaan erään jäähdytyspiirin pumppujen hyötysuhteita ja lasketaan mahdollinen energiansäästöpotentiaali, mikäli pumppujen säätäminen olisi toteutettu pyörimisnopeussäädöllä.

Kylmätilojen kuljetinkäyttöjen energiatehokkuus

We study how conveyor drives in refrigerating rooms affect total energy costs. Studied conveyor drives are different types of gear motor drives. Energy efficiencies of the conveyor drives are determined by using direct torque measurement and energy costs of the conveyor drives are approximated from these results. From the measurement results and the approximated total costs it can be seen how the energy efficiency of a conveyor drive has a considerable influence on the total costs, especially, with large operating hours. An energy efficient conveyor drive can minimize the total energy costs by reducing the energy consumption of the conveyor motor while cooling costs in refrigerated rooms are also reduced.

Teollisuuden ja yhdyskuntien energiatehokkuusselvitykset, auditoinnit 2008–2010

Nykypäivänä energiansäästötavoitteet ovat haasteena yhä useammalle energiankuluttajalle. Tavoitteisiin päästäkseen yritykset ja kunnalliset energiankuluttajat kaipaavat usein apua kannattavien energiansäätökeinojen löytämiseksi. Erilaiset energiakatselmukset vastaavat tähän tarpeeseen ja ovat esimerkki tuloksellisesta energiansäästöstä. Lappeenrannan teknillinen yliopisto on tutkinut energiatehokkuutta pitkään erilaisissa projekteissa teollisuuden kanssa yhteistyössä. Osa LUT:n energiatehokkuustutkimusta ovat energia-auditoinnit yrityksille ja kunnille, joita LUT Energian projektin puitteissa alettiin kehittää vuoden 2008 syksyllä. Energia-auditointien fokuksena on pyritty pitämään pumppausprosessien energiatehokkuuden optimointia, sillä aihetta on tutkittu yliopistolla laajasti. Pumppausprosesseissa on todettu olevan merkittävä energiansäästöpotentiaali: pumppauksen kuluttamasta energiasta voi olla mahdollista säästää jopa 50 % erilaisilla laite- ja säästötaparatkaisuilla. Pumppausprosessien energia-auditointeja on tehty teollisuuden pumppauskohteisiin kuin myös kunnallisiin vesi-huoltolaitoksiin. Lisäksi energia-auditointien puitteissa on tutkittu energiansäästömahdollisuuksia rakennuksissa. Energiansäästökohteita etsitään sekä lämpö- että sähköenergian osalta. Energia-auditoinneissa pumppausten osalta energiansäästöpotentiaalia on todettu olevan etenkin suuren kokoluokan pumpuissa, joilla on pitkä vuosittainen käyttöaika. Myös pumppujen säätötavalla on suuri merkitys energiankulutukseen. Rakennusten osalta on pyritty selvittämään, kuinka energiankulutus jakautuu eri kulutusryhmien kesken. Säästökohteita on löydetty muun muassa rakennusten tiiviydestä, ilmanvaihdosta kuin valaistuksestakin. Monia auditointien asiakkaita on kiinnostanut etenkin led-teknologian hyödyntäminen yleisvalaistuksessa sekä muut keinot säästää valaistuksen energiankulutuksessa. Pyrkimyksenä on kehittää energia-auditointeja projektin aikana saavutettujen kokemusten avulla sekä myös liiketaloudellisessa mielessä opinnäytetutkielmien avulla. Menestyksekäs palveluliiketoiminta edellyttää määriteltyjä toimintatapoja, riittävän tarkkaa palvelujen rajausta ja koko energia-auditointiprosessin kehittämistä aina asiakassuhteen luomisesta sen jatko-hoitoon saakka.

Kaupunkialueella toimivan sähkönjakeluverkkoyhtiön siirtohinnoittelun kehittäminen

Sähkönjakeluverkkoyhtiöllä on sähkön siirtopalveluun alueellinen monopoli. Siirtohinnoittelun reunaehdot tulevat sähkömarkkinalaista ja hintojen kohtuullisuutta valvoo ja sääntelee Energiamarkkinavirasto. Tässä työssä selvitetään Turku Energia Sähköverkot Oy:lle kustannusvastaavat aiheuttamisperiaatteen mukaiset siirtohinnat. Samalla muodostetaan yleis-, yö- ja kausituotteiden perusmaksuihin asiakkaan liittymispisteen pääsulakkeen kokoon perustuva porrastus. Sulakeporrastuksen käyttöönotolla pystytään kehittämään siirtohinnoittelun kustannusvastaavuutta ja noudattamaan aiheuttamisperiaatteen mukaista hinnoittelupolitiikkaa entistä paremmin. Työssä tutkitaan siirtohinnoittelun kehitysnäkymiä myös pidemmällä tähtäimellä. Älykkäiden sähköverkkojen kehittyminen ja erityisesti etäluettavien mittareiden käyttöönotto tulevat luomaan kehitysmahdollisuuksia siirtohinnoitteluun tulevaisuudessa. Laitteista saatavia tarkkoja sähkönkulutus- ja tehotietoja voidaan käyttää kustannusvastaavuuslaskennan taustalla. Jotta verkon käyttö olisi sen mitoitukseen nähden mahdollisimman tehokasta, tulisi kuorman jakautua mahdollisimman tasaisesti ajan suhteen. Verkossa esiintyviä kulutushuippuja pystytään tulevaisuudessa mahdollisesti tasoittamaan esimerkiksi kuorman ohjauksen avulla, jonka tehokeinona voidaan käyttää siirtohinnoittelua. Siirtohinnoilla voidaan mahdollisesti vaikuttaa myös esimerkiksi kulutuksen ja tuotannon ajoittamiseen sekä kannusta asiakkaita loistehon kompensointiin. Siirtotuotteiden täytyy myös kehittyä asiakkaiden tarpeiden kehittymisen rinnalla ja esimerkiksi sähkön laadun tuotteistaminen voi olla eräs keino vastaamaan tiukentuneisiin vaatimuksiin.

Biochemical Modification of Thermomechanical Pulp Fibers

The first objective of this study was to find out reliable laboratory methods to predict the effect of enzymes on specific energy consumption and fiber properties of TMP pulp. The second one was to find with interactive software called “Knowledge discovery in databases” enzymes or other additives that can be used in finding a solution to reduce energy consumption of TMP pulp. The chemical composition of wood and enzymes, which have activity on main wood components were presented in the literature part of the work. The results of previous research in energy reduction of TMP process with enzymes were also highlighted. The main principles of knowledge discovery have been included in literature part too. The experimental part of the work contains the methods description in which the standard size chip, crushed chip and fiberized spruce chip (fiberized pulp) were used. Different types of enzymatic treatment with different dosages and time were tested during the experiments and showed. Pectinase, endoglucanase and mixture of enzymes were used for evaluation of method reliability. The fines content and fiber length of pulp was measured and used as evidence of enzymes' effect. The refining method with “Bauer” laboratory disc refiner was evaluated as not highly reliable. It was not able to provide high repeatability of results, because of uncontrolled feeding capacity and refining consistency. The refining method with Valley refiner did not have a lot of variables and showed stable and repeatable results in energy saving. The results of experiments showed that efficient enzymes impregnation is probably the main target with enzymes application for energy saving. During the work the fiberized pulp showed high accessibility to enzymatic treatment and liquid penetration without special impregnating equipment. The reason was that fiberized pulp has larger wood surface area and thereby the contact area between the enzymatic solution and wood is also larger. Standard size chip and crushed chip treatment without special impregnator of enzymatic solution was evaluated as not efficient and did not show visible, repeatable results in energy consumption decrease. Thereby it was concluded that using of fiberized pulp and Valley refiner for measurements of enzymes' effectiveness in SEC decrease is more suitable than normal size chip and crushed chip with “Bauer” refiner. Endoglucanase with 5 kg/t dosage showed about 20% energy consumption decrease. Mixture of enzymes with 1.5 kg/t dosage showed about 15% decrease of energy consumption during the refining. Pectinase at different dosages and treatment times did not show significant effect on energy consumption. Results of knowledge discovery in databases showed the xylanase, cellulase and pectinase blend as most promising for energy reduction in TMP process. Surfactants were determined as effective additives for energy saving with enzymes.

Sähköautojen pikalatauksen verkkovaikutukset

Euroopan unionin energiapolitiikka on luonut paineen parantaa energiatehokkuutta kaikilla energiankäytön aloilla. Merkittävä osa energiasta kulutetaan liikenteessä, joten sähköautojen käyttöönotolla voidaan parantaa energiatehokkuutta merkittävästi. Tämän vuoksi on tarkasteltava sähköautojen laajamittaisen levinneisyyden aiheuttamia vaikutuksia sähköverkolle. Tässä diplomityössä tarkastellaan sähköautojen pikalatauksen verkkovaikutuksia. Tarkastelu painottuu kotilatauksen tarkasteluun taajamissa ja maaseudulla. Kuormituksen kasvu simuloidaan hyödyntäen sähköauton lataukselle laskettua kuormituskäyrää, jonka laskenta perustuu keskimääräiseen henkilöauton liikkumiseen, joka on saatavilla Suomen henkilöliikennetutkimuksesta. Simuloinnin tulosten perusteella sähköauton pikalatauksen verkkovaikutukset ovat merkittäviä keskijänniteverkossa ja pienjänniteverkossa. Suuremmat vaikutukset kohdistuvat pienjänniteverkkoon.

On the development of object functions and restrictions for shapes made with a turret punch press

This study presents the information required to describe the machine and device resources in the turret punch press environment which are needed for the development of the analysing method for automated production. The description of product and device resources and their interconnectedness is the starting point for method comparison the development of expenses, production planning and the performance of optimisation. The manufacturing method cannot be optimized unless the variables and their interdependence are known. Sheet metal parts in particular may then become remarkably complex, and their automatic manufacture may be difficult or, with some automatic equipment, even impossible if not know manufacturing properties. This thesis consists of three main elements, which constitute the triangulation. In the first phase of triangulation, the manufacture occuring on a turret punch press is examined in order to find the factors that affect the efficiency of production. In the second phase of triangulation, the manufacturability of products on turret punch presses is examined through a set of laboratory tests. The third phase oftriangulation involves an examination of five industry parts. The main key findings of this study are: all possible efficiency in high automation level machining cannot be achieved unless the raw materials used in production and the dependencies of the machine and tools are well known. Machine-specific manufacturability factors for turret punch presses were not taken into account in the industrial case samples. On the grounds of the performed tests and industrial case samples, the designer of a sheet metal product can directly influence the machining time, material loss, energy consumption and the number of tools required on a turret punch press by making decisions in the way presented in the hypothesis of thisstudy. The sheet metal parts to be produced can be optimised to bemanufactured on a turret punch press when the material to be used and the kinds of machine and tool options available are known. This provides in-depth knowledge of the machine and tool properties machine and tool-specifically. None of the optimisation starting points described here is a separate entity; instead, they are all connected to each other.

Effect of hydrodynamics on modelling, monitoring and control of crystallization

Crystallization is a purification method used to obtain crystalline product of a certain crystal size. It is one of the oldest industrial unit processes and commonly used in modern industry due to its good purification capability from rather impure solutions with reasonably low energy consumption. However, the process is extremely challenging to model and control because it involves inhomogeneous mixing and many simultaneous phenomena such as nucleation, crystal growth and agglomeration. All these phenomena are dependent on supersaturation, i.e. the difference between actual liquid phase concentration and solubility. Homogeneous mass and heat transfer in the crystallizer would greatly simplify modelling and control of crystallization processes, such conditions are, however, not the reality, especially in industrial scale processes. Consequently, the hydrodynamics of crystallizers, i.e. the combination of mixing, feed and product removal flows, and recycling of the suspension, needs to be thoroughly investigated. Understanding of hydrodynamics is important in crystallization, especially inlargerscale equipment where uniform flow conditions are difficult to attain. It is also important to understand different size scales of mixing; micro-, meso- and macromixing. Fast processes, like nucleation and chemical reactions, are typically highly dependent on micro- and mesomixing but macromixing, which equalizes the concentrations of all the species within the entire crystallizer, cannot be disregarded. This study investigates the influence of hydrodynamics on crystallization processes. Modelling of crystallizers with the mixed suspension mixed product removal (MSMPR) theory (ideal mixing), computational fluid dynamics (CFD), and a compartmental multiblock model is compared. The importance of proper verification of CFD and multiblock models is demonstrated. In addition, the influence of different hydrodynamic conditions on reactive crystallization process control is studied. Finally, the effect of extreme local supersaturation is studied using power ultrasound to initiate nucleation. The present work shows that mixing and chemical feeding conditions clearly affect induction time and cluster formation, nucleation, growth kinetics, and agglomeration. Consequently, the properties of crystalline end products, e.g. crystal size and crystal habit, can be influenced by management of mixing and feeding conditions. Impurities may have varying impacts on crystallization processes. As an example, manganese ions were shown to replace magnesium ions in the crystal lattice of magnesium sulphate heptahydrate, increasing the crystal growth rate significantly, whereas sodium ions showed no interaction at all. Modelling of continuous crystallization based on MSMPR theory showed that the model is feasible in a small laboratoryscale crystallizer, whereas in larger pilot- and industrial-scale crystallizers hydrodynamic effects should be taken into account. For that reason, CFD and multiblock modelling are shown to be effective tools for modelling crystallization with inhomogeneous mixing. The present work shows also that selection of the measurement point, or points in the case of multiprobe systems, is crucial when process analytical technology (PAT) is used to control larger scale crystallization. The thesis concludes by describing how control of local supersaturation by highly localized ultrasound was successfully applied to induce nucleation and to control polymorphism in reactive crystallization of L-glutamic acid.

Pumppauksen energiansäästökartoitus teollisuuslaitoksessa

Tässä diplomityössä on suoritettu pumppauksen energiansäästökartoitus Nordkalkin Lappeenrannan teollisuuslaitoksessa. Tavoitteena on kuvata teollisuuslaitoksen nykyistä pumppauksen tarvetta sekä etsiä energiansäästökohteita. Työn valmistelussa on käytetty apuna energiankulutustiedoista koostettuja energiataseita sekä yrityksen valmistelemia pumppulistoja. Energiansäästökohteita haettaessa tässä tarkastelutyössä huomio on kohdistettu pumppujen säätötapoihin ja mahdollisuuksiin vähentää virtaamaa tai pumppujärjestelmän kokonaisnostokorkeutta. Pumppujärjestelmän toiminnan määrittämisessä on käytetty hyväksi tilavuusvirran ja sähkötehon mittauksia sekä teoreettista tarkastelua kokonaisnostokorkeuden ja pumpun toimintapisteen selvittämiseksi. Kaikkien tarkasteltavien pumppujen osalta on hyödynnetty laitevalmistajien tarjoamia tietoja. Pumppujen vuotuisen toiminnan arviointi on suoritettu tuotantotietojen sekä käyttöhenkilökunnan haastatteluilla kerätyn tiedon perusteella. Työn lopussa on esitetty tarkastelukohteiksi valittujen pumppujärjestelmien energiatehokkuuden parantamiseksi suositeltavia toimenpiteitä. Suositeltavien toimenpiteiden sisältäessä investointeja on niille laskettu nykyarvot sekä takaisinmaksuajat. Energiansäästökohteiksi valittujen pumppujärjestelmien yhteenlaskettu vuosittainen energiansäästö on 352 MWh/a (24640 €/a) investointikustannusten (hankintakustannukset) ollessa 12000 €.