Sähkön ja lämmön yhteistuotanto haasteellisilla polttoaineilla

Maailman energian kulutuksen lisääntymisen ja ilmastonmuutoksen myötä energiantuotannossa joudutaan jatkuvasti sopeutumaan muuttuviin tilanteisiin ja haasteisiin. Polttoteknillisiä haasteita aiheuttavat pelto- ja kierrätyspolttoaineet ovat lisäämässä osuuttaan uusiutuvien polttoaineiden joukossa. Jotta kyseisiä haasteellisia polttoaineita pystytään hyödyntämään, täytyy niiden aiheuttamat ongelmat tuntea ja laitevalmistajien kehittää niiden hyödyntämiseen sopivaa tekniikkaa. Tässä diplomityössä käydään läpi tulevaisuudessa käytettävät polttoaineet, nykyiset päästörajat, kiinteiden polttoaineiden poltto- ja kaasutustekniikat sekä likaantumis-, kuonaantumis- ja korroosiomekanismit voimalaitoskattiloissa. Työssä tutkitaan, onko haasteellisten polttoaineiden käyttöön investoiminen järkevää ja mikä nykypäivän tekniikoista on kannattavin. Myös välitulistuksen, lauhdeperän ja apujäähdyttimen kannattavuuksia vertaillaan sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Tuloksiksi saatiin, että edullisten peltobiomassojen ja kierrätyspolttoaineiden käyttäminen, joko perinteisten polttoaineiden seassa tai pääpolttoaineena, on nykyhinnoilla perinteisiin polttoaineisiin verrattuna kannattavaa. Investoiminen kierrätyspolttoaineiden valmistuslaitteisiin maksimoi kierrätyspolttoaineista saatavaa hyötyä. Välitulistuksen todettiin soveltuvan huonosti vastapaineprosessiin, sillä siitä saatava sähköntuotannon lisäys on hyvin pieni. Lauhdeperän ja apujäähdyttimen vertailuissa huomattiin, että lauhdeperä on kannattava investointi, jos sähkön ja lämmön hintaero pysyy tarpeeksi suurena. Haasteellisilla polttoaineilla pystytään pienentämään kasvihuonepäästöjä ja korvaamaan fossiilisten polttoaineiden käyttöä.

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.

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.

Control system for forced-air cooling of horticultural products

This work is a study of the implementation of a classical controller using a tuning method referred to as IMC (Internal Model Control) and aimed at the reduction of electrical energy consumption by the appropriate relation between energy consumption and the cooling time with forced air. The supervisory system installed was able to manipulate the variable of frequency of the signal power of the exhaust fan engine (forced air module), to accelerate or decelerate the loss of heat from the product to be cooled by airflow variation that passes through the mass of the produce. The results demonstrated a reduction in energy consumption from 64% and an increase of only 8% in the cooling time to the system using PI/IMC (Proportional - Integral with IMC) tuning method compared with the system in its operating nominal condition. This PI/IMC control may be implemented directly in a frequency converter, without the need to purchase a computer or PLC (programmable logic controller) to run the dedicated application, increasing its economical viability.

Technical and economic analysis of replacing artificial lighting system to induction of photoperiod effect in begonia's seedlings in greenhouse

The type of artificial light used for inducing photoperiod effect in begonia's seedlings at greenhouse has fundamental importance in the growth and development of these plants and directly reflects in the electrical energy consumption used in this production process. The objective of this research was to analyze the technical and economic feasibility of replacing the current technology of artificial lighting used by the producers (incandescent lamps), by the technology of discharge lamps with the purpose of inducing photoperiod in a greenhouse. The analysis results indicate that the discharge lamp of 32 W Tubular Fluorescent discharge lamp was the one that presented the lower peak demand and lower average energy consumption of 85.01% compared to incandescent filament lamp of 100 W that is the technology of bigger consumption and currently used by the producer.

Energetic efficiency of a deep bed swine production system

The aim of this work was to evaluate the energy flows of a commercial production system of swine deep bed in its finishing phase, located in Juiz de Fora, in the State of Minas Gerais, Brazil. Thus, an energy efficiency study was carried out by monitoring a lot of animals, during a 94-day period. The energy rate of each compound involved in the production process was quantified and the matrixes of energy consumption were determined in the form of animal feeding, electrical energy, piglets, material used as deep bed, human labor, equipment, swine buildings, production of alive swine for slaughter, organic fertilizer production (swine deep bed or swine deep litter). From the direct input energy, 80.57% correspond to animal feeding, 11.90% to pigs for slaughter and 6.76% to piglets, while from the energy output 53.45% correspond to the terminating swine and 46.55% to organic fertilizer (swine deep bed). By the results obtained, we can conclude that such production system has corresponded to an industrial and highly specialized agro ecosystem, importing a great part of the energy consumed in the production process, with 41% of energy efficiency.

Evaluation of the heating of broilers in shed by means of gas hoods and underfloor heating

This study was conducted to evaluate and compare the behavior of the heating inside poultry shed through gas hood and underfloor heating. The experiment was conducted in poultry shed belonging to the Federal Institute of Education, Science and Technology of Triângulo Mineiro Region, Uberlândia city – state of Minas Gerais (MG), Brazil. The dimensions of the shed are 24 meters long and 9.6 meters wide and with a ceiling height of 3.2 meters. The temperature was measured with an optical thermometer of Minipa brand, MT 350 model. It was used, to the analysis of temperature behavior, the public domain software FEMM 4.2, which uses finite elements techniques, with data collected from two lots. Underfloor heating is made using hot water flowing through a serpentine type system, which is installed below the bed; this hot water is from solar heaters. An energetic and economic assessment of the warming shed for raising chickens was realized. From the results obtained with the simulations, it may observe that the heating through the floor provides a more homogeneous distribution of temperature when compared with the hood heating. The flow of heat is upwards supplying, thus, the greatest need of heating of the bird, which is the pectoral part.

Alueellinen energiatasemalli

Kiinnostus energia-asioiden käsittelemiseen alueellisesti yksittäisen rakennuksen asioiden käsittelyn sijaan on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosina. Keskustelu alueellisesta ener-gia-asioista on kuitenkin vasta alussa ja alueellisiin energiatarkasteluihin tarvitaan työväli-neitä. Tämän työn päätavoitteena oli luoda alueellinen energiatasemalli, jolla voidaan laskea alueen rakennuskannan energiankulutusta ja -tuotantoa sekä energiantuotannon hiilidi-oksidipäästöjä helposti ja nopeasti. Työssä perehdyttiin alueellisten energiatarkasteluiden tämän hetken tasoon, työvälineisiin ja ohjeistukseen. Myös Suomen rakentamismääräyskokoelman rakennusten energiatehok-kuusmääräyksiin tutustuttiin. Alueellisen energiatasemallin perustana käytettiin uusien rakentamismääräysten E-lukulaskennan ohjeistusta. Mallin toimivuutta testattiin Helsingin Salmenkallioon rakennettavaan uudisrakennusalueeseen. Testattaessa mallilla laskettiin kyseisen alueen energiankulutus sekä erilaisia energiantuo-tantovaihtoehtoja ja todettiin, että erityisesti energiankulutuksen laskenta on hyvin helppoa, kun alueen rakennusten kerrosalat ovat tiedossa. Tuotantopuolen uusiutuvan energian laskeminen luotettavasti vaatii hiukan enemmän taustatyötä, mutta varsinainen mallin käyt-täminen on helppoa ja tulokset saadaan suoraan selkeinä kuvaajina. Työssä onnistuttiin luomaan tavoitteiden mukainen malli, jota voidaan soveltaa erilaisissa alueellisissa energiatarkasteluissa. Tarkasteltaessa energia-asioita alueellisesti, saadaan esimerkiksi alueen huipputehon tarvetta pienennettyä ja energiantuotantoa optimoitua. Malli ei kuitenkaan ole vielä valmis laskentatyökalu, vaan vaatii jatkokehitystä, mikäli sitä halutaan hyödyntää laajemmin.

Ion selective electrodes for determination of low and ultra low concentrations of lead (II) in natural waters

Att övervaka förekomsten av giftiga komponenter i naturliga vattendrag är nödvändigt för människans välmående. Eftersom halten av föroreningar i naturens ekosystem bör hållas möjligast låg, pågår en ständig jakt efter kemiska analysmetoder med allt lägre detektionsgränser. I dagens läge görs miljöanalyser med dyr och sofistikerad instrumentering som kräver mycket underhåll. Jonselektiva elektroder har flera goda egenskaper som t.ex. bärbarhet, låg energiförbrukning, och dessutom är de relativt kostnadseffektiva. Att använda jonselektiva elektroder vid miljöanalyser är möjligt om deras känslighetsområde kan utvidgas genom att sänka deras detektionsgränser. För att sänka detektionsgränsen för Pb(II)-selektiva elektroder undersöktes olika typer av jonselektiva membran som baserades på polyakrylat-kopolymerer, PVC och PbS/Ag2S. Fast-fas elektroder med membran av PbS/Ag2S är i allmänhet enklare och mer robusta än konventionella elektroder vid spårämnesanalys av joniska föroreningar. Fast-fas elektrodernas detektionsgräns sänktes i detta arbete med en nyutvecklad galvanostatisk polariseringsmetod och de kunde sedan framgångsrikt användas för kvantitativa bestämningar av bly(II)-halter i miljöprov som hade samlats in i den finska skärgården nära tidigare industriområden. Analysresultaten som erhölls med jonselektiva elektroder bekräftades med andra analytiska metoder. Att sänka detektionsgränsen m.hj.a. den nyutvecklade polariseringsmetoden möjliggör bestämning av låga och ultra-låga blyhalter som inte kunde nås med klassisk potentiometri. Den verkliga fördelen med att använda dessa blyselektiva elektroder är möjligheten att utföra mätningar i obehandlade miljöprov trots närvaron av fasta partiklar vilket inte är möjligt att göra med andra analysmetoder. Jag väntar mig att den nyutvecklade polariseringsmetoden kommer att sätta en trend i spårämnesanalys med jonselektiva elektroder.

Operointialueen huomioiminen risteilylaivan sähkötaseessa

Kiristyvät päästörajoitukset ja muuttuvat säädökset ovat muokanneet laivanrakennusalaa energiatehokkaampaan ja ympäristöystävällisempään suuntaan. Energiatehokkuutta tutkitaan yksittäisistä laiteratkaisuista laivan operointitasolle asti. Tämä työ on tehty osana STX Finland Oy:n laivojen energiatehokkuuden tutkimusta. Työn tarkoituksena oli uudistaa laivojen sähkötaseen laskennassa käytettyjä kuormitustaulukoita ja kehittää operointialueen vaikutuksia huomioiva laskentamenetelmä. Uudistuksen taustalla oli tieto operointialueiden ympäristöolosuhteiden vaikutuksista sähkönkulutukseen ja työn tarkoituksena oli mahdollistaa suunnittelun myöhäisemmässä vaiheessa tehtävä operointialuekohtainen sähkönkulutustarkastelu. Sähkötaseen laskenta haluttiin vastaamaan enemmän todellista sähkönkulutusta. Aikaisemmin käytetystä mitoitusperusteisesta laskennasta haluttiin siirtyä todellisempien kuormien arviointiin laitteiden ja muuntajien turhan ylimitoituksen poistamiseksi. Kuormitustaulukoiden toimintaa yksinkertaistettiin ja taulukoista tehtiin helpommin mukautuvia, jotta erilaisten operointitilanteiden vertailu olisi mahdollista. Perinteisen taselaskennan rinnalle kehitettiin operointialueiden vaikutuksia huomioivat laskentataulukot. Uudet taulukot huomioivat komponenttien sähkönkulutuksen prosentuaalisen muutoksen operointialueittain sekä yksilöllisesti että kulutusryhmittäin. Laskentataulukoiden yhteyteen tehtiin kuvaajat havainnollistamaan alueittaisia kulutuseroja.

Assessing the Environmental Value of Water Treatment Solutions in the Mining Industry

Environmental accountability has become a major source of competitive advantage for industrial companies, because customers consider it as relevant buying criterion. However, in order to leverage their environmental responsibility, industrial suppliers have to be able to demonstrate the environmental value of their products and services, which is also the aim of Kemira, a global water chemistry company considered in this study. The aim of this thesis is to develop a tool which Kemira can use to assess the environmental value of their solutions for the customer companies in mining industry. This study answers to questions on what kinds of methods to assess environmental impacts exist, and what kind of tool could be used to assess the environmental value of Kemira’s water treatment solutions. The environmental impacts of mining activities vary greatly between different mines. Generally the major impacts include the water related issues and wastes. Energy consumption is also a significant environmental aspect. Water related issues include water consumption and impacts in water quality. There are several methods to assess environmental impacts, for example life cycle assessment, eco-efficiency tools, footprint calculations and process simulation. In addition the corresponding financial value may be estimated utilizing monetary assessment methods. Some of the industrial companies considered in the analysis of industry best practices use environmental and sustainability assessments. Based on the theoretical research and conducted interviews, an Excel based tool utilizing reference data on previous customer cases and customer specific test results was considered to be most suitable to assess the environmental value of Kemira’s solutions. The tool can be used to demonstrate the functionality of Kemira’s solutions in customers’ processes, their impacts in other process parameters and their environmental and financial aspects. In the future, the tool may be applied to fit also Kemira’s other segments, not only mining industry.

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.

Energiatehokkuuden parantaminen Lappeenrannan seudun opiskelija-asuntosäätiön rakennuksissa

Jatkuvasti nouseva energian hinta ja kiristyneet energiatehokkuusmääräykset asettavat opiskelijoille vuokra-asuntoja tuottaville palveluntarjoajille uusia haasteita. Opiskelijoiden tulotaso ei seuraa energian nopeaa hinnannousua ja jotta pystytään säilyttämään opiskelija-asuntojen hinta riittävän alhaisena, on kiinnitettävä enemmän huomiota energiankulutukseen. Tämä diplomityö antaa vahvan alkusysäyksen Lappeenrannan seudun opiskelija-asuntosäätiön (LOAS) energiate-hokkuustyölle ja tavoitteena on tehdä tehokkaasta energiankäytöstä jatkuvaa joka-päiväistä toimintaa. Energiatehokkuustyöhön ryhdyttiin tutustumalla valittujen vertailuyhteisöjen energiatehokkuustoimintaan ja energiatehokkuuteen Suomen rakennuskannassa. Tilastollisesta tarkastelusta siirryttiin tutkimaan LOAS:n kiinteistökannan nykytilaa asuinrakennuksille suunnitellun energiakatselmusmallin avulla. Tehtyjen ha-vaintojen pohjalta toteutettiin erilaisten energiansäästötoimenpiteiden vaikutta-vuuskokeiluja yksittäisissä asuntokohteissa. Saatujen tulosten pohjalta määriteltiin toimenpiteet energiatehokkuustoiminnan jatkamiselle ja parhaiden toimenpiteiden laajentamisesta koskemaan koko LOAS:n rakennuskantaa. Työssä luotiin suositukset myös LOAS:n tuleville laajemmille asuntokohteiden perusparannuksille, joilla energiatehokkuuden tasoa saadaan taloudellisesti kannattavalla tavalla merkittävästi parannettua. Työn kuluessa saatiin aikaiseksi energiatehokkuuden parantamisen kannalta merkittäviä tuloksia. Tehtyjen toimenpiteiden kokonaisvaltaisen käyttöönoton jälkeen LOAS:n energiatehokkuus on valtakunnallista huipputasoa opiskelija-asumista tarjoavien yhteisöjen vuosittaisessa vertailussa.

Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.