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.

Lumen varastointi ja hyödyntäminen tilojen jäähdytykseen, Case: Kone Oyj

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää mahdollisuutta hyödyntää lunta tilojen jäähdytykseen Koneen Hyvinkään tehdasalueella. Työssä kerrotaan myös yleisesti eri jäähdytysmuodoista ja tuotantotavoista. Eri kirjallisuuslähteiden pohjalta tutkittiin erilaisia lumijäähdytysjärjestelmiä, joiden energiataseiden pohjalta tehtiin sopiva malli kohdealueelle. Mallin avulla selvitettiin lumesta hyödynnettävä jäähdytysenergian määrä. Esitetylle varastolle hahmoteltiin investointi- ja käyttökustannukset kirjallisuuslähteiden ja asiantuntijoiden avulla. Kustannuksien ja jäähdytysenergiamäärien avulla laskettiin lumijäähdytyksen tuotantokustannukset, joita verrattiin perinteiseen kompressorijäähdyttimeen. Lopuksi pohdittiin vielä takaisinmaksuaikoja lumivaraston liittyessä nykyisiin jäähdytysjärjestelmiin ja kokonaan uuteen jäähdytysverkostoon. Tuloksien mukaan lumijäähdytys ei ole taloudellisesti kannattavaa Koneen Hyvinkään tehdasalueella. Ongelmaksi muodostui investointikustannusten suuruus verrattuna saatuihin säästöihin. Ympäristöllisesti ja yrityksellisesti hanketta voidaan pitää kannattavana. Lumijäähdytyksestä voidaan saada kannattavampi suuremmilla lumimäärillä, mikä vaatisi myös suuremmat jäähdytysenergiankulutukset kuin Koneella on. Myös hyödyntämällä luonnon omia rakenteita voidaan parantaa kannattavuutta.

Potential for synthetic gas in Finnish industry

Finland, other Nordic countries and European Union aim to decarbonize their energy production by 2050. Decarbonization requires large scale implementation of non-emission energy sources, i.e. renewable energy and nuclear power. Stochastic renewable energy sources present a challenge to balance the supply and demand for energy. Energy storages, non-emissions fuels in mobility and industrial processes are required whenever electrification is not possible. Neo-Carbon project studies the decarbonizing the energy production and the role of synthetic gas in it. This thesis studies the industrial processes in steel production, oil refining, cement manufacturing and glass manufacturing, where natural gas is already used or fuel switch to SNG is possible. The technical potential for fuel switching is assessed, and economic potential is necessary after this. All studied processes have potential for fuel switching, but total decarbonization of steel production, oil refining requires implementation of other zero-emission technologies.

Auringon asemaa seuraavan aurinkopaneelijärjestelmän kehittäminen

Tässä diplomityössä käsitellään Aurinkoa seuraavan aurinkopaneelijärjestelmän kehittämistä Suomen olosuhteisiin. Työ on tehty osana Lappeenrannan teknillisen yliopiston Green Campus-projektia, jossa tarkoituksena on tuottaa yliopistolle energiaa uusiutuvilla menetelmillä ja käyttää niitä apuna tutkimuksessa sekä opetuksessa. Tavoitteena työssä on ymmärtää Auringon seuraamisen hyödyt sekä mahdolliset haitat aurinkopaneeli sovellutuksissa. Aikaisemman tutkimustiedon ollessa vähäistä, on työssä pyritty löytämään laskentamalli tuottavuuden laskentaan riippumatta siitä, missä päin maapalloa aurinkopaneelijärjestelmä sijaitsee. Työ alkaa kirjallisuustutkimuksella, jossa käydään läpi aurinkopaneelien toimintaperiaate, aurinkoenergian ja auringonpaistetuntien suuruusluokat Suomessa, sekä Suomen sääoloista johtuvat vaatimukset aurinkopaneelijärjestelmille. Tämän jälkeen on vertailtu kaupallisia järjestelmiä. Lopuksi järjestelmällistä tuotesuunnittelua hyväksikäyttäen suunnitellaan oma versio Aurinkoa seuraavasta aurinkopaneelijärjestelmästä. Oman suunnitelman järkevyyttä simuloidaan pienoismallilla Matlab-Arduino ympäristössä ja pyritään löytämään mahdollisia heikkouksia. Suomessa aurinkoenergiasta 90 % saadaan maalis – syyskuun aikana. Nykyisillä akkujärjestelmillä aurinkoenergia Suomessa ei sovellu kuin täydentäväksi energianlähteeksi. Aurinkoa seuraamalla voidaan saavuttaa 25-30 % tuottavuuden lisäys kesäaikana verrattuna staattiseen järjestelmään. Talvella hyöty tippuu 0-10 % luokkaan. Pienoismallilla simuloidut ohjaustavat osoittivat, että Aurinkoa on mahdollista seurata ilman sensoreita laskemalla Auringon paikka tähtitieteen kaavoista.

Hiilidioksidin käsittely P2G prosessia varten

Power-to-Gas (P2G) tarkoittaa sähköenergian muuttamista kaasuksi. Kyse on konseptista, jossa uusiutuvaa energiaa varastoidaan kaasuun kemialliseksi energiaksi. Siinä tuotettava kaasu on joko vetyä tai metaania. Metanoinnissa muodostetaan hiilidioksidista ja vedystä kemiallisella prosessilla metaania, joka voidaan syöttää maakaasuverkkoon. Hiilidioksidin laadulle tässä prosessissa ei ole selkeitä ohjeita. Tässä työssä on tavoitteena selvittää miten hiilidioksidin laatu vaikuttaa metanointiprosessiin ja miten sitä tulee käsitellä tätä prosessia varten. Selvitetään myös mahdollisia hiilidioksidinkäsittelymenetelmiä, sekä lyhyesti talteenotto- ja kuljetustapojen vaikutuksia niihin. Esitetään kirjallisuudesta löytyviä arvioita hiilidioksidin käsittelyn kustannuksille.

Kattilatekniikat biopolttoaineille alle 5 MW teholuokassa

Tässä kandidaatintyössä on tarkoituksena kertoa mahdollisista eri biopolttoaineista ja niiden polttamiseen kehitetyistä kattilatekniikoista alle 5MW:n kokoluokassa. Eri kattilatyyppejä esitellään ja vertaillaan niiden toiminta-arvojen ja investointihintojen perusteella. Lisäksi työssä esitellään näiden kattilatyyppien kotimaisia polttokattilavalmistajia ja -myyjiä tarkastellun tehoalueen rajoissa. Työssä käsitellään vain pienitehoisia biopolttoainekattiloita, jolloin kattilaratkaisut rajoittuvat lähinnä arina- ja leijukerroskattiloihin. Kaasutuskattilat rajattiin työn ulkopuolelle työn rajatun laajuuden takia. Kaasutuskattiloilla on myös Suomessa vähän ja niiden tarjonta on pientä. Kattiloista on pyritty selvittämään niiden paineluokat ja tuotetun veden tai höyryn lämpötila. Kattilavalmistajilta kerättiin tietoa kyselyillä ja internetsivujen avulla. Valmistajien ja toimittajien halukkuus kertoa omista tuotteistaan vaihteli jonkin verran. Tämän takia myös tiedon määrä tuotteista vaihtelee yrityksien välillä.

Promoting Growth in the Use of Bioenergy in Europe by Converting Existing Coal-Fired Power Plants to Biomass

Repowering existing power plants by replacing coal with biomass might offer an interesting option to ease the transition from fossil fuels to renewable energy sources and promote a fur-ther expansion of bioenergy in Europe, on account of the potential to decrease greenhouse gas emissions, as well as other pollutants (SOx, NOx, etcetera). In addition, a great part of the appeal of repowering projects comes from the opportunity to reuse the vast existing invest-ment and infrastructure associated with coal-based power generation. Even so, only a limited number of experiences with repowering are found. Therefore, efforts are required to produce technical and scientific evidence to determine whether said technology might be considered feasible for its adoption within European conditions. A detailed evaluation of the technical and economic aspects of this technology constitutes a powerful tool for decision makers to define the energy future for Europe. To better illustrate this concept, a case study is analyzed. A Slovakian pulverized coal plant was used as the basis for determining the effects on perfor-mance, operation, maintenance and cost when fuel is shifted to biomass. It was found that biomass fuel properties play a crucial role in plant repowering. Furthermore, results demon-strate that this technology offers renewable energy with low pollutant emissions at the cost of reduced capacity, relatively high levelized cost of electricity and sometimes, a maintenance-intensive operation. Lastly, regardless of the fact that existing equipment can be reutilized for the most part, extensive additions/modifications may be required to ensure a safe operation and an acceptable performance.

Assessment of techno-economic use cases for small-scale island grids

The main objective of the study was to define the methodology for assessing the limits for application island grids instead of interconnecting with existing grid infrastructure. The model for simulation of grid extension distance and levelised cost of electricity has been developed and validated by the case study in Finland. Thereafter, sensitivities of the application limits were examined with the respect to operational environment, load conditions, supply security and geographical location. Finally, recommendations for the small-scale rural electrification projects in the market economy environment have been proposed.

Sähkön varastointi

Kiinnostus sähkön varastointia kohtaan on kasvussa. Nykypäivänä ja etenkin tulevaisuudessa sähkövarastoilla voidaan parantaa energiantuotannon resurssitehokkuutta ja tukea aurinko- ja tuulisähkön käytön lisäämistä. Sähkövarastoja on pieniä ja suuria. On olemassa mekaanisia, sähkökemiallisia, kemiallisia ja sähköisiä varastoteknologioita. Varastoitua energiaa voidaan käyttää eri tehtävissä. Tehtävät vaihtelevat varastoidun energian määrässä ja siinä, millä teholla energia voidaan purkaa varastosta. Suurilla sähkövarastoilla taataan sähköntoimitus ja pienillä parannetaan sähkön laatua jakeluverkossa. Sähkövarastoja ei ole vielä laajasti otettu käyttöön, koska ne ovat kalliita. Sähkövaraston investointikustannukset ovat tällä hetkellä vähintään yhtä suuret kuin samankokoisen perinteisen voimalaitoksen. Sähkövarastojen tutkimus ja kehitys pienentää investointikustannuksia ja nopeuttaa varastojen laajempaa käyttöönottoa.

Modification of Photocatalyst with Enhanced Photocatalytic Activity for Water

Increasing demand and shortage of energy resources and clean water due to the rapid development of industry, population growth and long term droughts have become an issue worldwide. As a result, global warming, long term droughts and pollution-related diseases are becoming more and more serious. The traditional technologies, such as precipitation, neutralization, sedimentation, filtration and waste immobilization, cannot prevent the pollution but restrict the waste chemicals only after the pollution emission. Meanwhile, most of these treatments cannot thoroughly degrade the contaminants and may generate toxic secondary pollutants into ecosystem. Heterogeneous photocatalysis as the innovative wastewater technology attracts many attention, because it is able to generate highly reactive transitory species for total degradation of organic compounds, water pathogens and disinfection by-products. Semiconductor as photocatalysts have demonstrated their efficiency in degrading a wide range of organics into readily biodegradable compounds, and eventually mineralized them to innocuous carbon dioxide and water. But, the efficiency of photocatalysis is limited, and hence, it is crucial issue to modify photocatalyst to enhance photocatalytic activity. In this thesis, first of all, two literature views are conducted. A survey of materials for photocatalysis has been carried out in order to summarize the properties and the applications of photocatalysts that have been developed in this field. Meanwhile, the strategy for the improvement of photocatalytic activity have been explicit discussed. Furthermore, all the raw material and chemicals used in this work have been listed as well as a specific experimental process and characterization method has been described. The synthesize methods of different photocatalysts have been depicted step by step. Among these cases, different modification strategies have been used to enhance the efficiency of photocatalyst on degradation of organic compounds (Methylene Blue or Phenol). For each case, photocatalytic experiments have been done to exhibit their photocatalytic activity.The photocatalytic experiments have been designed and its process have been explained and illustrated in detailed. Moreover, the experimental results have been shown and discussion. All the findings have been demonstrated in detail and discussed case by case. Eventually, the mechanisms on the improvement of photocatalytic activities have been clarified by characterization of samples and analysis of results. As a conclusion, the photocatalytic activities of selected semiconductors have been successfully enhanced via choosing appropriate strategy for the modification of photocatalysts.

Neural regulation of the stress response: glucocorticoid feedback mechanisms

The mammalian stress response is an integrated physiological and psychological reaction to real or perceived adversity. Glucocorticoids are an important component of this response, acting to redistribute energy resources to both optimize survival in the face of challenge and to restore homeostasis after the immediate challenge has subsided. Release of glucocorticoids is mediated by the hypothalamo-pituitary-adrenal (HPA) axis, driven by a neural signal originating in the paraventricular nucleus (PVN). Stress levels of glucocorticoids bind to glucocorticoid receptors in multiple body compartments, including the brain, and consequently have wide-reaching actions. For this reason, glucocorticoids serve a vital function in negative feedback inhibition of their own secretion. Negative feedback inhibition is mediated by a diverse collection of mechanisms, including fast, non-genomic feedback at the level of the PVN, stress-shut-off at the level of the limbic system, and attenuation of ascending excitatory input through destabilization of mRNAs encoding neuropeptide drivers of the HPA axis. In addition, there is evidence that glucocorticoids participate in stress activation via feed-forward mechanisms at the level of the amygdala. Feedback deficits are associated with numerous disease states, underscoring the necessity for adequate control of glucocorticoid homeostasis. Thus, rather than having a single, defined feedback ‘switch’, control of the stress response requires a wide-reaching feedback ‘network’ that coordinates HPA activity to suit the overall needs of multiple body systems.

Electromagnetic and thermal design of a multilevel converter with high power density and reliability

Electric energy demand has been growing constantly as the global population increases. To avoid electric energy shortage, renewable energy sources and energy conservation are emphasized all over the world. The role of power electronics in energy saving and development of renewable energy systems is significant. Power electronics is applied in wind, solar, fuel cell, and micro turbine energy systems for the energy conversion and control. The use of power electronics introduces an energy saving potential in such applications as motors, lighting, home appliances, and consumer electronics. Despite the advantages of power converters, their penetration into the market requires that they have a set of characteristics such as high reliability and power density, cost effectiveness, and low weight, which are dictated by the emerging applications. In association with the increasing requirements, the design of the power converter is becoming more complicated, and thus, a multidisciplinary approach to the modelling of the converter is required. In this doctoral dissertation, methods and models are developed for the design of a multilevel power converter and the analysis of the related electromagnetic, thermal, and reliability issues. The focus is on the design of the main circuit. The electromagnetic model of the laminated busbar system and the IGBT modules is established with the aim of minimizing the stray inductance of the commutation loops that degrade the converter power capability. The circular busbar system is proposed to achieve equal current sharing among parallel-connected devices and implemented in the non-destructive test set-up. In addition to the electromagnetic model, a thermal model of the laminated busbar system is developed based on a lumped parameter thermal model. The temperature and temperature-dependent power losses of the busbars are estimated by the proposed algorithm. The Joule losses produced by non-sinusoidal currents flowing through the busbars in the converter are estimated taking into account the skin and proximity effects, which have a strong influence on the AC resistance of the busbars. The lifetime estimation algorithm was implemented to investigate the influence of the cooling solution on the reliability of the IGBT modules. As efficient cooling solutions have a low thermal inertia, they cause excessive temperature cycling of the IGBTs. Thus, a reliability analysis is required when selecting the cooling solutions for a particular application. The control of the cooling solution based on the use of a heat flux sensor is proposed to reduce the amplitude of the temperature cycles. The developed methods and models are verified experimentally by a laboratory prototype.

Impacts of capacity remunerative mechanisms on cross-border trade

The European ambitious targets to increase the share of renewable generation pose a challenge to the generation adequacy. Many European member states are concerned that energy-only markets alone might not be able to deliver sufficient capacity required to meet the future electricity demand and back up shortfalls of energy from renewable energy sources (RES) during periods of low wind and sun. Many EU members consider to re-design their energy-only markets and establish different forms of capacity remunerative mechanisms (CRMs) to maintain the security of supply. There is a certain concern that market design changes at the level of EU member countries might conflict with the European goal of a single market. As soon as many European markets are highly interconnected, uncoordinated CRMs might create negative crossborder effects and hinder the achievement of the Internal Electricity Market in Europe. The pros and cons of capacity markets are well examined at the national level. However, the cross-border effects of capacity markets within the European market aiming at higher integration have received less attention. This doctoral dissertation examines the cross-border effects of unilateral implementation of CRMs applying both theoretical and case study analyses. The results show that capacity remunerative mechanisms (CRMs) may cause negative cross-border effects, especially if they are implemented unilaterally.