Technological and business challenges of smart grids

Growing recognition of the electricity grid modernization to enable new electricity generation and consumption schemes has found articulation in the vision of the Smart Grid platform. The essence of this vision is an autonomous network with two-way electricity power flows and extensive real-time information between the generation nodes, various electricity-dependent appliances and all points in-between. Three major components of the Smart Grids are distributed intelligence, communication technologies, and automated control systems. The aim of this thesis is to recognize the challenges that Smart Grids are facing, while extinguishing the main driving factors for their introduction. The scope of the thesis also covers possible place of electricity Aggregator Company in the current and future electricity markets. Basic functions of an aggregator and possible revenue sources along with demand response feasibility calculations are reviewed within this thesis.

Älykkäät sähköverkot

Tässä diplomityössä esitellään älykkäiden sähköverkkojen ominaisuuksia. Tavoitteena on selvittää, millaisia hyötyjä sähköverkkojen uudistamisella voidaan saavuttaa. Lisäksi työssä selvitetään syitä, jotka ovat ajaneet sähköverkkojen uudistamiseen. Älykäs sähkönmittaus on tärkeä osa älykkäitä sähköverkkoja, ja työssä on esitelty älykkäiden sähkömittareiden tilannetta eri maissa. Diplomityö selvittää myös hajautetun pientuotannon roolia sähköntuotannossa. Työn loppupuolella on esitelty muutama smart grid -projekti Euroopasta. Projektit valittiin Euroopasta, koska smart grids on oleellinen tekijä Euroopan komission 20/20/20 -tavoitteessa. Molemmat projektit kulminoituvat täysin älykkään sähkönmittauksen liittämiseen osaksi kuluttajien sähkönmittausta. Esimerkkien avulla nähdään, millaisella aikataululla älykkäitä sähköverkkoja saadaan aikaan ja kuinka suuria verkostokokonaisuuksia tulevaisuuden sähköverkot ovat.

Liiketoimintamalli teollisuuden ylijäämälämmön hyödyntämisestä kaukolämpöverkoissa

Tässä työssä tarkastellaan teollisuuden ylijäämälämmön hyödyntämistä kaukolämpöverkoissa liiketoimintamallin näkökulmasta. Työn tilaaja on YIT Teollisuus Oy, joka haluaa osaltaan olla mukana ratkaisemassa ilmastonmuutoksesta ja hiilidioksidipäästöjen vähentämistarpeista aiheutuvia yhteiskunnan kehitystarpeita. Energiatehokkuuden parantaminen on yksi nopeimmista keinoista vähentää päästöjä. Teollisuuden energiatehokkuutta voidaan parantaa ottamalla talteen sähköntuotannossa ja tuotantoprosesseissa syntyvää ylijäämälämpöä. Aikaisempien tutkimusten perusteella tiedetään, että Suomessa syntyy vuosittain noin 4–6 TWh ylijäämälämpöä, joka voitaisiin hyödyntää jo olemassa olevien kaukolämpöverkkojen välityksellä rakennusten lämmittämiseen. Kuitenkin vuonna 2008 teollisuus myi ylijäämälämpöä kaukolämpöverkkoihin yhteensä vain 770 GWh, mikä vastaa noin 2,5 prosenttia kokonaiskaukolämmön tarpeesta. Tämän työn tuloksena syntyi liiketoimintamalli, joka esittelee ne palvelut, jotka YIT tuottaa asiakkailleen tilanteissa, joissa teollisuudessa syntyvää ylijäämälämpöä hyödynnetään kaukolämpöverkoissa. Jotta liiketoimintamalli toimisi käytännössä, on siitä oltava hyötyä kaikille osapuolille. Asiakkaan on siis voitava kattaa palvelusta ja sen rahoituksesta syntyvät kustannukset myydyn ylijäämälämmön tuotolla (teollisuuslaitos) tai säästyneistä energian hankintakustannuksista (kaukolämpöyhtiö). Eniten ylijäämälämmön käytöstä voivat hyötyä kaukolämpöyhtiöt, joiden tuotannosta korkeintaan pieni osa tulee yhteistuotannosta ja joilla uusiutuvien energialähteiden osuus on vähäinen. Lisäksi kaukolämpöverkon koon vuotuisena kulutuksena mitattuna on oltava riittävän suuri ja kaukolämmön hinnan suhteellisen korkea. Myös alueen ennustettu väestönkasvu ja uudet suunnitteilla olevat asuinalueet saattavat parantaa ylijäämälämmön hyödyntämisen houkuttelevuutta. YIT:n näkökulmasta ylijäämälämmön talteenottoprojektit ovat hyvä lisä sen nykyiseen palvelutarjontaan. Myös yhteiskunnallisella tasolla aihe on merkittävä. Vaikka nykytietämyksen mukaan energian käytön tehostaminen ja päästöttömän tuotannon lisääminen ovat molemmat yhtä merkittäviä keinoja ilmastotavoitteiden saavuttamisen kannalta, panostetaan Suomessa tällä hetkellä lähinnä tuotannon tukemiseen. Lähivuosien poliittiset ratkaisut vaikuttavatkin vahvasti siihen, kuinka paljon tulevaisuudessa ylijäämälämpöä hyödynnetään rakennusten lämmittämisessä.

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Raportti on jatkoa aikaisemmille tutkimuksille, joista viimeisin julkaistiin 2008. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos, tuulivoimala ja uutena aurinkovoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja maaliskuun 2012 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus, kun laitos rakennetaan olemassaolevalle tontille olisi 43,7 €/MWh, täysin uuden ydinvoimalaitoksen 57,9 €/MWh, kaasusähkön 75,4 €/MWh, turvelauhteen 75,4 €/MWh ja hiilisähkön hiilidioksidin talteenotolla 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Vastaavasti uusiutuvista puupolttoainelauhdesähkön tuotantokustannus olisi 70,2 €/MWh kun taas 2200 tunnin huipunkäyttöajalla maalla sijaitsevan tuulivoimalaitoksen sähkön tuotantokustannus 52,7 €/MWh ja merellä sijaitsevan tuulivoimalaitoksen 76,8 €/MWh. Erillistarkastelussa arvioitiin suurien keskittävää teknologiaa käyttävän aurinko-voimalaitoksen tuotantokustannuksen ylittävän 100 €/MWh ollen todennäköisesti lähempänä 150 €/MWh. Arvio piensähkön tuotantokustannuksista aurinkosähköisillä paneeleilla vaihtelee 90 – 130 €/MWh. Merkittävin kustannussäästö syntyy, jos aurinkosähköpaketteja voidaan tarjota kuluttajalle kokonaistoimituksena avaimet käteen. Aurinkosähkön tuottaminen kotikeräimillä näyttääkin olevan vaiheessa, jossa se on selkeästi pienkäyttäjälle edullista mikäli sijoitettava pääoma 6000 – 18000 € ei vaadi ulkopuolista rahoitusta.

Paineistetun ilman käyttö sähköntuotannossa

Kandidaatintyössä esitellään erityyppiset tavat varastoida energiaa käyttämällä paineilmavarastoa, olemassa olevat eri laitesukupolvet ja toiminnassa ja suunnitteilla olevat laitokset. Lopuksi esitellään vielä lyhyesti CAES-laitoksen laskentaan tarvittavat termodynamiikan perusyhtälöt.

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.

Kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksen kompensointi aurinkosähköjärjestelmällä

Aurinkopaneeleiden hinta on laskenut reilusti viime vuosien aikana. Hinnan laskun seurauksena aurinkosähköjärjestelmiä on asennettu paljon yksityisiin rakennuksiin sekä Suomessa että muualla maailmassa. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksen kompensointia aurinkosähköjärjestelmällä. Kompensointia tutkitaan, koska näin saadaan taloudellisesti paras hyöty aurinkosähköjärjestelmästä. Kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksella tarkoitetaan talon teknisten järjestelmien kuluttamaa sähköä. Järjestelmän sijoitusta tutkitaan katolle ja parvekekaiteisiin. Katolle sijoitettuna aurinkopaneelien tuotantoa tutkitaan siten, että paneelit ovat asennettu 45° ja 15° tasokulmaan. Aurinkosähköjärjestelmän investoinnin kannattavuutta tutkitaan taloyhtiön näkökulmasta.

Lauhdevoimakapasiteetin ennenaikaisen poistumisen energiataloudelliset vaikutukset

Tässä diplomityössä on tutkittu lauhdekapasiteetin ennenaikaisen markkinoilta poistumisen energiataloudellisia vaikutuksia. Tarkastelu toteutettiin sähkömarkkinamallinnuksen avulla luomalla kaksi erilaista lauhdekapasiteettiskenaariota perustuen arvioituun lauhdekapasiteetin poistumiseen sekä vastavuoroisesti sen säilymiseen markkinoilla. Skenaarioiden vaikutuksia tutkittiin myös herkkyystarkasteluin ja tuloksia analysoitiin energiataloudellisesta näkökulmasta. Työn tavoitteena oli selvittää lauhdekapasiteetin ennenaikaisen poistumisen energiataloudellista kustannusta. Viime vuosien pitkittynyt talouden taantuma on hillinnyt kysynnän ennakoitua kehitystä johtaen alhaiseen sähkön markkinahintatasoon. Samalla tiukentuneet energiatuotannon ympäristövaatimukset asettavat investointirasitteita perinteisille voimalaitoksille heikentäen niiden taloudellisen kannattavuuden edellytyksiä. Markkinasähkön alhainen hintataso yhdessä investointirasitteiden kanssa asettaa haasteita etenkin usein rajatuotantomuotona toimiville lauhdelaitoksille. Alhaisen kannattavuuden seurauksena lauhdekapasiteettia arvioidaan poistuvan ennen teknisen käyttöiän täyttymistä markkinoilta merkittävästi lähivuosina. Kapasiteetin poistuminen kasvattaa oman tuotannon ja kysynnän välistä tehovajetta, minkä vuoksi sähköjärjestelmän nähdään tiukentuvan merkittävästi ennen rakenteilla olevan ydinvoimalaitoksen valmistumista. Työssä toteutettujen mallinnusten perusteella lauhdekapasiteetin väheneminen nostaa sähkön hintatasoa sekä lisää korkeiden hintapiikkien esiintymistä merkittävästi suhteessa korkeamman kapasiteetin tuloksiin. Sähköjärjestelmä on hyvin tiukka ennen rakenteilla olevan ydinvoimalaitoksen käyttöönottoa, minkä vuoksi lauhdekapasiteetin eroavaisuuksien vaikutukset ovat merkittävä etenkin poikkeuksellisen kylmänä vuotena. Lauhdekapasiteetin merkitys pienenee selvästi 2020-luvulla, kun oma tuotantokapasiteetti kasvaa. Työn tulosten perusteella lähivuosina alhaisemman lauhdekapasiteetin aiheuttama vuotuinen energiataloudellinen kustannus on huomattavasti korkeampi kuin laitosten kannattavan ylläpidon vaatima kustannus.

Suomen energiajärjestelmä

Suomen energialähteiden käyttö on pysynyt likimain samana viime vuosikymmenen aikana. Uusiutuvien energialähteiden käyttö (tuulivoima, aurinkovoima, biopolttoaineet) on lisääntynyt ja fossiilisten energialähteiden käyttö vähentynyt. Energian kokonaiskulutus ja lämmönkulutus on vuosikymmenen aikana laskenut hieman ja sähkönkulutus on lisääntynyt lisääntyvän infrastruktuurin myötä. Suomen kantaverkko ei ole vuosikymmenen aikana kokenut suuria muutoksia. Suomi kuuluu osana pohjoismaiden yhteisiä sähkömarkkinoita, joissa vallitsee vapaa kilpailu. Suomen energiajärjestelmän sähköntuotto on tällä hetkellä varsin tuontipainotteinen ja Suomi ei ole pystynyt vuosikymmenen aikana vastaamaan sähkön kysyntään, mikä tarkoittaa sähkön tuonnin lisääntymistä. Lämmöntuotanto ja -kulutus ovat pysyneet vuosikymmenen aikana likimain ennallaan. Lähitulevaisuudessa Suomen energiaomavaraisuus nousee ja Suomi voi jopa vuonna 2050 olla jo sähkön nettoviejä ja myös energiajärjestelmän aiheuttamat kokonaispäästöjä alenevat radikaalisti. Liikenne sähköistyy ja älykkäät sähköverkot tekevät tuloaan. Tässä työssä tutustutaan Suomen nykyiseen energiajärjestelmään, tehdään katsaus tulevaisuuteen ja vertaillaan Suomen energiajärjestelmää kansainvälisesti.

Comparing the alternative utilization method for coconut in Nzema, Ghana

There are many opportunities to utilise coconut in Nzema to support farmers. Coconut oil that is mainly used for food preparation in Nzema can be utilized as fuel to support overcoming of the energy crisis in the Ghana. Coconut oil in Nzema is not used in both transportation and electricity generation. A few of the waste husk and shell are mainly used as fuel in homes for heating but greater amount is left to rot or burn the coconut plantation. In addition, some portion of the granulated coconut kernel is sometime used as feed for piggery feed and the rest of the granulated kernel are left as waste on the oil processing site. In this thesis, the author identified alternative utilization of cocoanut, for instance the use of coconut husk and shell for charcoal production, and the use of coconut trunks as construction materials. It is envisaged that exploring these alternatives will not only reduce carbon emission in the country but will also contribute significantly to the sustainability of the local agro-industry.

Relay protection in active distribution networks

Increasingly growing share of distributed generation in the whole electrical power system’s generating system is currently a worldwide tendency, driven by several factors, encircling mainly difficulties in refinement of megalopolises’ distribution networks and its maintenance; widening environmental concerns adding to both energy efficiency approaches and installation of renewable sources based generation, inherently distributed; increased power quality and reliability needs; progress in IT field, making implementable harmonization of needs and interests of different-energy-type generators and consumers. At this stage, the volume, formed by system-interconnected distributed generation facilities, have reached the level of causing broad impact toward system operation under emergency and post-emergency conditions in several EU countries, thus previously implementable approach of their preliminary tripping in case of a fault, preventing generating equipment damage and disoperation of relay protection and automation, is not applicable any more. Adding to the preceding, withstand capability and transient electromechanical stability of generating technologies, interconnecting in proximity of load nodes, enhanced significantly since the moment Low Voltage Ride-Through regulations, followed by techniques, were introduced in Grid Codes. Both aspects leads to relay protection and auto-reclosing operation in presence of distributed generation generally connected after grid planning and construction phases. This paper proposes solutions to the emerging need to ensure correct operation of the equipment in question with least possible grid refinements, distinctively for every type of distributed generation technology achieved its technical maturity to date and network’s protection. New generating technologies are equivalented from the perspective of representation in calculation of initial steady-state short-circuit current used to dimension current-sensing relay protection, and widely adopted short-circuit calculation practices, as IEC 60909 and VDE 0102. The phenomenon of unintentional islanding, influencing auto-reclosing, is addressed, and protection schemes used to eliminate an sustained island are listed and characterized by reliability and implementation related factors, whereas also forming a crucial aspect of realization of the proposed protection operation relieving measures.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

A Bayesian approach for multi-model downscaling: Seasonal forecasting of regional rainfall and river flows in South America

This study addresses three issues: spatial downscaling, calibration, and combination of seasonal predictions produced by different coupled ocean-atmosphere climate models. It examines the feasibility Of using a Bayesian procedure for producing combined, well-calibrated downscaled seasonal rainfall forecasts for two regions in South America and river flow forecasts for the Parana river in the south of Brazil and the Tocantins river in the north of Brazil. These forecasts are important for national electricity generation management and planning. A Bayesian procedure, referred to here as forecast assimilation, is used to combine and calibrate the rainfall predictions produced by three climate models. Forecast assimilation is able to improve the skill of 3-month lead November-December-January multi-model rainfall predictions over the two South American regions. Improvements are noted in forecast seasonal mean values and uncertainty estimates. River flow forecasts are less skilful than rainfall forecasts. This is partially because natural river flow is a derived quantity that is sensitive to hydrological as well as meteorological processes, and to human intervention in the form of reservoir management.

Life cycle analysis of UK coal fired power plants

This paper examines the life cycle GHG emissions from existing UK pulverized coal power plants. The life cycle of the electricity Generation plant includes construction, operation and decommissioning. The operation phase is extended to upstream and downstream processes. Upstream processes include the mining and transport of coal including methane leakage and the production and transport of limestone and ammonia, which are necessary for flue gas clean up. Downstream processes, on the other hand, include waste disposal and the recovery of land used for surface mining. The methodology used is material based process analysis that allows calculation of the total emissions for each process involved. A simple model for predicting the energy and material requirements of the power plant is developed. Preliminary calculations reveal that for a typical UK coal fired plant, the life cycle emissions amount to 990 g CO2-e/kWh of electricity generated, which compares well with previous UK studies. The majority of these emissions result from direct fuel combustion (882 g/kWh 89%) with methane leakage from mining operations accounting for 60% of indirect emissions. In total, mining operations (including methane leakage) account for 67.4% of indirect emissions, while limestone and other material production and transport account for 31.5%. The methodology developed is also applied to a typical IGCC power plant. It is found that IGCC life cycle emissions are 15% less than those from PC power plants. Furthermore, upon investigating the influence of power plant parameters on life cycle emissions, it is determined that, while the effect of changing the load factor is negligible, increasing efficiency from 35% to 38% can reduce emissions by 7.6%. The current study is funded by the UK National Environment Research Council (NERC) and is undertaken as part of the UK Carbon Capture and Storage Consortium (UKCCSC). Future work will investigate the life cycle emissions from other power generation technologies with and without carbon capture and storage. The current paper reveals that it might be possible that, when CCS is employed. the emissions during generation decrease to a level where the emissions from upstream processes (i.e. coal production and transport) become dominant, and so, the life cycle efficiency of the CCS system can be significantly reduced. The location of coal, coal composition and mining method are important in determining the overall impacts. In addition to studying the net emissions from CCS systems, future work will also investigate the feasibility and technoeconomics of these systems as a means of carbon abatement.

An overview of the current status of research into adopting high levels of renewables in Ireland

This paper provides an overview of the reduction targets that Ireland has set in the context of decarbonising their electricity generation through the use of renewables. The main challenges associated with integrating high levels (>20% of installed capacity) of non-dispatchable renewable generation are identified. The rising complexity of the challenge as renewable penetration levels increase is highlighted. A list of relevant research questions is then proposed, and an overview is given into the previous work that has gone into answering some of them. In particular, studies into the Irish energy market are identified, the current knowledge gap is described, and areas of necessary future research are suggested