Model based study of a calcium oxide looping process for post-combustion carbon dioxide capture

Calcium oxide looping is a carbon dioxide sequestration technique that utilizes the partially reversible reaction between limestone and carbon dioxide in two interconnected fluidised beds, carbonator and calciner. Flue gases from a combustor are fed into the carbonator where calcium oxide reacts with carbon dioxide within the gases at a temperature of 650 ºC. Calcium oxide is transformed into calcium carbonate which is circulated into the regenerative calciner, where calcium carbonate is returned into calcium oxide and a stream of pure carbon dioxide at a higher temperature of 950 ºC. Calcium oxide looping has proved to have a low impact on the overall process efficiency and would be easily retrofitted into existing power plants. This master’s thesis is done in participation to an EU funded project CaOling as a part of the Lappeenranta University of Technology deliverable, reactor modelling and scale-up tools. Thesis concentrates in creating the first model frame and finding the physically relevant phenomena governing the process.

Distribution development in global business environment

The purpose of this master’s thesis was to analyze a case company’s distribution and its elements. With different distribution structure options a customer can be served with different ways. However, cost elements and service elements create different trade-offs. In this work the case company’s distribution’s present state was analyzed and conclusions were made. Based on these conclusions different alternatives for distribution were created. These different alternatives were analyzed through simulations and with more traditional calculations to compose the total operative costs of each alternative. Also other aspects were considered, such as required organizational changes and the possible better customer service. With the suggested 3-stock distribution structure shorter delivery times and possibly more punctual deliveries for products kept in stock could be achieved with the same operative costs as in current direct delivery model. Also, similar benefits could be achieved with other products with the 3-stock model.

ORC-prosessin käyttö sähköntuotannossa

Tässä energiatekniikan kandidaatintyössä tarkastellaan ORC-prosessia ja -tekniikkaa, sen erilaisia osa-alueita, ORC:n käyttökohteita, markkinoita sekä tulevaisuuden haasteita. Työssä selvitetään myös millaisia teknisiä ratkaisuja valmistajilla on tarjota tällä hetkellä. Työn tavoitteena on tehdä selvitys ORC-teknologian nykytilasta. ORC-prosessilla (Organic Rankine Cycle) tarkoitetaan Rankine-prosessia, jossa kiertoaineena veden sijaan on käyttökohteeseen sopiva orgaaninen fluidi. Orgaanisen kiertoaineen käyttö mahdollistaa verrattain matalalla lämpötilatasolla vapautuvan lämmön hyödyntämisen, mikä olisi muuten vaikea tai mahdoton hyödyntää perinteisellä vesihöyryprosessilla. Huoli energian riittävyydestä, kasvavista polttoainekustannuksista, päästörajoitusten tiukentumisesta sekä vihreän ajattelutavan yleistyminen ovat lisänneet mielenkiintoa tuottaa sähköä hyödyntämällä matalamman lämpötilatason lämpöä. ORC:n periaate on ollut jo vuosikymmeniä hyvin tiedossa. Monia uusia menetelmiä on kehitetty tuottamaan sähköä matalammista lämpötiloista, mutta kaikista sovelluksista ORC-prosessi on yleisin.

Hakkuutähteestä valmistetun pyrolyysiöljyn elinkaaren kasvihuonekaasupäästöt

Kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi ja uusiutuvan energian käytön lisäämiseksi EU:ssa on säädetty direktiivi uusiutuvan energian käytön edistämisestä(RES-direktiivi). Direktiivissä annetaan ohjeet biopolttoaineiden ja bionesteiden kasvihuonekaasuvaikutusten laskemiseen. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, täyttääkö hakkuutähteistä valmistettu pyrolyysiöljy RES-direktiivin asettamat määrälliset vaatimukset kasvihuonekaasujen päästövähennykselle silloin, kun pyrolyysiöljyllä korvataan raskasta polttoöljyä lämmöntuotannossa. Laskenta suorittiin direktiivin ohjeiden mukaan. Lisäksi työssä pohdittiin laskentamenetelmän soveltuvuutta pyrolyysiöljyn ilmastovaikutusten arviointiin yleisesti. Laskennassa huomioitiin raaka-aineen tuotannosta, jalostuksesta sekä kuljetuksesta ja jakelusta aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt. Päästöt laskettiin ensin oletusarvoilla, jonka jälkeen suoritettiin todennäköisyyspohjainen herkkyystarkastelu valituille parametreille. Herkkyystarkastelun tuloksista huomattiin, että päästövähennys riippuu pääasiassa kahdesta tekijästä: maaperän hiilitaseen muutoksesta aiheutuvista päästöistä ja pyrolyysiprosessin tarvitseman lämmön tuotantoon käytetyistä polttoaineista. Eniten tuloksiin vaikutti kuitenkin se, oletettiinko pyrolysaattori ja kattila tarkastelussa erillisiksi yksiköiksi (tapaus 1) vai kokonaisuudeksi (tapaus 2). Tulosten perusteella näyttää siltä, että pyrolyysiöljyn käyttö lämmöntuotannossa raskaan polttoöljyn sijasta johtaa päästövähennyksiin. Saatuja tuloksia ei kuitenkaan voida pitää ennusteina pyrolyysiöljyn todellisista ilmastovaikutuksista, koska elinkaariarviointiin liittyy monia epävarmuuksia. RES-direktiivin laskentaohjeet esimerkiksi järjestelmärajausten muodostamisesta ja päästöjen kohdentamisesta ovat epätarkat. Tästä syystä direktiiviä on mahdollista tulkita usealla eri tavalla, jolloin toisistaan poikkeavat tulokset voivat silti olla kaikki direktiivin mukaisesti laskettuja. Jotta liika tulkinnanvaraisuus ei aiheuttaisi ongelmia, olisi RES-direktiivin laskentaohjetta hyvä tarkentaa.

Utilization of Automatic Meter Reading in the Improvement of a District Heating System

A district heating system comprises production facilities, a distribution network, and heat consumers. The utilization of new energy metering and reading system (AMR) is increasing constantly in district heating systems. This heuristic study shows how the AMR system can be exploited in finding optimization opportunities in district heating system. In this study, the district heating system is mainly considered from the viewpoint of operational optimization. The focus is on the core processes, heat production and distribution. Three objectives were set to this study. The first one was to examine general optimization opportunities in district heating systems. Second, to figure out the benefits of AMR for general optimization opportunities. Finally, to define a methodology for process improvement endeavors. This study shows, through a case study, the usefulness of AMR in specifying current deficiencies in a district heating system. Based on a literature review, the methodology for the improvement of business processes is presented. Additionally, some issues related to future competitiveness of district heating are concerned. As a conclusion, some optimization objectives are considered more desirable than others. Study shows that AMR is useful in the specification of optimization targets in the district heating system. Further steps in optimization process were not examined in detail. That would seem to be interesting topic for further studies.

Tulologistiikan kustannusanalyysi hankintojen näkökulmasta

Työssä tarkastellaan tulologistiikan toiminnoista syntyvien kustannuksien ja hankintatoimen päätösten välistä yhteyttä. Päätökset tilauseräkooista ja hankintalähteistä vaikuttavat kustannuksiin, joita tavaran käsittelystä syntyy. Oletuksena hankintatilanteissa ei yksin voi olla, että ostohinnaltaan halvin tuote olisi aina kaikkein edullisin vaihtoehto. Työssä on käyty läpi Wurth Oy:n tulologistiikan eri toimintoja ja määritelty näille kustannukset toimintoperusteisen kustannuslaskennan periaatteita noudattaen. Työn lopussa on myös hahmotettu sitä kokonaisuutta, josta tuotteen kustannukset muodostuvat. Työn lopputulos on laskentamalli, jolla tulologistiikan kustannukset voidaan huomioida hankinnan yhteydessä osana kokonaiskustannuksia. Yhteenvetona tuloksista voimme todeta, että logistiikan kustannukset eivät ole tuotetasolla mitenkään merkityksettömiä. Varsinkin pienten erien käsittely on kallista ja pakkaaminen itse aiheuttaa aina lisäkustannuksia.

Rankine-prosessin mallinnus keskilämpötila-alueessa

Tämä diplomityö on osa FCEP hankkeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden ahtoilman hukkalämmön hyödyntämisestä sähköntuotannossa Rankine-prosessilla. Tavoitteena on myös suorittaa ahtoilman hukkalämpöä hyödyntävän koelaitteiston prosessitekninen mitoitus. Työssä kartoitetaan sovelluskohteeseen sopivimmat kiertoaineet sekä suoritetaan prosessin lämmönsiirtimien ja putkiston lämpö- ja virtaustekninen päämitoitus. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin Wärtsilä 4R32 – moottori. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli vertailla vesihöyryprosessia ja ORC-prosessia keskilämpötilaisen ahtoilman hyödyntämisessä. Työssä vertailtiin 12 eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatavaa sähkötehoa sekä prosessin painetasoja. Kiertoainevertailun perusteella koelaitteeseen valittiin neljä kohteeseen parhaiten soveltuvinta kiertoainetta, joille mitoitettiin höyrystin, lauhdutin, rekuperaattori ja putkisto. Diplomityön laskennan perusteella tutkimuksen kohteena olleen moottorin sähköntuotannon lisäykseksi saatiin 1,77 %, kun ahtoilman hukkalämpö muunnetaan Rankine-prosessilla sähköksi. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottorin ahtoilman hukkalämmön sähköksi muuntamisesta sekä vesihöyryprosessilla, että ORC-prosessilla.

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.

Energiantuotantovaihtoehtojen vertailu, Jousenpuiston uusi asuinalue

Tämän diplomityön tavoitteena oli vertailla paikallisia energiantuotantovaihtoehtoja eri-tyisesti lämmöntuotantoon painottuen. Tarkastelu sovitettiin uuden matalaenergiarakentamista vastaavan kerrostaloasuinalueen tarpeisiin. Näkökulmana olivat sekä taloudellisuus että hiilidioksidipäästöt. Yksityiskohtaisemman tarkastelun kohteena olivat maalämpö, alueellinen biolämpölaitos sekö alueellinen pien-CHP-laitos. Perusvaihtoehtona tutkittiin kaukolämpöä. Kaikkiin vaihtoehtoihin kuului myös kapasiteetiltaan rajoitettu jäähdytys. Tulosten mukaan kokonaistaloudellisin vaihtoehto oli maalämpö yhdistettynä kaukolämpöön. Tässä vaihtoehdossa peruslämpö tuotetaan maalämmöllä, mutta huippu-lämpöön sekä käyttöveden lämmitykseen käytetään kaukolämpöä. Ratkaisulla saadaan aikaan myös päästövähennyksiä kaukolämpöön verrattuna. Tulosten mukaan pienimmät päästöt olivat pien-CHP-biovoimalaitoksella. Toisaalta nykyisillä sähkön myyntihinnoilla pienimuotoinen yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto ei pysty kilpailemaan kustannusrakenteensa puolesta muiden tutkittujen vaihtoehtojen kanssa.

Bioenergia – verkoston operatiivinen ja strateginen kehittäminen

Nykypäivän entisestään kovenevassa globaalissa liiketoimintaympäristössä jatkuvan ja pitkäaikaisen kilpailukyvyn ylläpitämiseen ja kehittämiseen vaaditaan laajalti kyvykkyyksiä, kompetensseja ja erilaisia resursseja. Etenkään pienet yritykset eivät pysty vastaamaan nykypäivän liiketoiminnan vaatimuksiin ja tavoitteisiin, jolloin ne tarvitsevat osaamista ja resursseja ulkopuolisilta toimijoilta, jopa mahdollisilta kilpailijoiltaan. Painotus on kilpailutilanteessa siirtynyt yksittäisistä yrityksistä verkostojen välisiksi turnauksiksi liiketoiminnan armottomilla pelikentillä. Diplomityö pohjautuu Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimuskeskuksessa (TBRC) toteutettuun moniosaiseen tutkimukseen lämpöliiketoiminnan verkostorakenteista ja niiden ominaisuuksista. Tavoitteena on yleisen tietouden kasvattaminen pienten lämpölaitosalan toimijoiden verkostorakenteista, niiden eroista ja tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista. Pääpaino diplomityössä on juuri verkostojen kuvaamisella ja tietouden kasvattamisella, mutta myös rakenteiden ja toimintojen kehittämisessä vertikaalisen ja horisontaalisen verkostokehityksen viitekehyksen avulla, huomioiden operatiiviset ja strategiset tarpeet kilpailukyvyn ylläpitämisessä. Tutkimuksessa tunnistettiin huomattavia eroavaisuuksia lämpölaitosten toiminta-tavoissa sekä verkostorakenteissa ja niissä tapahtuvissa transaktioissa. Kirjallisuudessa esitettyjä onnistuneiden ja tehokkaasti toimivien verkostojen ominaisuuksien korrelaatioita lämpöliiketoiminnan operatiivisiin ja strategisiin toimintoihin vertaillaan tarkoitukseen muokatulla laadun talo -matriisilla. Tärkeimmiksi tulevaisuuden kehityskohteiksi analyysien perusteella havaittiin resurssien ja tietotaidon tehokkaamman jakamisen, yhteistyösuhteiden laajuuksien ja lukumäärien kasvattamisen sekä yhteistyösuhteiden strategisuuden lisäämisen.

Logistinen palvelutarjonta Etelä-Suomessa. Logistiikkasektorin asiakasnäkökulma

Tässä tutkimuksessa on selvitetty logistiikkasektorin asiakastoimialojen, kaupan ja teollisuuden alojen yritysten näkemyksiä logistiikka-alan palvelutarjonnan kehittämistarpeista ja mahdollisista palvelupuutteista. Aihepiiriin liittyy tiiviisti yritysten logistiikkatoimintojen ulkoistaminen sekä yritysten oma logistiikkaosaaminen. Tutkimuksessa tarkastellaan myös logistiikkasektorin asiakastoimialojen näkemyksiä logistisen toimintaympäristönsä kehittämistarpeista. Tutkimuksessa luodaan aluksi viitekehys logistiikkatoimintojen ulkoistamiseen; saataviin hyötyihin sekä logistiikkatoimintojen ulkoistamiseen liittyviin potentiaalisiin riskeihin. Tutkimuksen empiirinen osio on toteutettu haastattelemalla logistiikkasektorin asiakastoimialojen (teollisuuden ja kaupan alat) edustajia ja analysoimalla kerättyä aineistoa sisällönanalyyttisin menetelmin. Tutkimuksen empiirisessä osiossa on selvitetty mm. yritysten logististen toimintojen ulkoistamista ja siitä saatavia hyötyjä tai koituvia haittoja sekä logistiikkatoimintojen ulkoistamisella saavutettavaa erityistä lisäarvoa. Tutkimuksessa tarkastellaan myös logistiikka-alan palvelutarjoajan valintaan liittyviä tekijöitä sekä logistiikkapalveluiden tarvevaatimusten kehittymistä. Tutkimus selvittää vastaajien tyytyväisyyttä logistiikkapalvelutarjonnan eri osa-aloihin sekä havaittuja logistiikka-alan palvelutarjonnan ongelmakohtia ja kehittämistarpeita. Tutkimuksen mukaan on ilmeistä, etteivät kustannussäästöt ole ainoa syy logistiikkatoimintojen ulkoistamiseen. Ulkoistamisella saavutetaan myös palvelutason parantumista tai levikin laajenemista. Lisäksi ulkoistamisratkaisut mahdollistavat yrityksen keskittymisen omaan ydintoimintaansa. Tutkimusta varten haastatellut vastaajat ovat hyvin tyytyväisiä Etelä-Suomen liikenneinfrastruktuuriin; oma sijainti ja käytettävissä oleva liikenneinfrastruktuuri koetaan hyvin toimivina. Vastaajat toivat kuitenkin esiin huolensa kuljetuskustannuksista ja niiden jatkuvasta noususta sekä tie- että meriliikenteessä. Tieliikenteessä jatkuva polttoaineiden hinnan nousu ja meriliikenteessä rikkidirektiivin voimaantulo nähdään yritystoiminnan kustannusrakenteeseen negatiivisesti vaikuttavina tekijöinä. Tutkimusta varten haastateltujen toimijoiden on hyvin vaikea löytää suoranaisia palvelupuutteita Etelä-Suomen logistiikka-alan palvelutarjonnassa. Syyt palvelupuutteiden vähyyteen ovat toisaalta maantieteellisestä sijainnista johtuvia ja toisaalta markkinatekijöihin liittyviä. Mahdolliset puutteet logistisessa palvelutarjonnassa korjautuvat yleensä kun puute logistiikka-alan palvelutarjonnassa ilmenee ja mahdollisuus uudenlaiseen palvelutoimintaan avautuu. Toisaalta Etelä-Suomen rannikkoa seurailevalla satamien ketjulla on oma vaikutuksensa logistisen palvelutarjonnan kasaantumiseen tutkimusalueelle. Hyvä logistiikka-alan palvelutarjonta tutkimusalueella vaikuttaa myös hintakilpailuun; useiden logistiikka-alan yritysten sijainti eteläisen Suomen alueella vaikuttaa hintoja alentavasti kun logistiikka-alan palvelutarjontaa on alueella runsaasti. Joillakin logistiikka-alan erikoispalvelun osa-aloilla palveluiden tarjonta on vähäistä, kapasiteettia on heikosti saatavilla tai aikataulutus saattaa tuottaa ongelmia logistiikkapalvelun ostajalle. Logistiikkapalvelun ostajan näkökulmasta erikoistumisen vaatimaa osaamista ei aina ole tarjolla. Suhteellisen ohuiden tavaravirtojen vuoksi yhteistyön lisääminen logistiikka-alan eri toimijoiden välillä on tärkeää kustannussäästöjen luomiseksi ja palvelutason parantamiseksi. Logistiikkatoimintojen ulkoistaminen on jatkunut kaupan ja teollisuuden alan yrityksissä jo vuosia. Logistiikkatoimintojen ulkoistamisessa piilee riski logistiikkaosaamisen vähenemiseen kaupan ja teollisuuden alan yrityksissä. Toisaalta logistiikkatoimintojen ulkoistaminen mahdollistaa kaupan ja teollisuuden alan yrityksille yhteistyökumppanin logistiikkaosaamisen hyödyntämisen. Muuttuvien volyymien vuoksi henkilöstöresursointi logistiikkatoimintojen osalta koetaan yrityksissä paikoin haastavana tehtävänä. Logistiikkatoiminnon ulkoistamisen sijasta tai ohella henkilöstövuokraus voidaan nähdä keinona jakaa riskejä, tuoda joustavuutta toimintaan tai suorittaa toimintaa kustannustehokkaasti operatiivisella tasolla. Suurimpana logistiikka-alan kehittämistarpeena haastatellut toimijat kokevat logistiikka-alan suuntaamisen innovaatio- ja kehittämisorientoituneeseen suuntaan. Tarvetta kehittämisorientoituneeseen lähestymistapaan nähdään paitsi arkipäiväisessä operatiivisessa toiminnassa, myös pitkäjänteisessä kehittämistyössä. Logistiikka-alan palveluita hyödyntävät yritykset toivovat, että logistiikka-alan yritykset kehittäisivät aktiivisemmin ja oma-aloitteisemmin tarjoamiaan logistisia palveluita, teknisiä ratkaisuja, palvelukonsepteja ja hyviä käytäntöjä ja myös tarjoaisivat niitä aktiivisesti logistisia palveluita ostaville yrityksille. Eniten ulkoistamismahdollisuuksia vastaajat näkevät sisälogistiikassa. Yleisesti ottaen varastointi nähdään potentiaalisena ulkoistamiskohteena. Ulkoistamisen tavoitteena on varastointiin sidottujen pääomien minimointi. Myös keräily- ja pakkaustoiminnoissa nähdään ulkoistamismahdollisuuksia, joskin tuotetuntemuksen tarpeellisuus asettaa omat vaatimuksensa näiden logistiikkatoimintojen ulkoistamiselle. Huolinta koetaan mahdollisena ulkoistamiskohteena erityisesti vientiorientoituneiden yritysten keskuudessa sekä sellaisten yritysten keskuudessa, joille ulkomaanvienti ei ole jokapäiväistä tai jokaviikkoista toimintaa. Ulkoistamismahdollisuuksia nähdään myös sähköisissä tilaus- ja toimitusketjujen hallinta- ja organisointityökaluissa. Sen sijaan kuljetusten osalta usea yritys on jo ulkoistanut kaikki sellaiset kuljetustoimintonsa, jotka ovat ulkoistettavissa.

Carbonation of Mg(OH)2 in a pressurised fluidised bed for CO2 sequestration

I takt med den ekonomiska tillväxten har CO2-utsläppen till atmosfären ständigt ökat, och utan kraftiga åtgärder kommer de att fortsätta att öka i allt snabbare takt. Konsekvenserna av en påtagligt förhöjd atmosfärisk CO2-halt är fortfarande osäkra (men eventuellt katastrofala) och fenomenet går under namnet global uppvärmning eller klimatförändring. CCS från engelskans ”carbon dioxide capture and storage” framstår som ett alternativ för att bekämpa de ständigt ökande CO2-utsläppen. Ett av de mer intressanta, och för Finlands del ända CCS-alternativet, baserar sig på naturens egna sätt att begränsa atmosfärisk CO2, nämligen vittring. Naturlig vittring, som förenklat innefattar nedbrytningen av sten/berg (även känd som erosion) och de därpå följande reaktionerna med CO2-mättat regnvatten. Slutresultatet är en utfällning av fasta mineraler som nu bundit CO2 i form av kalcium- och magnesiumkarbonat. Kalciumkarbonat är även bättre känt som kalksten, d.v.s. CO2 blir bundet i sten. Det gäller dock att snabba upp denna process, som i naturen är ytterst långsam, på ett ekonomiskt och miljömässigt hållbart sätt. Hittills har ett antal metoder för att påskynda naturlig vittring, eller med andra ord öka CO2-upptagningsförmågan av olika mineraler föreslagits. De mera etablerade uttrycken (lånade från engelskan) talar om mineralkarbonatisering och CO2-mineralisering. Till skillnad från många andra CO2-mineraliseringsalternativ är det alternativ som behandlas i denna avhandling i hög grad baserat på möjligheten att utnyttja den värme som frigörs vid karbonatisering. I teorin är det möjligt att föreställa sig en mineraliseringsprocess som inte kräver extern energi, men tillsvidare har man dock inte lyckats uppnå detta mål. Den process som presenteras i denna avhandling går ut på att man utvinner magnesium ur i naturen vanligt förekommande magnesiumrika mineraler, konverterar det till magnesiumhydroxid och därefter karbonatiserar det till magnesiumkarbonat. I rätta förhållanden kan magnesiumhydroxid reagera med CO2 mycket snabbt och i nuläget har processen potential att minska CO2-utsläppen från industri där spillvärme finns till förfogande (t.ex. cement- och stålindustrin). Fortsatt forskning är dock ett måste för att kunna påverka CO2-utsläppen i en globalt signifikant skala.

Ydinpolttoaineen lämmönsiirto

Kandidaatintyössä perehdytään ydinpolttoaineessa tapahtuvaan lämmönsiirtoon ja lämmönsiirron ilmiöihin. Lämmönsiirron tarkastelussa keskitytään erityisesti polttoainepelletissä tapahtuvaan lämmönsiirtoon, mutta työn edetessä esitellään myös lyhyesti lämmön siirtyminen polttoainepelletistä kaasunraon ja polttoainesauvan suojakuoren läpi jäähdytteeseen. Kandidaatintyössä tarkastellaan myös kiinteiden ydinpolttoaineiden lämmönsiirto-ominaisuuksia. Lämmönsiirto-ominaisuudet riippuvat materiaalien termodynaamisista ja kemiallisista ominaisuuksista. Lämmönsiirto-ominaisuuksien tunteminen on edellytys uusien, lämmönsiirrollisesti entistä parempien, polttoaineiden kehittämiselle.

Voimalaitoksen käytönaikaisen optimoinnin määrittely

Tässä diplomityössä määritellään biopolttoainetta käyttävän voimalaitoksen käytönaikainen tuotannon optimointimenetelmä. Määrittelytyö liittyy MW Powerin MultiPower CHP –voimalaitoskonseptin jatkokehitysprojektiin. Erilaisten olemassa olevien optimointitapojen joukosta valitaan tarkoitukseen sopiva, laitosmalliin ja kustannusfunktioon perustuva menetelmä, jonka tulokset viedään automaatiojärjestelmään PID-säätimien asetusarvojen muodossa. Prosessin mittaustulosten avulla lasketaan laitoksen energia- ja massataseet, joiden tuloksia käytetään seuraavan optimointihetken lähtötietoina. Optimoinnin kohdefunktio on kustannusfunktio, jonka termit ovat voimalaitoksen käytöstä aiheutuvia tuottoja ja kustannuksia. Prosessia optimoidaan säätimille annetut raja-arvot huomioiden niin, että kokonaiskate maksimoituu. Kun laitokselle kertyy käyttöikää ja historiadataa, voidaan prosessin optimointia nopeuttaa hakemalla tilastollisesti historiadatasta nykytilanteen olosuhteita vastaava hetki. Kyseisen historian hetken katetta verrataan kustannusfunktion optimoinnista saatuun katteeseen. Paremman katteen antavan menetelmän laskemat asetusarvot otetaan käyttöön prosessin ohjausta varten. Mikäli kustannusfunktion laskenta eikä historiadatan perusteella tehty haku anna paranevaa katetta, niiden laskemia asetusarvoja ei oteta käyttöön. Sen sijaan optimia aletaan hakea deterministisellä optimointialgoritmilla, joka hakee nykyhetken ympäristöstä paremman katteen antavia säätimien asetusarvoja. Säätöjärjestelmä on mahdollista toteuttaa myös tulevaisuutta ennustavana. Työn käytännön osuudessa voimalaitosmalli luodaan kahden eri mallinnusohjelman avulla, joista toisella kuvataan kattilan ja toisella voimalaitosprosessin toimintaa. Mallinnuksen tuloksena saatuja prosessiarvoja hyödynnetään lähtötietoina käyttökatteen laskennassa. Kate lasketaan kustannusfunktion perusteella. Tuotoista suurimmat liittyvät sähkön ja lämmön myyntiin sekä tuotantotukeen, ja suurimmat kustannukset liittyvät investoinnin takaisinmaksuun ja polttoaineen ostoon. Kustannusfunktiolle tehdään herkkyystarkastelu, jossa seurataan katteen muutosta prosessin teknisiä arvoja muutettaessa. Tuloksia vertaillaan referenssivoimalaitoksella suoritettujen verifiointimittausten tuloksiin, ja havaitaan, että tulokset eivät ole täysin yhteneviä. Erot johtuvat sekä mallinnuksen puutteista että mittausten lyhyehköistä tarkasteluajoista. Automatisoidun optimointijärjestelmän käytännön toteutusta alustetaan määrittelemällä käyttöön otettava optimointitapa, siihen liittyvät säätöpiirit ja tarvittavat lähtötiedot. Projektia tullaan jatkamaan järjestelmän ohjelmoinnilla, testauksella ja virityksellä todellisessa voimalaitosympäristössä ja myöhemmin ennustavan säädön toteuttamisella.