Production of Biofuels by Fischer Tropsch Synthesis

Production of biofuel via biomass gasification followed by Fischer Tropsch synthesis is of considerable interest because of the high quality of fuels produced which do not contain sulphur and are free of carbon dioxide. The purpose of this Master’s thesis is to study feasibility production of biofuels integrated with Fischer Tropsch process using Aspen Plus simulation. The simulation results were used to size process equipment and carry out an economic evaluation. The results show that lowering the reactor temperature from 1000 oC - 850 oC and raising the water gas shift temperature from 500 oC - 600 oC can improve overall gas efficiency, which in turn leads to better production of ultra clean syngas for the Fischer Tropsch synthetic reactor. Similarly, the Fischer Tropsch offgas is converted into a gas turbine for power production, and finally biodiesel is produced as fuels for transportation.

Liiketoimintamahdollisuudet sähköisessä liikkumisessa

Tässä työssä tarkastellaan pk-yrityksen kohtaamaa monimutkaista ja alati muuttuvaa toimintaympäristöä. Ympäristöään tarkkailemalla yritys pystyy varautumaan ja vastaamaan muutoksiin nopeasti ja toimintakykyään heikentämättä. Työssä käydään läpi tapoja, joilla toimintaympäristöä ja tulevaisuudessa mahdollisti tapahtuvia muutoksia tarkkaillaan sekä miten yritys voi strategiallaan vaikuttaa omaan ketteryyteensä. Työssä tutustutaan myös sähköisen liikkumisen toimialaan ja siinä odotettavissa oleviin muutoksiin. Liikkumisen sähköistymiseen on useita syitä. Sähköenergiaa voidaan tuottaa kulloinkin parhaasta käytettävissä olevasta vaihtoehdosta, eikä liikenteen energian käyttö ole enää vain öljystä riippuvainen. Sähköajoneuvoja käytettäessä energian kulutus myös pienenee, sillä energiaketjun kokonaishyötysuhde paranee sähkömoottoreiden paremman hyötysuhteen ansiosta. Lisäksi sähköajoneuvot eivät tuota käytössä lainkaan paikallisia ilmapäästöjä ja niissä on polttomoottoreita huomattavasti alhaisempi melutaso. Palvelusektorilla on entistä merkittävämpi rooli yhteiskunnassa, sillä jopa kaksi kolmasosaa Euroopan työpaikoista ja bruttokansantuotteesta tulee erilaisista palveluista. Palvelut ovat enenevästi muodostumassa tuottavuuden ja kasvun tekijäksi, lisäksi se on ainoa osa-alue Euroopan taloudessa, jolla on onnistuttu luomaan uusia työpaikkoja kahden viime vuosikymmenen aikana. Elmotion Oy onkin tarttumassa vapaa-ajalla tapahtuvaan palveluliiketoimintaan. Työssä tutustutaan muutamiin vaihtoehtoihin, joissa yritys voi tuottaa mielenkiintoista ja hauskaa tekemistä ympäristömyönteisellä teknologialla.

A study on rate correlations of gasification reactions

Gasification offers an environmentally friendly alternative for conventional combustion enabling the use of low grade and troublesome fuel such as municipal waste. While combustion converts fuel directly into thermal energy and noxious gases, gasification thermally converts fuel into gas that can be used in multiple applications. The purpose of this work is to get to know the gasification as a phenomenon and examine the kinetics of gasification. The main interest is in the reaction rates of the most important gasification reactions - water-gas, Boudouard and shift reaction. Reaction rate correlations found in the scientific articles are examined in atmospheric pressure in different temperatures.

Recovery and refining of manganese as by-product from hydrometallurgical processes

The consumption of manganese is increasing, but huge amounts of manganese still end up in waste in hydrometallurgical processes. The recovery of manganese from multi-metal solutions at low concentrations may not be economical. In addition, poor iron control typically prevents the production of high purity manganese. Separation of iron from manganese can be done with chemical precipitation or solvent extraction methods. Combined carbonate precipitation with air oxidation is a feasible method to separate iron and manganese due to the fast kinetics, good controllability and economical reagents. In addition the leaching of manganese carbonate is easier and less acid consuming than that of hydroxide or sulfide precipitates. Selective iron removal with great efficiency from MnSO4 solution is achieved by combined oxygen or air oxidation and CaCO3 precipitation at pH > 5.8 and at a redox potential of > 200 mV. In order to avoid gypsum formation, soda ash should be used instead of limestone. In such case, however, extra attention needs to be paid on the reagents mole ratios in order to avoid manganese coprecipitation. After iron removal, pure MnSO4 solution was obtained by solvent extraction using organophosphorus reagents, di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA) and bis(2,4,4- trimethylpentyl)phosphinic acid (CYANEX 272). The Mn/Ca and Mn/Mg selectivities can be increased by decreasing the temperature from the commonly used temperatures (40 –60oC) to 5oC. The extraction order of D2EHPA (Ca before Mn) at low temperature remains unchanged but the lowering of temperature causes an increase in viscosity and slower phase separation. Of these regents, CYANEX 272 is selective for Mn over Ca and, therefore, it would be the better choice if there is Ca present in solution. A three-stage Mn extraction followed by a two-stage scrubbing and two-stage sulfuric acid stripping is an effective method of producing a very pure MnSO4 intermediate solution for further processing. From the intermediate MnSO4 some special Mn- products for ion exchange applications were synthesized and studied. Three types of octahedrally coordinated manganese oxide materials as an alternative final product for manganese were chosen for synthesis: layer structured Nabirnessite, tunnel structured Mg-todorokite and K-kryptomelane. As an alternative source of pure MnSO4 intermediate, kryptomelane was synthesized by using a synthetic hydrometallurgical tailings. The results show that the studied OMS materials adsorb selectively Cu, Ni, Cd and K in the presence of Ca and Mg. It was also found that the exchange rates were reasonably high due to the small particle dimensions. Materials are stable in the studied conditions and their maximum Cu uptake capacity was 1.3 mmol/g. Competitive uptake of metals and acid was studied using equilibrium, batch kinetic and fixed-bed measurements. The experimental data was correlated with a dynamic model, which also accounts for the dissolution of the framework manganese. Manganese oxide micro-crystals were also bound onto silica to prepare a composite material having a particle size large enough to be used in column separation experiments. The MnOx/SiO2 ratio was found to affect significantly the properties of the composite. The higher the ratio, the lower is the specific surface area, the pore volume and the pore size. On the other hand, higher amount of silica binder gives composites better mechanical properties. Birnesite and todorokite can be aggregated successfully with colloidal silica at pH 4 and with MnO2/SiO2 weight ratio of 0.7. The best gelation and drying temperature was 110oC and sufficiently strong composites were obtained by additional heat-treatment at 250oC for 2 h. The results show that silica–supported MnO2 materials can be utilized to separate copper from nickel and cadmium. The behavior of the composites can be explained reasonably well with the presented model and the parameters estimated from the data of the unsupported oxides. The metal uptake capacities of the prepared materials were quite small. For example, the final copper loading was 0.14 mmol/gMnO2. According to the results the special MnO2 materials are potential for a specific environmental application to uptake harmful metal ions.

Reaktorisydämen valvontajärjestelmän modernisointi Olkiluodon kiehutusvesilaitoksella

Reaktorisydämen valvonnalla varmistetaan, että polttoaineelta vaaditut termiset marginaalit toteutuvat ja polttoaineen suojakuori säilyy ehjänä. Olkiluodon kiehutusvesilaitoksen nykyinen sydämen valvontajärjestelmä koostuu SIMULATE-3-sydänsimulaattoriohjelmasta, reaktorisydämen instrumentoinnista, termisen tehon laskentaohjelmasta, tiedonkeruuohjelmista ja käynnistysautomatiikasta. Uusi järjestelmä koostuu näiden lisäksi GARDEL-ohjelmasta, joka on kehitetty kevytvesireaktoreiden sydämen käytön suunnitteluun ja valvontaan. GARDEL käyttää laskentaan samoja ohjelmia, jotka ovat jo Olkiluodon kiehutusvesilaitoksella käytössä. Tämän työn tarkoituksena oli verrata nykyistä ja uutta sydämen valvontajärjestelmää Olkiluodon kiehutusvesilaitoksella. Työssä tutkittiin LPRM-detektorien kalibroinnin jälkeisen datan käsittelyä, palamapäivitystä, stabiilisuuslaskentaa ja adaptiivisia menetelmiä. Järjestelmien vertailuun käytettiin Olkiluoto 2 -laitosyksiköltä käyttöjaksolta 31 (2011–2012) saatuja laskentuloksia. Tulosten perusteella havaittiin uuden järjestelmän laskennassa yksittäisiä virheitä, jotka tulee korjata. Lisäksi uuden järjestelmän toiminnasta tarvitaan lisäselvitystä.

Dieselsähköisen laivan pyörimisnopeussäädettyjen voimansiirtokonseptien mallinnus ja vertailu

Tässä työssä tutkitaan eri voimansiirtokonseptien vaikutusta referenssitapauksen polttomoottorivoimalaitoksen energiatehokkuuteen ja polttoaineenkulutukseen staattisessa tilan-teessa. Referenssitapaukseksi on valittu ulkomerellä toimiva huoltoalus. Työssä esitellään dieselsähköisen laivan voimansiirtokonseptien toteutusvaihtoehtoja ja luodaan katsaus valittuihin generaattoreihin sekä taajuusmuuttajiin. Voimansiirtokonseptien hankintahintaa arvioidaan saatujen hintatietojen ja aikaisempien tutkimusten avulla. Lisäksi konseptien energian- ja polttoaineenkulutusta arvioidaan vuositasolla staattisessa tilanteessa. Perinteiselle kiinteän pyörimisnopeuden toteutukselle löydettiin haastajia sekä konseptien kuluttaman energian, että polttoaineen kannalta tarkasteltuna. Lisäksi työssä muodostetaan referenssialusta vastaava yksinkertainen simulointimalli, jolla voidaan arvioida voimalaitoksen tehohäviöitä sekä polttoaineenkulutusta eri ajotavoilla. Simulointimallilla tutkitaan myös energiavaraston tuomia etuja lisäämällä energiavarasto malliin. Mallia simuloitiin paikoitusajossa ilman energiavarastoa, sekä sen kanssa. Energiavaraston avulla saavutettiin merkittävät polttoainesäästöt.

Corrosion behaviour of boiler tube materials during combustion of fuels containing Zn and Pb

Många förbränningsanläggningar som bränner utmanande bränslen såsom restfraktioner och avfall råkar ut för problem med ökad korrosion på överhettare och/eller vattenväggar pga. komponenter i bränslena som är korrosiva. För att minimera problemen i avfallseldade pannor hålls ångparametrarna på en relativt låg nivå, vilket drastiskt minskar energiproduktionen. Beläggningarna i avfallseldade pannor består till största delen av element som är förknippade med högtemperaturkorrosion: Cl, S, alkalimetaller, främst K och Na, och tungmetaller som Pb och Zn, och det finns också indikationer av Br-förekomst. Det låga ångtrycket i avfallseldade pannor påverkar också stålrörens temperatur i pannväggarna i eldstaden. I dagens läge hålls temperaturen normalt vid 300-400 °C. Alkalikloridorsakad (KCl, NaCl) högtemperaturkorrosion har inte rapporterats vara relevant vid såpass låga temperaturer, men närvaro av Zn- och Pb-komponenter i beläggningarna har påvisats förorsaka ökad korrosion redan vid 300-400 °C. Vid förbränning kan Zn och Pb reagera med S och Cl och bilda klorider och sulfater i rökgaserna. Dessa tungmetallföreningar är speciellt problematiska pga. de bildar lågsmältande saltblandningar. Dessa lågsmältande gasformiga eller fasta föreningar följer rökgasen och kan sedan fastna eller kondensera på kallare ytor på pannväggar eller överhettare för att sedan bilda aggressiva beläggningar. Tungmetallrika (Pb, Zn) klorider och sulfater ökar risken för korrosion, och effekten förstärks ytterligare vid närvaro av smälta. Motivet med den här studien var att få en bättre insikt i högtemperaturkorrosion förorsakad av Zn och Pb, samt att undersöka och prediktera beteendet och motståndskraften hos några stålkvaliteter som används i överhettare och pannväggar i tungmetallrika förhållanden och höga materialtemperaturer. Omfattande laboratorie-, småskale- och fullskaletest utfördes. Resultaten kan direkt utnyttjas i praktiska applikationer, t.ex. vid materialval, eller vid utveckling av korrosionsmotverkande verktyg för att hitta initierande faktorer och förstå deras effekt på högtemperaturkorrosion.

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.

Kapearailotekniikan käyttö jauhekaarihitsauksessa

Diplomityössä tavoitteena oli tutkia kapearailojauhekaaritekniikan soveltuvuutta konepajakäyttöön ja sen vaikutusta hitsauksen tuottavuuteen sekä hitsin mekaanisiin ominaisuuksiin. Työ tehtiin vertailukokeilla, jossa koehitsaukset suoritettiin eri aineenpaksuuksille siten, että jokaiselle tutkimuksen kohteena olleelle materiaalille tehtiin yksi hitsaus käytössä olevalla jauhekaaritekniikalla, jolloin saatiin vertailukohde, johon uutta kapearailotekniikkaa verrattiin. Tulokset osoittivat, että kapearailotekniikalla 1 palko/palkokerros aineenpaksuudeltaan Pl. 60 mm koekappale saatiin hitsattua n. 39 % nopeammin verrattuna perinteiseen tandem -hitsaukseen. Kyseisellä aineenpaksuudella lisäainelangan kulutus oli n. 41 % ja jauheen kulutus n. 71 % pienempi verrattuna perinteiseen X- railohitsaukseen tandem -menetelmällä. Lisäksi tuli esille, että ”palkoa palonpäälle” -tekniikka on kapearailotekniikoista tehokkain, sillä 2 palkoa/palkokerros menetelmässä railon leveyttä jouduttiin leventämään, jolloin kapearailotekniikan pieni railotilavuus menetettiin. Lisäaineen kulutus tälläkin menetelmällä jäi pienemmäksi verrattuna X- railohitsaukseen. Ennalta pelättyä kuonan irtoamisongelmaa ei kapearailohitsauksessa havaittu, vaan kuona irtosi ongelmitta railon kyljistä. Lisäksi kapearailotekniikalla hitsattujen hitsien lujuudet olivat vertailukelpoiset tandem- ja yksilankamenetelmällä hitsattujen hitsien kanssa.

Pellettilämmityksen kannattavuus

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin pellettilämmityksen kannattavuutta uudisrakentamisen pientalokiinteistöissä vertailemalla sen energiatehokkuutta, hyötyjä ja haittoja, sekä taloudellista kannattavuutta verrattuna muihin uudisrakentamisessa yleisesti käytössä oleviin lämmitysmuotoihin. Työn tavoitteena on arvioida pellettilämmityksen kokonaiskustannuksia, mahdollisesti saavutettavaa säästöä suhteessa muihin lämmitysmuotoihin sekä polttoaineen hintaa ja saatavuutta. Pellettilämmitystä tarkastellaan vuoden 2012 Suomessa voimassa olevien rakennusmääräysten mukaisesti uudisrakennettavassa pientalosovelluksessa. Lämmitystapavertailusta esitetään vertailevia laskelmia ja taulukoita sekä herkkyysanalyysi, joiden avulla arvioidaan vuosittaisia kustannuksia sekä saavutettavaa säästöä eri lämmitysjärjestelmien kesken tietyn pitoajanjakson aikana.

Family-based dietary intervention in the STRIP study – influences on diet and diet-related attitudes

The focus of this dissertation was to investigate the effects of family-based dietary intervention during childhood and adolescence. The participants comprised of children and parents who participated in a longitudinal, randomised atherosclerosis prevention trial (STRIP study). The intervention families (n=540) took part in a dietary intervention since the child’s age of 8- months. The control group (n=522) did not receive any tailored dietary intervention. The main focus of the intervention was to improve the quality of dietary fat. The diet of children and parents was evaluated by daily food records and dietrelated attitudes by a questionnaire. The dietary intervention influenced, favourably, the dietary fat quality in children and parents. Fat quality improved mainly by the decrease of saturated fat intake. Some minor effects of the intervention were also observed in children’s fruit and vegetable (F&V) consumption although the F&V consumption was very low. The intervention increased parental interest in healthy eating, but there was no difference in interest in natural products or in attitudes towards hedonic eating attitudes between the intervention and control parents. Parents’ interest in healthy eating associated with parents’ and children’s high fruit and vegetable consumption but not with their fat quality ratio. On the other hand, dietary fat quality improved at every level of interest in healthy eating. It seems that the main target of the intervention, the dietary fat quality of the children, was promoted effectively. In the future, more emphasis should be given on increasing unsaturated fat intake and on elevating F&V consumption in children. Children’s diet, especially F&V consumption, associated with diet-related attitudes of the parents. Therefore, co-operation with parents and family-based premises for working should be capitalized upon when promoting healthy eating in children and adolescents.

Limestone Reactions in a Fluidized Bed Heat Exchanger of an Oxy-fuel Circulating Fluidized Bed Boiler

Oxy-fuel combustion in a circulating fluidized bed (CFB) boiler appears to be a promising option for capturing CO2 in power plants. Oxy-fuel combustion is based on burning of fuel in the mixture of oxygen and re-circulated flue gas instead of air. Limestone (CaCO3) is typically used for capturing of SO2 in CFB boilers where limestone calcines to calcium oxide (CaO). Because of high CO2 concentration in oxy-fuel combustion, calcination reaction may be hindered or carbonation, the reverse reaction of calcination, may occur. Carbonation of CaO particles can cause problems especially in the circulation loop of a CFB boiler where temperature level is lower than in the furnace. The aim of the thesis was to examine carbonation of CaO in a fluidized bed heat exchanger of a CFB boiler featuring oxy-fuel combustion. The calculations and analyzing were based on measurement data from an oxy-fuel pilot plant and on 0-dimensional (0D) gas balance of a fluidized bed heat exchanger. Additionally, the objective was to develop a 1-dimensional (1D) model of a fluidized bed heat exchanger by searching a suitable pre-exponential factor for a carbonation rate constant. On the basis of gas measurement data and the 0D gas balance, it was found that the amount of fluidization gas decreased as it flew through the fluidized bed heat exchanger. Most likely the reason for this was carbonation of CaO. It was discovered that temperature has a promoting effect on the reaction rate of carbonation. With the 1D model, a suitable pre-exponential factor for the equation of carbonation rate constant was found. However, during measurements there were several uncertainties, and in the calculations plenty of assumptions were made. Besides, the temperature level in the fluidized bed heat exchanger was relatively low during the measurements. Carbonation should be considered when fluidized bed heat exchangers and the capacity of related fans are designed for a CFB boiler with oxy-fuel combustion.

Paperitehtaan sähkötasehallinta ja sähkön kysyntäjousto energiakustannusten hallinnassa

Paperiteollisuus on energiaintensiivistä teollisuutta, jossa on tehty pitkään työtä tuotantoprosessien energiatehokkuuden parantamiseksi. Paperitehtaan energiakustannuksiin voidaan kuitenkin vaikuttaa myös sähkötaseen hallinnalla ja sähkön kysyntäjouston avulla. Tehtaan seuraavan vuorokauden sähkön kulutus pyritään ennustamaan mahdollisimman tarkasti, mutta esimerkiksi paperitehtaan häiriötilanteissa sähkötase poikkeaa ennustetusta. Tällöin sähkötasetta voidaan korjata ensisijaisesti sähkön jälkimarkkinoiden eli Elbas- kaupankäynnin avulla. Ellei tasetta saada korjattua sähkön jälkimarkkinoilla tase-ero korjataan tasesähköllä, jonka hinta muodostuu säätösähkömarkkinoilla. Tasesähkön hinta saattaa poiketa Elspot- markkinahinnasta voimakkaasti, jolloin tase-erosta joko hyödytään tai hävitään kustannusmielessä. Tämän työn tarkoituksena on selvittää sähkötasehallinnan parantamisen ja sähkön kysyntäjouston vaikutukset paperitehtaan energiakustannuksiin. Työssä tutkittiin tehtaan sähkö-tasehallinnan nykytilannetta ja selvitettiin tase-erojen kustannusvaikuttavuutta. Lisäksi työssä luotiin ajomalleja sähkön kysyntäjouston toteuttamiselle massatehtaan eri tuotantoprosesseille, sekä määritettiin rajahintoja seuraavan vuorokauden energiaennusteeseen. Onnistunut energiaennuste perustuu paperitehtaan käynnin tarkkoihin ja ajankohtaisiin lähtötietoihin. Sähkötaseen poikkeamiin voidaan puolestaan varautua paremmin, kun informaatio tehtaan prosessien alasajosta tulee voimalaitoksen tietoon mahdollisimman aikaisin. Sähkötaseen poikkeamien hallinta voidaan tehdä, joko Elbas- kaupan tai tasesähkön avulla. Ajankohdasta ja tasepoikkeaman volyymista riippuen täytyy tehdä valinta, kumpi vaihtoehdoista on kustannusmielessä kannattavampi. Paperitehtaan eri prosesseille luoduilla ajomalleilla saatiin esiin huomattava säästöpotentiaali. Ajomallien noudattaminen vaatii suunnitelmallista tuotannon hallintaa ja sähkön Elspot- hinnan käyttäytymisen säännöllistä seurantaa. Seuraavan vuorokauden rajahintatietojen määrittämisen pohjalta voidaan arvioida, millä Elspot- hinnalla sähkön myynti muuttuu paperin tuotantoa kannattavammaksi.

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.