ORC-voimalan soveltuvuus hyödyntämään dieselvoimalan hukkalämpöä, Tekes DrNo 1549/401/98. Loppuraportti

Tässä loppuraportissa esitetään projektin "Kannattavuusanalyysi ORC-voimalan soveltamisesta hyödyntämään dieselvoimalan hukkalämpöä, Tekes DrNo 1549/401/98" tulokset. ORC-prosessilla (Organic Rankine Cycle) tarkoitetaan Rankine-prosessia, jossakiertoaineena veden asemesta on sopiva orgaaninen neste, esimerkiksi tolueeni. ORC-prosessi soveltuu hyvin nimenomaan matalalla lämpötilatasolla vapautuvan hukkalämmön hyödyntämiseen. Tutkimus liittyy vuonna 1981 aloitettuun suurnopeustekniikan tutkimushankkeeseen. Tutkimuksen lähtökohtana oli tropiikin olosuhteissa peruskuormaa ajava raskasöljykäyttöinen Wärtsilä NSD 18V46 voimalaitosmoottori, jonka hukkalämmöistä tuli kyetä tuottamaan sähköä mahdollisimman alhaisilla investointikustannuksilla. Kaukolämmöntuotanto rajattiin tämän selvityksen ulkopuolelle. Edullisimmaksi perustapaukseksi valittiin seitsemän turbogeneraattorin ORC-laitos, joka hyödyntää ainoastaan moottorin pakokaasulämpöä. Kyseisen ORC-laitoksen nettosähköteho on 1142 kW, joten se lisäisi dieselmoottorin tehoa 6,8 %. ORC-laitoksen myyntihinta olisi noin 7,67 Mmk, mikäli lauhdutin voidaan rakentaa ruostumattomasta teräksestä ja noin 9,01 Mmk, mikäli olisi käytettävä titaanilauhdutinta. ORC-laitoksen ominaisinvestointikustannus olisi siten noin 6700 mk/kW - 7900 mk/kW materiaalivalinnoista riippuen. Mainittu hinta sisältää sekä komponenttien valmistajien että systeemi-integraattorin katteet. Koska höyrystimen hinta vaikuttaa olennaisesti ORC-laitoksen hintaan, voidaan puhtailla maakaasupolton savukaasuilla arvioida ominaisinvestoinnin olevan noin 1000 mk/kW alhaisempi. Olettaen 6000 h/a huipun käyttöaika saadaan ORC:llä tuotetun sähkön hinnaksi noin 0,11 mk/kWh. Suomeen rakennettavalle ORC-laitokselle on todennäköisesti lisäksi saatavissa 30 % investointituki ja sähköveron palautus. - Teoriassa voidaan osoittaa, että dieselmoottorin tehoa voidaan ORC:llä lisätä jopa 18 %, mutta ominaisinvestointi on tällöin merkittävästi korkeampi. ORC-laitoksen turbiinin 1D suunnittelua tarkennettiin sekä laitoksen turbiini mallinnettiin CFD-laskennan (numeerisen virtauslaskennan) avulla osana tätä tutkimusta. Näin kyettiin nostamaan turbiinin hyötysuhdetta, ja CFD-laskennan perusteella voidaan nyt aikaisempaa varmemmin ennustaa turbiinin todellinen hyötysuhde. ORC-laitoksen dynaaminen simulointiohjelma saatiin niin ikään valmiiksi tämän projektin puitteissa. Simulointiohjelman avulla voitiin asettaa laitoksen säädinparametrit sekä simuloida voimalan käynnistys-, ajo- sekä häiriötilanteita. Tehtyjen simulointien perusteella tehtiin johtopäätökset laitoksen säätöjärjestelmän toimivuudesta ja tuorehöyryn tilaarvojen valinnasta.

Metsäteollisuuden sivuainevirtojen käsittely- ja hyödyntämisvaihtoehtojen vaikutus hiilidioksidipäästöihin

Tämä tutkimus kuuluu ympäristöklusterin tutkimusprojektiin "Materiaalivirrat ja energiankäyttö metsäteollisuusintegraateissa ja niihin liittyvät toimintastrategiat ympäristövaikutuslähtöisesti". Työn päätavoitteena oli kehittää laskentapohja, jossa alkuarvoja muuttamalla voidaan helposti määritellä metsäteollisuuden jäte- eli sivuainevirtojen käsittelystä ja hyötykäytöstä aiheutuvia hiilidioksidivaikutuksia. Tutkimuksen sisältö pohjautuu pääosin projektin muihin tutkimuksiin, joissa on tarkasteltu sivuainevirtojen hyötykäytön teknisiä ja taloudellisia reunaehtoja. Metsäteollisuuden tärkeimmiksi sivuainevirroiksi voidaan määritellä tuhka, soodasakka, jätevedenkäsittelyn liete sekä pastaliete. Tässä tutkimuksessa on laskettu näiden sivuainevirtojen nykyisten käsittelymenetelmien hiilidioksidivaikutukset projektissa mukana olevilla tehtailla ja vertailtu niitä potentiaalisempien uusien käsittely- ja hyötykäyttömenetelmien vaikutuksiin. Työstä saatujen tulosten perusteella voidaan arvioida, että tuhkan osalta hiilidioksidivaikutukset ovat suhteellisen merkityksettömiä. Pastalietteen osalta prosessiin palautus vaikuttaisi parhaalta menetelmältä, koska tuorepastan tuotannosta aiheutuu varsin runsaasti hiilidioksidipäästöjä. Suurin merkitys kokonaispäästöjen kannalta näyttäisi kuitenkin olevan jätevedenkäsittelyn lietteen ja soodasakan käsittelymenetelmillä. Soodasakan orgaaninen aines aiheuttaa kaatopaikoilla suurehkot metaanipäästöt, joita hyötykäytöllä voitaisiin vähentää merkittävästi. Jätevedenkäsittelyn lietteen osalta uudet kuivauksen tehostamismenetelmät parantavat lietteen poltettavuutta, jolloin myös hiilidioksidipäästöt pienenevät. Toisaalta suuremman kuiva-ainepitoisuuden vuoksi myös varastointi voisi olla mahdollista, jolloin lietettä ei tarvitsisi läjittää enää kaatopaikoille, ja myös kaatopaikkapäästöiltä vältyttäisiin.

Suodatuskalvon puhdistaminen UV-valolla tai ultraäänellä aktivoidulla titaanidioksidilla

Kalvotekniikan suurin ongelma on edelleen kalvon likaantuminen, jonka tuloksena kalvon erotuskyky voi muuttua ja liuoksen vuo kalvon läpi pientyä huomattavasti. Kalvotekniikan teollisissa sovelluksissa kalvojen puhdistus on yksi tärkeimmistä pääkohdista, sillä se määrittää kalvon käyttöikää ja käyttötehokkuutta. Yleisimmin käytetyn kemiallisen pesun tuloksena muodostuu hävitettävä pesuliuos, joka sisältää sekä kemikaaleja, että kalvosta poistetun lian. Työssä on tutkittu kalvon puhdistusta ultravioletti-valo- tai ultraäänikäsittelyssä titaanidioksidin läsnäollessa. Menetelmien mahdollisina etuina ovat kalvosta poistetun lian hajotus harmittomiksi komponenteiksi ja mahdollisesti kalvon pienempi kuluminen pesussa. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden hajottamista ultraviolettivalon tai ultraäänikäsittelyn avulla titaanidioksidin läsnäollessa sekä olosuhteiden vaikutusta menetelmien tehokkuuteen. Tämän lisäksi työssä on keskitytty polymeerikalvojen UV-valo- ja ultraäänikäsittelykestävyyteen. Kokeellisessa osassa on tutkittu UV-valo- ja ultraäänikäsittelyjen sopivuutta liatun PVDF-kalvon puhdistukseen titaanidioksidin läsnäollessa. Tavoitteena oli liatun kalvon permeabiliteetin palautus puhtaan kalvon tasolle käsittelyn avulla. Kalvon kestävyyttä on myös tutkittu. Tämän työn perusteella tutkittuja menetelmiä ei voida soveltaa tarkistettavan PVDF-kalvon puhdistukseen, ainakaan testeissä käytetyissä olosuhteissa, sillä kalvon ominaisuudet muuttuvat käsittelyissä.

Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysmahdollisuudet

Nyky yhteiskunta tulee päivä päivältä riippuvaisemmaksi sähköstä ja sen luotettavasta siirrosta ja jakelusta. Suurhäiriö kantaverkossa on erittäin epätodennäköinen, mutta sen mahdollisuutta ei koskaan voida kokonaan rajata pois. Suurhäiriön seuraukset ovat erittäin vakavat ja yhteiskäytön palautus häiriön jälkeen voi pitkittyä. Diplomityössä käsitellään kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj:n kaasuturpiinivaravoimalaitoksia ja niiden ominaisuuksia kantaverkon suurhäiriössä. Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysvalmiudet tarkastettiin ja niissä suoritettiin koeajoja, jotka sisälsivät jatkuvan ja dynaamisen tilan koeajo osuudet. Yhdessä laitosyksikössä tehtiin myös pimeäkäynnistys ja saarekekoeajo. Koeajojen perusteella saatiin arvokasta perustietoa kaasuturpiinilaitosten ominaisuuksista ja mahdollisuuksista toimia pimeäkäynnistystilanteissa. Varavoimalaitosten matemaattista mallintamista yksinkertaisella teollisuuskaasuturpiinilaitoksen mallilla kokeiltiin siinä kuitenkaan onnistumatta. Kokemusten perusteella esitetään keskeisimmät havainnot ja ehdotukset kevyen, moniakselisen kaasuturpiinilaitoksen mallintamiseksi.

Verkkopohjainen palautusjärjestelmä harjoitustöille

Tiedostojen palautus erilaisissa kursseissa yleistyy. Harjoituksia ja harjoitustöitä palautetaan erilaisissa tiedostomuodoissa, yleensä sähköpostin välityksellä. Oppilaat saattavat palauttaa tiedostoja väärin nimettynä tai tiedostotyyppi on väärä, joka hankaloittaa tarkastusta. Oppilas määrän ollessa suuri, tulee palautuksia myös paljon, joka täyttää tarkastajan sähköpostin. Tämän kandidaatintyön tarkoitus on selventää mitkä ohjelmointikielet kävisivät verkkopohjaisen palautusjärjestelmän toteutukseen. Verkkopohjainen palautusjärjestelmä toteutetaan kirjallisuudesta löytyvän materiaalin perusteella.