Vesivoiman ajosuunnittelu

Diplomityön tavoitteena oli tutkia UPM-Kymmene Oyj:n keskusvalvomossa tapahtuvaa vesivoiman ajosuunnittelua. Pääkohdat tarkastelussa olivat vesistöjen säännöstely, erilaiset vesivuodet ja sähkömarkkinatilanteet. Vesivoiman ajosuunnittelua tarkasteltiin pääasiassa erilaisten vesivuosien ja sähkömarkkinatilanteiden näkökulmasta. Lähtötietoina käytettiin Suomen ympäristökeskuksen vesistömallijärjestelmän ja UPM-Kymmene Oyj:n energianhallintajärjestelmän numeerisia historia-arvoja. Työssäselvitettiin UPM-Kymmene Oyj:n vesivarannoista hyödynnettävissä olevat energiamäärät. Energiamäärien avulla määritettiin skenaario UPM-Kymmene Oyj:n vesivoimantuotannon vaihtelusta. Lisäksi tarkasteltiin vesivoimaa sähkötaseen säätövoimana. Teoreettisessa osassa perehdyttiin Suomen sähköntuotantorakenteeseen, vesivoiman asemaan sähköntuotannossa ja vesivoiman ohjausmekanismeihin. Lisäksi tarkasteltiin UPM-Kymmene Oyj:n sähkön käyttöä ja vesivarantoja. Soveltavassa osassa tarkasteltiin, miten vesivoiman ohjausmekanismit toimivat käytännössä. Lisäksi analysoitiin sähkömarkkinatilanteiden vaikutuksia ja vesivoimalaitosten ajon tehostamismahdollisuuksia. Työn tuloksena laadittiin ennuste-simulaattori, jolla voidaan optimoida vesivoimanja lauhdevoiman ajoa. Tulevaisuudessa simulaattorin avulla voidaan ennustaa poikkeuksellisia sähkömarkkinatilanteita.

Pienvesivoimalanmallinnus ja jakeluverkkovaikutusten tarkastelu

Tässä työssä simuloitiin Valkealassa sijaitsevaa Tirvan pienvesivoimalaitosta ja sen vaikutusta sähkönjakeluverkkoon. Pienvesivoimalaitos mallinnettiin PSCAD-ympäristöön verkko- ja voimalaitostietojen perusteella. Sähköverkko kuvattiin malliin koko 110 kV:n siirtävän verkon ja Tirvan pienjänniteverkon väliltä. Mallin avulla tehtiin sarja hajautettua sähköntuotantoa koskevia tarkasteluita. Tarkasteluissa huomattiin voimalaitoksen verkkoonliitynnän aiheuttavan standardien ylärajoilla olevan transienttisen muutoksen voimalaitoksen jännitteisiin. Työssä tehtiin yksityiskohtaisempi jännitehäviöiden mittaus voimalaitoksen pullonkaulana toimivalle pienitehoiselle jakelumuuntajalle. Tuotannon lisäämisen yhteydessä näkyvän yllättävän jännitteen laskun syyt paikannettiin muuntajalla tapahtuviin loistehon siirrosta johtuviin ylimääräisiin jännitehäviöihin. Voimalaitoksella ei ole merkittävää vaikutusta vikatilanteiden virtoihin.

Juvankoski pappersbruk

Helsingfors : A.W. Gröndahl & A.C. Öhman 1845 : Dresden, Adler u. Dietze

Pienvesivoimalaitokset

Tämän työn tarkoituksena on tutkia pienvesivoimalaitosten nykytilaa ja tulevaisuutta Suomessa.

Business opportunities in power sector of Ukraine : focus small-scale hydro and wind power sectors

In the last few years, the Ukrainian investment market has constantly shown strong performance and significant growth. This is primarily due to the investment attractiveness of Ukraine. From the perspective of investments in energy sector, Ukraine can be described as a country providing significant number of opportunities to multiply invested funds. But there are numbers of risks which hamper large investments. The work objective was to discover opportunities in small-scale hydropower and wind power sectors of Ukraine and more importantly to prove economic expediency of such investments. Thesis covers major of issues, concerning entering the Ukrainian power market as a foreign investor. It provides basic information about the structure of power market, the state of renewables sector in Ukraine, development of power sector in the regions, functioning of Wholesale Electricity Market, formation of electricity prices, possibilities for implementing joint Implementation mechanism, while the most attention, nevertheless, is concentrated on the opportunities in small-scale hydro and wind power sectors. Theoretical part of the study disclosed that Crimea peninsula has perfect wind conditions and could be a prospective area for wind project development. Investment analysis revealed that project profits will be excellent if green tariff for renewable energy is adopted. By the moment uncertainties about green law adoption bring additional risk to the projects and complicate any investment decision.

Vesiteiden pato- ja sulkurakenteiden korjaustarpeen määrittäminen Suomen merkittävimmissä vesivoimalaitoksissa

Tämän diplomityön tavoitteena oli kartoittaa suomalaisten vesivoimalaitosten vesiteiden pato – ja sulkurakenteiden tulevia korjaustarpeita seuraavien viiden vuoden aikana. Tutkimuskohteiksi rajattiin yli 1 MW:n ja ennen vuotta 1975 valmistuneet sekä vielä peruskorjaamattomat kohteet. Näillä rajauksilla muodostui 73 vesivoimalaitoksen joukko. Näissä vesivoimalaitoksissa oli yhteensä 133 koneistoa ja 394 erilaista sulkurakennetta. Tutkimusaineisto hankittiin haastattelemalla 30 henkilöä yhteensä 24:stä eri yhtiöstä. Haastateltavat olivat pääasiassa laitosten käyttö- tai kunnossapitopäälliköitä, mutta myös omistajayhtiöiden ylintä johtoa. Strukturoidun haastattelulomakkeen avulla toteutettuna haastattelu oli siten lähes puhdas kyselytutkimus, jonka vastausprosentiksi muodostui 100 %. Haastattelu mahdollisti epäselvien yksityiskohtien selvittämisen ja siten tutkimuksen luotettavuus muodostui suuremmaksi kuin pelkällä kyselylomake - mittauksella. Tulokset osoittivat, että tulevia korjaustarpeita havaittiin noin kolmasosassa tutkimuskohteista. Tyypillisimmät korjaustarpeet ovat vesiteiden betonirakenteisiin tulleissa vaurioissa sekä sulkurakenteiden teknisen ikääntymisen myötä tulevissa tiiviysongelmissa sekä toiminnallisissa vioissa.

Introduktionen av kärnkraften i Finland

Finlands industri har av tradition varit starkt energikrävande. Träförädlingsindustrin, som fick sin egentliga start i medlet på 1800-talet, använde stora mängder energi liksom metallförädlingsföretagen i ett senare skede. Krigstiden med sin energiransonering visade handgripligen för allmänheten liksom för specialisterna att en tillräcklig tillgång till energi är ett livsvillkor för vår industri och därmed för vårt land. Efterkrigstiden kännetecknades av en allt snabbare utbyggnad av den på vatten- och ångkraft baserade elkraftskapaciteten, en utbyggnad som den inhemska verkstadsindustrin i stor utsträckning deltog i. Men redan på 1950-talet var vattenkraften till stor del utbyggd, varför den privata såväl som den statliga sektorns intresse allt mera inriktade sig på den speciellt i USA favoriserade atomenergin. Efter fördjupade studier i kärnfysik och kärnteknik vid the International School of Nuclear Science and Engineering i USA deltog författaren av dessa rader intensivt (först som Ahlströmanställd och senare som VD för Finnatom) i den utvecklingsverksamhet inom det kärntekniska området som inte bara elproducenterna utan även verkstadsindustrin i vårt land genomförde. Det var därför naturligt för mig att som objekt för min doktorsavhandling välja introduktionen av kärnkraften i Finland med speciell fokus på den inhemska verkstadsindustrins roll. Jag ställde följande forskningsfrågor: a. När och hur skedde introduktionen av kärnkraften i Finland? b. Vilka var orsakerna till och resultatet av denna introduktion? c. Vilken var den inhemska verkstadsindustrins roll? Ett grundligt studium av litteraturen inklusive mötesprotokoll och tidningsreferat samt personligen genomförda intervjuer med ett trettiotal av de verkliga aktörerna i den långa och komplicerade introduktionsprocessen ledde till en teori, vars riktighet jag anser mig ha kunnat bevisa. Den inhemska verkstadsindustrins roll var synnerligen central. Dess representanter lyckades, bl.a. refererande till erfarenheterna från utbyggnaden av vatten- och ångkraften liksom till byggandet av den underkritiska milan YXP samt forskningsreaktorn TRIGA, övertyga beslutsfattarna om att den besatt nödig kompetens för att kompensera den kompetensbrist som kunde iakttas inom vissa områden hos den sovjetiska kärnkraftverksleverantören. De inhemska leveranserna påverkade även driftsresultatet, speciellt i fallet Lovisa, i positiv riktning. Introduktionsprocessen, som omfattade tiden från slutet av 1950-talet till början på 1980-talet, beskrevs, noterande bl.a. J. W. Creswells anvisningar, i detalj i avhandlingen. Introduktionen fick som resultat konkurrenskraftig elkraft, impuls till start av nya företag, exempelvis Nokia Elektronik, liksom en klar höjning av den tekniska nivån hos vår industri, inkluderande kärnteknisk tillverkning i stor skala. Katastrofen i Tjernobyl i slutet av april 1986 innebar emellertid att utvecklingen tog en paus på ett par decennier. Erfarenheterna från introduktionsfasen kan förhoppningsvis utnyttjas till fullo nu, när utbyggnaden av kärnkraften återupptagits i vårt land.

Säännöstelyjen kehittämistyön vaikutukset Oulujoen vesistössä : seurannan tulokset vuosina 1999–2009

Ympäristöviranomaiset ja Oulujoen vesistön alueella toimivat voimayhtiöt tekivät vuosina 1989–1992 monitieteisen selvityksen vesistöjen säännöstelyn kehittämiseksi. Kehittämisen tavoitteina oli ottaa virkistyskäytön tarpeet ja vesiluonnon tilaan vaikuttavat tekijät paremmin huomioon, mutta säilyttää säännöstelyn alkuperäinen tavoite, eli palvella energiantuotantoa sekä estää tulvavahinkoja ja rantavyöryjä. Selvityksen tuloksena annettiin Oulujoen vesistön säännöstelyä, siihen liittyvää ympäristönhoitoa ja tiedotusta koskevia kehittämissuosituksia. Suositusten perusteella otettiin käyttöön järvikohtaiset kesäajan vedenkorkeuksia ohjaavat tavoitetasot ja yläsuositukset. Kehittämisselvityksen tuloksena annettuja suosituksia alettiin noudattaa vuodesta 1993 lähtien. Ensimmäinen suositusten seurantaselvitys tehtiin vuonna 1998 ja tässä raportissa on esitelty vuoden 2009 seurantahankkeen tulokset. Syksyn 2009 seuranta osoittaa, että suositukset ovat toteutuneet pääasiassa hyvin. Niiden toteuttamisella on saavutettu säännöstelyn kehittämisselvityksessä asetettuja tavoitteita. Ennen kaikkea suositukset kesäajan vedenkorkeuksissa ovat toteutuneet hyvin lukuun ottamatta Kianta- ja Vuokkijärviä. Suositusten toteutumisen seurauksena vesistön virkistyskäyttömahdollisuudet ovat parantuneet. Käytössä olevat kesäajan vedenkorkeuksien tavoitetasot ja yläsuositukset ovat selvityksen perusteella tarpeelliset, ja suurin osa vesistön käyttäjistä pitääkin vedenkorkeuksia sopivana juhannuksesta elokuulle. Tarkastellun ajanjakson aikana Kianta- ja Vuokkijärvien vedenpintaa on jouduttu laskemaan voimalaitosten korjausten vuoksi; kesällä 2003 Ämmän ja Aittokosken voimalaitosten peruskorjauksen, kesällä 2005 Aittokosken voimalaitoksen turbiinin uusimisen ja kesällä 2008 Seitenoikean voimalaitoksen peruskorjauksen takia. Lisäksi erityisen matalia vedenkorkeuksia esiintyi kuivina vuosina 2003 ja 2006. Eri aikoina toteutettujen kasvillisuusseurantojen tulosten tulkintaa haittaavat voimakkaasti erot seurantamenetelmissä. Vuoden 2009 seurantatutkimuksen tulosten tulkintaa hankaloitti myös havaintovuoden 2003 poikkeuksellisen alhaiset vedenkorkeudet, jotka lisäsivät merkittävästi pienten häiriölajien lukumäärää säännösteltyjen järvien rantavyöhykkeellä. Vedenkorkeusanalyysin perusteella pitäisi tilanteen kasvillisuuden kannalta olla kuitenkin parantunut ja kasvillisuuden vyöhykkeisyyden olla paremmin kehittynyttä ja vakiintuneempaa verrattuna aiempiin tarkasteltuihin ajanjaksoihin. Kasvillisuuden strategia-analyysin perusteella voidaan todeta, että ylempi rantavyöhyke on vakiintuneempaa ja eroosion ja jään vaikutukset kasvillisuuteen ovat vähentyneet. Järvien vedenkorkeuden säännöstelyn on arvioitu vaikuttaneen negatiivisesti kalastoon pohjaeläinten muodostamien ravintovarojen vähenemisen takia. Säännösteltyjen kohdejärvien pohjaeläimistö erosi pääsääntöisesti vertailujärvien eläimistöstä, etenkin koostumuksensa perusteella. Rantavyöhykkeen eläimistö erosi vähiten lievemmin säännösteltyjen järvillä ja eniten voimakkaammin säännöstellyillä järvillä. Kuitenkin Oulujoen vesistön säännöstelyjen muutokset suosituksia edeltävän ja sen jälkeisen ajanjakson välillä ovat olleet pohjaeläimistön kannalta hyvin pieniä eikä pohjaeläinaineiston koostumuksessa tai runsaudessa ei ole havaittavissa sellaisia eroja tai yhdenmukaista kehityssuuntaa, jotka olisi yhdistettävissä säännöstelyssä toteutuneisiin muutoksiin ajanjaksojen välillä. Säännöstely vaikuttaa kalojen lisääntymiseen ja ravintovaroihin, sillä se voi heikentää pohjaeläimistön ja rantaeläinplanktonin elinolosuhteita sekä vaikeuttaa mädin säilymistä ja vähentää sopivien lisääntymisalueiden määrää. Säännöstelykäytännön muutoksen vaikutusta kalastoon on vaikea arvioida käytettävissä olevien saalis- tai yksikkösaalistietojen perusteella. Muutoksen mahdolliset vaikutukset kalakantoihin peittyvät samanaikaisesti istutuksissa tapahtuneisiin kalayhteisömuutoksiin. Kalastuksen suuntautumisen eri lajeihin aiheuttaa sen, että verkkokalastuksen yksikkösaaliit eivät enää välttämättä kerro todellisista muutoksista kalastossa. Vedenkorkeuksien vaihtelussa on Oulujärvellä kuitenkin tapahtunut kalakantojen kannalta myönteisiä muutoksia viimeisen kymmenen vuoden aikana. Tiedotuksen tarve säännöstelyn ja vedenkorkeuksien osalta nousi kyselytutkimuksessa vahvasti esiin. Vesistön käyttäjien yleiskuva säännöstelystä on huonontunut aiemmasta seurannasta vuonna 1998 lukuun ottamatta Oulujärveä, jossa yleiskuva on parantunut. Tehtyjen vesistön ja rantojen hoito- ja kunnostustöiden hyödyllisyys koetaan hyväksi, ja suurin osa vesistön käyttäjistä on sitä miltä, että alueella tulisi tehdä lisätoimenpiteitä vesistön käytön parantamiseksi.

Pienvesivoimalan uusinta

Diplomityön tavoitteena on tutkia eri vaihtoehtojen kannattavuutta pienvesivoimalan uusinnassa. Sähkönhinnan muodostus ja tulokseen vaikuttavat tekijät käsitellään kokonaisuuksinaan. Työssä tehdään kustannuslaskenta valmistajien tarjouksien perusteella ja suoritetaan esittely eri tarjouksista. Valmisteluosassa tutustutaan mitoitusarvoihin ja jos niitä ei ole miten ne selvitetään. Mittauksen kautta saadut arvot käsitellään ja sovelletaan siten, että valmistajat pystyvät käyttämään niitä. Lisäksi tutustutaan turbiinin laskentaan ja mitoitetaan Kaplan-turbiini työssä käytettyyn pienvesivoimalaan.

Ilmastonmuutoksen vaikutus Nilsiän reitin säännösteltyjen järvien vedenkorkeuksiin ja virtaamiin sekä säännöstelyjen kehittämistarpeeseen

Raportissa tarkastellaan, miten ilmastonmuutoksen hydrologisiin vaikutuksiin voidaan sopeutua Nilsiän reitin järvien säännöstelykäytäntöjä muuttamalla. Hydrologisia vaikutuksia tarkastellaan Suomen ympäristökeskuksen Vesistömallijärjestelmällä (WSFS), jonka tulosten pohjalta tutkitaan vaikutuksia vesiluontoon, virkistyskäyttöön, rantojen eroosioon, tulviin sekä energiantuotantoon. Ilmastonmuutoksen vaikutuksia arvioidaan WSFS:n hydrologisella mallilla lasketuista säännösteltyjen järvien vedenkorkeuksista ja virtaamista referenssijaksolla 1971-2000 ja lähitulevaisuuden jaksoilla 2010-39 ja 2040-69. Ilmastonmuutoksen vaikutus tuodaan malliin niin sanotulla delta-change menetelmällä, jossa ilmastoskenaarioiden tuottamat keskimääräiset lämpötilan ja sadannan muutokset referenssijaksolta ilmastonmuutosjaksoille lisätään referenssijakson havaintoihin. Ilmastonmuutokseen liittyvän epävarmuuden johdosta tarkastelut tehdään neljälle skenaariolle, joista yksi kuvaa 19 globaalin ilmastomallin tuottamia keskimääräisiä muutoksia ja kolme ääriskenaariota suuria lämpötilan muutoksia (lämmin skenaario), pieniä lämpötilan muutoksia (kylmä skenaario) sekä suuria sademäärän muutoksia (märkä skenaario). Tarkastelluissa skenaarioissa nykyiset säännöstelyluvat toimivat vielä lähivuosina, mutta viimeistään myöhemmällä skenaariojaksolla lupien kalenteriin sidotut ehdot, jotka määräävät järvien vedenkorkeuksien laskun tietylle tasolle ennen kevättä, käyvät epätarkoituksenmukaisiksi. Vedenkorkeuden luvanmukainen laskeminen kevättalvella aiheuttaa erityisesti vesistöalueen yläosan säännöstellyissä järvissä ongelmia nostaa vedenkorkeus kesäksi tavoitetasolle. Tilannetta parantaa raportissa esitettävä sopeutuva säännöstely, jossa kevätalenemaa tarvittaessa loivennetaan ja aikaistetaan. Korpisella, jonka säännöstelyluvassa vedenkorkeuden kevätalenemaa ei ole määrätty, tarvittava ilmastonmuutokseen sopeutuminen voidaan tehdä nykyisen luvan puitteissa. Vaikutustarkastelujen mukaan skenaarioilla on referenssijaksoon verrattuna haitallisia vaikutuksia lähinnä virkistyskäyttöön ja vesiluontoon. Energiantuotantoon skenaarioilla on lisäävä vaikutus. Tulosten perusteella skenaarioiden mukaisessa tilanteessa sopeutuvalla säännöstelyllä voitaisiin pienentää haitallisten vaikutusten riskiä verrattuna nykyisenkaltaiseen säännöstelyyn.

Melo generaattori 1 kuntokartoitus

Työn tarkoitus on arvioida ja selvittää, milloin generaattorin uusinta on optimaalista tehdä vesivoimalaitoksella teknisen kunnon suhteen. Melon generaattori otettiin käyttöön vuonna 1971 ja se on peruskunnostettiin 1998. Vuonna 2009 tehdyn kuntokartoituksen mukaan koneelle annettiin laskelmien 20 vuotta elinikään. Alkuperäisessä generaattorissa on ollut ongelmia alusta asti. Alkuperäiset ongelmat pohjautuvat väärään uralukuun, joka aiheutti värinöitä koneeseen. Värinät saatiin korjattua staattorin käämitystä muuttamalla 1973 ja muutos rajoitti generaattorin tehon 33 MW:iin. Myöhemmin konetta on ajettu yli 33 MW:n teholla, joka aiheutti staattorin levypaketin aaltoilun. Aaltoilu olisi voinut aiheuttaa vakan vaurion generaattoriin. Vuonna 2014 tehdyn revision yhteydessä edellä mainitut ongelmat poistuivat. Ottaen huomioon generaattori 2 ongelmat (käyttöönotettu 1971), niin voidaan todeta, että revisio tehtiin täysin optimaaliseen aikaan.

Life cycle management of TVO nuclear power plant

Tämä diplomityö tutkii eri elinkaarihallinnan menetelmiä ja vertaa niitä TVO:n menetelmiin. Lisäksi TVO:n prosessin ongelmakohdat tunnistetaan ja niihin esitetään ratkaisuja. Vertailukohteina toimii ydinvoimateollisuuden lisäksi vesivoima, fossiiliset voimalaitokset sekä paperiteollisuus. Sähkön hinnan jatkaessa laskuaan on elinkaariajattelusta tullut ajankohtaista myös ydinvoimayhtiöille. Ydinvoimalaitoksien pitkän suunnitellun käyttöiän ansiosta laitoksen elinkaaren aikana voi tapahtua useita asioita, jotka vaikuttavat laitoksen investointitarpeisiin. Turvallisen sähköntuotannon varmistamiseksi eri laitososia on joko muokattava tai uusittava. Elinkaariajatteluun kuuluu tehokas laitoksen kunnon valvonta, laitoksen ikääntymiseen vaikuttavien ilmiöiden tunnistaminen, sekä ikääntymistä hillitsevien toimenpiteiden pitkän tähtäimen suunnittelu. Hyvällä ennakkosuunnittelulla pyritään varmistamaan se, että laitoksella voidaan tuottaa sähköä koko sen jäljellä olevan käyttöiän aikana. Kun tarpeiden tunnistus ja suunnittelu tehdään hyvissä ajoin mahdollistetaan myös investointien optimointi. Paras hyöty pyritään saamaan ajoittamalla oikeat investoinnit oikeaan aikaan.

Cascade hydropower capacity increase profitability analysis with optimisation modelling

The electricity market and climate are both undergoing a change. The changes impact hydropower and provoke an interest for hydropower capacity increases. In this thesis a new methodology was developed utilising short-term hydropower optimisation and planning software for better capacity increase profitability analysis accuracy. In the methodology income increases are calculated in month long periods while varying average discharge and electricity price volatility. The monthly incomes are used for constructing year scenarios, and from different types of year scenarios a long-term profitability analysis can be made. Average price development is included utilising a multiplier. The method was applied on Oulujoki hydropower plants. It was found that the capacity additions that were analysed for Oulujoki were not profitable. However, the methodology was found versatile and useful. The result showed that short periods of peaking prices play major role in the profitability of capacity increases. Adding more discharge capacity to hydropower plants that initially bypassed water more often showed the best improvements both in income and power generation profile flexibility.