Hybridilämmityksen vaikutus sähkön- ja lämmöntuotantoon

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää kaukolämmityksen rinnalla käytettävän toisen lämmitysmuodon, tässä tapauksessa sähkölämmityksen, vaikutusta sähkön- ja lämmöntuotantoon. Tämä tutkimus liittyy ¿Kehittyvä kaukolämpö -hankkeen pilottiosaan. Hankkeen pilottiosassa tutkitaan hybridilämmityksen kannattavuutta ja vaikutuksia sekä kuluttajan että yhdyskunnan kannalta. Tämätutkimus jatkaa jo aikaisemmin tehtyä tutkimusta 'Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset', jossa tutkittiin kaukolämmityksen taloudellisuutta kuluttajan kannalta elinkaarianalyysin avulla. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on määrittää hybridilämmityksen niin taloudelliset kuin ympäristölliset vaikutukset yhdyskunnan kannalta. Yhdyskunnan osalta vaikutuksia tarkasteltiin referenssikaupungin avulla. Referenssikaupungin alkuarvot perustuvat jo aiemmin tähän pilottiosaan tehtyyn tutkimukseen 'Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset'. Näitä arvoja hyväksi käyttäen referenssikaupungille perustettiin kaksi energian tuotantorakennemallia ja molemmille malleille kaksi eri skenaariota hybridilämmityksen kasvamisesta. Skenaarioissa otettiin huomioon myös päästökaupan vaikutukset. Molemmat skenaariot osoittivat päästökaupan vaikutukset mukaan luettuna, ettei sähkölämmityksen käyttäminen kaukolämmityksen ohella tuo ainoastaan yhdyskunnalle lisää tuotantokustannuksia, vaan se lisää myös päästöjä. Tulevaisuuden epävarmuutta analysoitiin herkkyysanalyysin avulla. Tutkimusta varten laadittiin tuontienergian ja kotimaisten polttoaineiden hinnoille kaksi skenaariota, joilla laskettiin vuositason tuotantokustannukset. Jokainen skenaario toi huomattavan lisän niin tuotantokustannuksiin kuin päästöihin. Eri skenaarioilla oli vaikutus kaukolämmön pysyvyyskäyrän muotoon ja näin myös voimalaitoksien käyttötunteihin. Laitoksien huipun käyttötunnit pienenevät ja tuotantokustannukset tuotettua energiayksikköä kohden kasvavat. Tapauksessa, jossa on edullista käyttää peruskuormalaitoksia mahdollisimman paljonvuoden aikana, hybridilämmityksen käyttäminen siirsi tilannetta päinvastaiseen suuntaan. Tämä suunta tarkoittaa sitä, että halpaa peruskuormatuotantoapitää korvata kalliimmalla ja enemmän päästöjä aiheuttavalla erillistuotannolla. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että mikäli sähkölämmityksen yleistyminen kaukolämmityksen rinnalla lisääntyy, aiheuttaa se yhdyskunnalle huomattavia lisäkustannuksia ja päästöjä. Yksi sähkölämmityksen käyttöä lisäävä tekijä on kuluttajien mielikuva. Kuluttajien mielikuva sähkölämmityksestä on, että se on asennuskustannuksiltaan edullinen ja helppo asentaa. Todellisuudessa sähkölämmityksen käyttäminen tuo odottamattomia lisäkustannuksia kuluttajille energiantuotantolaitoksien omien lisääntyvien tuotantokustannusten kautta. Nämä kustannukset voivat realisoitua esimerkiksi kohonneiden sähkön ja kaukolämmön energiamaksujen tai sähkön siirtomaksujen muodossa. Ainoastaan kuluttajien mielikuvien muuttamisella voidaan päästä yhdyskunnan kannalta taloudellisempaan ja ympäristöystävällisempään energiantuotantomalliin.

Uusiutuvan energian käyttömahdollisuudet Liikuntakeskus Pajulahdessa

Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston, Liikuntakeskus Pajulahden ja Nastolan Energiasäätiön yhteisprojektina. Työn tarkoituksena on tutkia aurinkosähköjärjestelmien taloudellista kannattavuutta ostosähkön korvaamisessa Liikuntakeskus Pajulahden kiinteistössä. Työssä tehdään laskelmat aurinkopaneelien tuotoista, tuotetun sähkön hinnasta, investointien takaisinmaksuajoista sekä tuotetun aurinkosähkön synnyttämistä hiilidioksidipäästövähenemistä. Lisäksi tarkastellaan energiaveron vaikutusta pientuotantolaitoksen kannattavuuteen. Tämän hetkisillä aurinkosähköjärjestelmien hinnoilla pystytään tuottamaan puhdasta, ympäristöystävällistä sähköä kilpailukykyiseen hintaan. Työssä tehdään yleiskatsaus myös muiden uusiutuviin energialähteisiin perustuvien tuotantomenetelmien käyttömahdollisuuksista. Yhtenä erityistarkastelunkohteena on Pajulahden monitoimihalliin vuonna 2008 suunniteltu vesistöä lämmönlähteenä käyttävä lämpöpumppujärjestelmä, jonka toteutukseen ei saatu tarvittavia lupia. Tarkastelussa tutkitaan myös aiemmin Suomessa toteutettuja vastaavia hankkeita ja niiden lupien saantia. Lisäksi on haettu tosiasioihin perustuvia argumentteja keskusteluun vesistölämmön hyödyntämisestä. Tarkastelun kohteena oleva vesistölämpöhanke voidaan todeta olevan erittäin kannattava, taloudellisesti sekä ympäristöllisesti. Tutkimuksen pohjalta Nastolan Energiasäätiölle tuotetaan havainnollinen ja selkeä aineisto aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksista Nastolan kunnassa.

Kaukolämpöliiketoiminnan kehittäminen Mäntsälän Sähkö osakeyhtiössä

Tämän diplomityön tarkoitus oli selvittää Mäntsälän Sähkö Oy:n kaukolämpöliiketoiminnan nykytila ja kehityskohteet. Tutkimuskysymykset olivat: 1) Millaisilla toimenpiteillä varmistetaan kaukolämpöliiketoiminnan kannattavuus tulevaisuudessa? ja 2) Millaisia mahdollisuuksia älykäs kaukolämpö tuo kaukolämpöliiketoiminnalle? Tutkimus suoritettiin perehtymällä aiheen kirjallisuuteen ja uutisiin. Takaisinmaksuajan menetelmällä arvioitiin maakaasun korvaamisen kannattavuutta. Työn tuloksena voitiin todeta, että kaukolämmön hinnoittelua kannattaa kehittää kustannusvastaavampaan suuntaan. Nykyinen kaukolämmön energiankulutukseen painottuva hinnoittelu ei sovi uusille rakennuksille, jotka kuluttavat vähän energiaa. Yleistyvät hybridilämmitysjärjestelmät on otettava huomioon hinnoittelussa. Kaukolämmön kausihinnoittelu toisi etuja asiakkaalle, kaukolämpöyhtiölle sekä ympäristölle. Kaukolämmön kulutuksen tuntimittaus mahdollistaisi siirtymisen kaukolämpötehoon perustuvaan hinnoitteluun. Kaukolämmön hinta on ollut Mäntsälän Sähkö Oy:llä suhteellisen korkea. Korkea hinta johtuu enimmäkseen maakaasulla tuotetun kaukolämmön korkeista tuotantokustannuksista. Kaukolämmön tuotantoa voidaan kehittää kannattavammaksi, vaikka lämmöntalteenottolaitoksen oletettu lämmöntuotanto kattaa Mäntsälän lämmöntarpeesta noin puolet ja vähentää tuotantokustannuksia. Nykyisten maakaasukattiloiden käyttäminen pelletin pölypolttoon olisi teknisten muutoksien avulla mahdollista. Pölypolton kannattavuus riippuu erityisesti puupelletin ja maakaasun hintaerosta. Älykäs kaukolämpöjärjestelmä voisi automaattisesti tasoittaa kaukolämmön kysyntää yhdessä lämpövaraston kanssa. Tällöin huippulämpölaitosten käyttö vähentyisi ja lämmöntuotannon kustannukset pienentyisivät. Älykäs kaukolämpöjärjestelmä ja kaukolämpötehon tuntimittaus mahdollistaisivat myös kaksisuuntaisen kaukolämpökaupan.

Opistorakennusten energiatehokkuuden parantaminen

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää Kymenlaakson Opiston energiatehokkuuden parantamista ja tutkia onko olemassa selvästi taloudellisempi sekä ekologisempi tapa kattaa Opiston lämmitystarve verrattuna nykyisin käytössä olevaan kaukolämpöön. Työn teoriaosuudessa tehdään katsaus rakennusten energiatehokkuuteen vaikuttaviin seikkoihin, lähienergian tuotantoon ja energiatehokkuuden parantamiseen liittyvään lainsäädäntöön ja säädöksiin. Useasta rakennuksesta koostuva kansanopisto tarjoaa mielenkiintoisen pohjan selvitystyölle ja suuri lämmitystehontarve yhdistettynä monille saneerauskohteille tyypillisiin ahtaisiin teknisiin tiloihin asettaa rajoituksia lämmitysjärjestelmän suunnittelulle. Soveltavassa osuudessa määritellään reunaehdot mahdolliselle kaukolämmön korvaavalle lämmitysratkaisulle. Tutkitaan vesistölämmön hyödyntämisen mahdollisuutta ja lasketaan aurinkosähkön ja -lämmön tuotantopotentiaalia. Maalämpöjärjestelmän mitoituksessa ja taloudellisessa vertailussa käytettiin apuna maalämpöjärjestelmiä toimittavia yrityksiä. Työssä saatujen tulosten perusteella maalämpöjärjestelmä on taloudellisesti kannattava isossa kohteessa, tosin järjestelmän asennukseen liittyy ahtaiden tilojen johdosta ongelmia. Maalämpö on myös selvästi ekologisempi, kuin nykyisin käytössä oleva kaukolämpö. Aurinkosähkön tuotannolle on Kymenlaakson Opistolla hyvä potentiaali ja sähkön tuotanto kohtaa hyvin sähkön käytön.

Experimental and numerical studies of hybrid PCM embedded in plastering mortar for enhanced thermal behaviour of buildings

This paper proposes a methodology for improvement of energy efficiency in buildings through the innovative simultaneous incorporation of three distinct phase change materials (here termed as hybrid PCM) in plastering mortars for façade walls. The thermal performance of a hybrid PCM mortar was experimentally evaluated by comparing the behaviour of a prototype test cell (including hybrid PCM plastering mortar) subjected to realistic daily temperature profiles, with the behaviour of a similar prototype test cell, in which no PCM was added. A numerical simulation model was employed (using ANSYS-FLUENT) to validate the capacity of simulating temperature evolution within the prototype containing hybrid PCM, as well as to understand the contribution of hybrid PCM to energy efficiency. Incorporation of hybrid PCM into plastering mortars was found to have the potential to significantly reduce heating/cooling temperature demands for maintaining the interior temperature within comfort levels when compared to normal mortars (without PCM), or even mortars comprising a single type of PCM.

Incorporation of hybrid phase change materials in plastering mortars for increased energy efficiency in buildings

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil.

Economics of Hybrid Photovoltaic Power Plants

The global power supply stability is faced to several severe and fundamental threats, in particular steadily increasing power demand, diminishing and degrading fossil and nuclear energy resources, very harmful greenhouse gas emissions, significant energy injustice and a structurally misbalanced ecological footprint. Photovoltaic (PV) power systems are analysed in various aspects focusing on economic and technical considerations of supplemental and substitutional power supply to the constraint conventional power system. To infer the most relevant system approach for PV power plants several solar resources available for PV systems are compared. By combining the different solar resources and respective economics, two major PV systems are identified to be very competitive in almost all regions in the world. The experience curve concept is used as a key technique for the development of scenario assumptions on economic projections for the decade of the 2010s. Main drivers for cost reductions in PV systems are learning and production growth rate, thus several relevant aspects are discussed such as research and development investments, technical PV market potential, different PV technologies and the energetic sustainability of PV. Three major market segments for PV systems are identified: off-grid PV solutions, decentralised small scale on-grid PV systems (several kWp) and large scale PV power plants (tens of MWp). Mainly by application of ‘grid-parity’ and ‘fuel-parity’ concepts per country, local market and conventional power plant basis, the global economic market potential for all major PV system segments is derived. PV power plant hybridization potential of all relevant power technologies and the global power plant structure are analyzed regarding technical, economical and geographical feasibility. Key success criteria for hybrid PV power plants are discussed and comprehensively analysed for all adequate power plant technologies, i.e. oil, gas and coal fired power plants, wind power, solar thermal power (STEG) and hydro power plants. For the 2010s, detailed global demand curves are derived for hybrid PV-Fossil power plants on a per power plant, per country and per fuel type basis. The fundamental technical and economic potentials for hybrid PV-STEG, hybrid PV-Wind and hybrid PV-Hydro power plants are considered. The global resource availability for PV and wind power plants is excellent, thus knowing the competitive or complementary characteristic of hybrid PV-Wind power plants on a local basis is identified as being of utmost relevance. The complementarity of hybrid PV-Wind power plants is confirmed. As a result of that almost no reduction of the global economic PV market potential need to be expected and more complex power system designs on basis of hybrid PV-Wind power plants are feasible. The final target of implementing renewable power technologies into the global power system is a nearly 100% renewable power supply. Besides balancing facilities, storage options are needed, in particular for seasonal power storage. Renewable power methane (RPM) offers respective options. A comprehensive global and local analysis is performed for analysing a hybrid PV-Wind-RPM combined cycle gas turbine power system. Such a power system design might be competitive and could offer solutions for nearly all current energy system constraints including the heating and transportation sector and even the chemical industry. Summing up, hybrid PV power plants become very attractive and PV power systems will very likely evolve together with wind power to the major and final source of energy for mankind.

Hybrid fault detection and isolation in an heater bank of an HVAC system

In this work a hybrid technique that includes probabilistic and optimization based methods is presented. The method is applied, both in simulation and by means of real-time experiments, to the heating unit of a Heating, Ventilation Air Conditioning (HVAC) system. It is shown that the addition of the probabilistic approach improves the fault diagnosis accuracy.

Study of a hybrid solid oxide fuel cell: Energetic analysis and sankey diagram

In this paper a hybrid solid oxide fuel cell (SOFC) system is analyzed. This system applies a combined cycle utilizing gas turbine associated to a SOFC for rational decentralized energy production. Initially the relative concepts about the fuel cell are presented, followed by some chemical and technical informations such as the change of Gibbs free energy in isothermal fuel oxidation (or combustion) directly into electricity. This represents a very high fraction of the lower heating value (LHV) of a hydrocarbon fuel. In the next step a methodology for the study of SOFC associated with a gas turbine system is developed, considering the electricity and steam production for a hospital, as regard to the Brazilian conditions. This methodology is applied to energetic analysis. Natural gas is considered as a fuel. In conclusion, it is shown by a Sankey Diagram that the hybrid SOFC system may be an excellent opportunity to strengthen the decentralized energy production in Brazil. It is necessary to consider that the cogeneration in this version also is a sensible alternative from the technical point of view, demanding special methods of design, equipment selection and mainly of the contractual deals associated to electricity and fuel supply.

Luminescent properties of hybrid materials prepared by the polymeric precursor method

Rare earth complexes (RE) can be incorporated in silica matrixes, originating organic/inorganic hybrid materials with good thermal stability and high rare earth emission lines. In this work, the hybrid material was obtained by the polymeric precursor method and ultrasonic dispersed with spherical silica particles prepared by the Stöber Method. The Raman spectra indicated that the Eu3+ ions are involved in a polymeric structure formed as consequence of the chelation and polyesterification reactions of this ion with citric acid and ethylene glycol. After the ultrasonic stirring, 2-hydroxynicotinic ligand will also compose this polymeric rigid structure. The TGA/DTA analysis showed that this polymeric material was thermal decomposed at 300 °C. Moreover, this process allows the chelating process of the 2-hydroxynicotinic acid ligand to the Eu3+ ions. The 29Si NMR showed that the ultrasonic dispersion of the reactants was not able to promote the functionalization of the silica particles with the 2-hydroxynicotinic acid ligand. Moreover, heat treatment promotes the [Eu(HnicO2)3] complex particles incorporation into silica pores. At this temperature, the TGA curve showed that only the thermal degradation of ethylene glycol and citric acid used during the experimental procedure occurs. The silica and hybrid materials are composed by spherical and aggregated particles with particle size of approximately 450 nm, which can be influenced by the heat treatment. These materials also present an absorption band located at 337 nm. The photoluminescent study showed that when the hybrid samples were excited at 337 nm wavelength, the ligand absorbs the excitation light. Part of this energy is transferred to the Eu3+ ion, which main emission, 5D0→ 7F2, is observed in the emission spectrum at 612 nm. As the heating temperature increases to 300 C, the energy transfer is more favorable. The lifetime values showed that the Eu3+ emission is enhanced due to the energy transfer process in the powders. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Conceptual design of offshore platform supply vessel based on hybrid diesel generator-fuel cell power plant

Nowadays increasing fuel prices and upcoming pollutant emission regulations are becoming a growing concern for the shipping industry worldwide. While fuel prices will keep rising in future years, the new International Convention for the Prevention of Pollution from Ships (MARPOL) and Sulphur Emissions Control Areas (SECA) regulations will forbid ships to use heavy fuel oils at certain situations. To fulfil with these regulations, the next step in the marine shipping business will comprise the use of cleaner fuels on board as well as developing new propulsion concept. In this work a new conceptual marine propulsion system is developed, based on the integration of diesel generators with fuel cells in a 2850 metric tonne of deadweight platform supply vessel. The efficiency of the two 250 kW methanol-fed Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) system installed on board combined with the hydro dynamically optimized design of the hull of the ship will allow the ship to successfully operate at certain modes of operation while notably reduce the pollutant emissions to the atmosphere. Besides the cogeneration heat obtained from the fuel cell system will be used to answer different heating needs on board the vessel

Heat Dissipation of Hybrid Iron Oxide-Gold Nanoparticles in an Agar Phantom

Hybrid iron oxide-gold nanoparticles (HNPs) have shown potential in cancer therapy as agents for tumour ablation
and thermal switches for targeted drug release. Heat generation occurs by exploitation of the surface plasmon
resonance of the gold coating, which usually occurs at the maximum UV absorption wavelength. However, lasers
at such wavelength are often expensive and highly specialised. Here, we report the heating and monitoring of heat
dissipation of HNPs suspended in agar phantoms using a relatively inexpensive Ng: YAG pulsed 1064 nm laser source.
The particles experience heating of up to 40°C with a total area of heat dissipation up to 132.73 mm2 from the 1 mm
diameter irradiation point after 60 seconds. This work reports the potential and possible drawbacks of these particles
for translation into cancer therapy based on our findings.

Ionospheric Turbulence Near the Upper Hybrid Layer: Theory and Experiment

The thesis presents experimental results, simulations, and theory on turbulence excited in magnetized plasmas near the ionosphere’s upper hybrid layer. The results include: The first experimental observations of super small striations (SSS) excited by the High-Frequency Auroral Research Project (HAARP) The first detection of high-frequency (HF) waves from the HAARP transmitter over a distance of 16x10^3 km The first simulations indicating that upper hybrid (UH) turbulence excites electron Bernstein waves associated with all nearby gyroharmonics Simulation results that indicate that the resulting bulk electron heating near the upper hybrid (UH) resonance is caused primarily by electron Bernstein waves parametrically excited near the first gyroharmonic. On the experimental side we present two sets of experiments performed at the HAARP heating facility in Alaska. In the first set of experiments, we present the first detection of super-small (cm scale) striations (SSS) at the HAARP facility. We detected density structures smaller than 30 cm for the first time through a combination of satellite and ground based measurements. In the second set of experiments, we present the results of a novel diagnostic implemented by the Ukrainian Antarctic Station (UAS) in Verdansky. The technique allowed the detection of the HAARP signal at a distance of nearly 16 Mm, and established that the HAARP signal was injected into the ionospheric waveguide by direct scattering off of dekameter-scale density structures induced by the heater. On the theoretical side, we present results of Vlasov simulations near the upper hybrid layer. These results are consistent with the bulk heating required by previous work on the theory of the formation of descending artificial ionospheric layers (DIALs), and with the new observations of DIALs at HAARP’s upgraded effective radiated power (ERP). The simulations that frequency sweeps, and demonstrate that the heating changes from a bulk heating between gyroharmonics, to a tail acceleration as the pump frequency is swept through the fourth gyroharmonic. These simulations are in good agreement with experiments. We also incorporate test particle simulations that isolate the effects of specific wave modes on heating, and we find important contributions from both electron Bernstein waves and upper hybrid waves, the former of which have not yet been detected by experiments, and have not been previously explored as a driver of heating. In presenting these results, we analyzed data from HAARP diagnostics and assisted in planning the second round of experiments. We integrated the data into a picture of experiments that demonstrated the detection of SSS, hysteresis effects in simulated electromagnetic emission (SEE) features, and the direct scattering of the HF pump into the ionospheric waveguide. We performed simulations and analyzed simulation data to build the understanding of collisionless heating near the upper hybrid layer, and we used these simulations to show that bulk electron heating at the upper hybrid layer is possible, which is required by current theories of DAIL formation. We wrote a test particle simulation to isolate the effects of electron Bernstein waves and upper hybrid layers on collisionless heating, and integrated this code to work with both the output of Vlasov simulations and the input for simulations of DAIL formation.