Experimental results and thermodynamic analysis of a natural gas small scale cogeneration plant for power and refrigeration purposes

In this work, experimental results are reported for a small scale cogeneration plant for power and refrigeration purposes. The plant includes a natural gas microturbine and an ammonia/water absorption chiller fired by steam. The system was tested under different turbine loads, steam pressures and chiller outlet temperatures. An evaluation based on the 1st and 2nd Laws of Thermodynamics was also performed. For the ambient temperature around 24°C and microturbine at full load, the plant is able to provide 19 kW of saturated steam at 5.3 bar (161 °C), corresponding to 9.2 kW of refrigeration at -5 °C (COP = 0.44). From a 2nd law point-of-view, it was found that there is an optimal chiller outlet temperature that maximizes the chiller exergetic efficiency. As expected, the microturbine presented the highest irreversibilities, followed by the absorption chiller and the HRSG. In order to reduce the plant exergy destruction, it is recommended a new design for the HRSG and a new insulation for the exhaust pipe. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Development of a small-scale trigeneration plant based on a CI engine fuelled by neat non-edible plant oil

This study presents design and construction of a tri-generation system (thermal efficiency, 63%), powered by neat nonedible plant oils (jatropha, pongamia and jojoba oil or standard diesel fuel), besides studies on plant performance and economics. Proposed plant consumes fuel (3 l/h) and produce ice (40 kg/h) by means of an adsorption refrigerator powered from the engine waste jacket water heat. Potential savings in green house gas (GHG) emissions of trigeneration system in comparison to cogeneration (or single generation) has also been discussed.

Competitiveness Survey of a Biofuel Power Plant

Työn tarkoituksena on tarkastella Euroopan siirtymätalousalueelta kotimaisen biopoltto-ainevoimalaitoksen kilpailukykyä potentiaalisimmiksi markkinakohteiksi arvioitujen nykyisten Eu-valtioiden osalta. Työ tehdään osana kokoluokaltaan 3,5 MWth/1,0 MWe pienvoimalaitoksen tuotekehityshanketta, joka on käynnistynyt Varkaudessa tämän vuoden maaliskuussa. Potentiaalisimpien siirtymätalousmaiden valintakriteereinä on käytetty aiempia tutkimuksia ja raportteja. Huomio keskitetään kiinteän biopolttoaineen resursseihin ja biopolttoaineisiin pohjautuvalle energiantuotannolle asetettuihin tavoitteisiin. Edellä mainittujen kriteerien pohjalta tarkasteltaviksi valittujen valtioiden osalta tehtiin tarkemmat kilpailukykyanalyysit, otettiin yhteyttä markkina-alueeltaalan ammattilaisiin ja kartoitettiin potentiaalisimmat markkinakohteet. Tavoitteena on arvioida varteenotettavin kilpailija kiinteisiin biopolttoaineisiin pohjautuvalle sähkön ja lämmön yhteistuotannolle, jonka perusteella laaditaan mallivoimalaitoksen kilpailukykyisen hinnan määrittämiseksi tiettyyn takaisinmaksuaikaan ja korkotekijään perustuen. Lopulta tehdään maakohtaisesti yhteenveto merkittävimmistä markkinapotentiaaliin vaikuttavista kilpailutekijöistä, arvioidaan potentiaalisin kohdemaa sekä esitetään mahdollinen investoinnin rahoitusvaihtoehto ja keinoja markkinoida tuotetta potentiaalisille asiakkaille.

Feasibility Study and Market Review of Small Scale Bioenergy Heating Plants in North-West Russia

The paper is focused on feasibility study and market review of small scale bioenergy heating plants in the Russian North-West region. The main focus is effective and competitive usage of low-grade wood for heating purposes in the region. As example of economical feasibility estimation it was chosen the project of reconstruction of small scale boiler plant in Leningrad region that Brofta Oy is planning to implement the nearest time. It includes calculation the payback time with and without interest, the estimation of probable investments, the evaluation of possible risks and research on the potential of small scale heating plants projects. Calculations show that the profitability of this kind of projects is high, but payback time is not very short, because of high level of initial investments. Though, the development of small scale bioenergy heating plants in the region is considered to be the best way to solve the problems of heat supply in small settlements using own biomass resources.

Pienten biopolttoainevoimalaitosten markkinaselvitys

Tässä diplomityössä kartoitetaan pienten kiinteää biopolttoainetta käyttävien yhteistuotantolaitosten kilpailukykyä kuuden Euroopan maan osalta. Potentiaalisimmiksi arvioidut maat, Alankomaat, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Puola ja Tanska, valittiin aiemmin tehtyjen markkinaselvitysten perusteella. Työ sisältää kootut katsaukset näiden maiden energiamarkkinoihin, energiapolitiikan suuntaviivoihin sekä kussakin maassa käytössä oleviin bioenergian käytön edistämiseen tähtääviin tuki- ja ohjausmuotoihin. Työn yhtenä tavoitteena oli selvittää paljonko kiinteää biopolttoainetta käyttävä 3,5MWth/1MWe -kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitos saa asiakkaalle maksaa, kun tarkasteltavan maan energiamarkkinoiden ja asiakkaan energiantarpeen asettamat reunaehdot huomioidaan. Investoinnin kannattavuusrajaa selvitettiin yksinkertaisen takaisinmaksuaikaan perustuvan vertailumallin avulla, jossa asiakkaan energianhankintavaihtoehtona voimalaitoshankinnan lisäksi oli hake- tai maakaasulämpölaitoksen hankinta ja ostosähkö. Selvityksen perusteella otollisimmat markkinat tarkastellulle voimalaitokselle näyttäisivät olevan Itävallassa, Italiassa ja Tanskassa. Pienen kiinteän biopolttoaineen yhteistuotantolaitoksen kannattava maksimi-investointikustannus oli näissä maissa mm. kalliista markkinasähköstä johtuen tasolla, johon jo nykyisillä voimalaitosten rakentamiskustannuksilla on mahdollista päästä. Lisäksi näissä maissa kannustettiin viranomaistoimenpitein kiinteän biopolttoaineen ja yhteistuotannon käyttöön ja energiapolitiikan tavoitteeksi oli asetettu tuotannon merkittävä lisääminen tulevaisuudessa.

Uudisrakennusalueen lämmitysratkaisujen valinta – tulevaisuuden haasteet ja niihin vastaaminen

Matalaenergiarakentaminen asettaa uudenlaisia haasteita ja mahdollisuuksia lämpöenergian tuotannolle. Lämmitysjärjestelmien mitoitustehot eivät laske samassa suhteessa kuin lämmitysenergiankulutus, mikä suosii alhaisia investointeja muuttuvien kulujen kustannuksella. Työssä tutkittiin viittä vaihtoehtoista tapaa tuottaa kohdealueen rakennuskannan vuotuinen lämpöenergiantarve. Kohdealue koostui pääasiallisesti matalaenergiakerrostaloista. Neljä vaihtoehtoa perustui kaukolämpöön ja yksi matalaenergiaverkkoon varustettuna kiinteistökohtaisilla lämpöpumpuilla. Lähialueen jätevedenpuhdistamolle sijoitettu keskitetty lämpöpumppuratkaisu muodostui kokonaiskustannuksiltaan edullisimmaksi vaihtoehdoksi tuottaa kohdealueen rakennuskannan lämpöenergiantarve. Haketta polttoaineenaan käyttävä pien-CHPlaitos omasi vastaavasti pienimmän hiilijalanjäljen, mutta oli kustannusrakenteeltaan epäedullinen. Kohdealue ja vaihtoehtoiset lämmitysjärjestelmät mallinnettiin GaBi 4.3 elinkaarimallinnusohjelmistolla vaihtoehtojen hiilijalanjälkien selvittämiseksi.

Genetic composition, genetic diversity, and small-scale environmental variation matter for the experimental reintroduction of a rare plant

Aims Reintroduction has become an important tool for the management of endangered plant species. We tested the little-explored effects of small-scale environmental variation, genotypic composition (i.e. identity of genotypes), and genotypic diversity on the population survival of the regionally rare clonal plant Ranunculus reptans. For this species of periodically inundated lakeshores genetic differentiation had been reported between populations and between short-flooded and long-flooded microsites within populations.Methods We established 306 experimental test populations at a previously unoccupied lake shore, comprising either monocultures of 32 genotypes, mixtures of genotypes within populations or mixtures of genotypes between populations. In 2000, three years after planting out at the experimental site, a long-lasting flood caused the death of half of the experimental populations. In 2003, an extreme drought resulted in the lowest summer water levels ever measured.Important findings Despite these climatic extremes, 27 of the established populations survived until the end of the experiment in December 2003. The success of experimental populations largely differed between microsites. Moreover, the success of genotype monocultures depended on genotype and source population. Genetic differentiation between microsites played a minor role for the success of reintroduction. After the flood, populations planted with genotypes from different source populations increased in abundance, whereas populations with genotypes from single source populations and genotype monocultures decreased. We conclude that sources for reintroductions need to be selected carefully. Moreover, mixtures of plants from different populations appear to be the best choice for successful reintroduction, at least in unpredictably varying environments.

Extraction and purification of total RNA from banana tissues (small scale)

Introduction. This protocol aims at preparing total RNA for gene expression analysis by Northern blots, RT-PCR and real-time quantitative PCR; cDNA isolation by RTPCR; and cDNA library construction. The principle, key advantages, starting plant material, time required for obtaining total RNA and expected results are presented. Materials and methods. This part describes the required materials and the 27 steps necessary for preparing RNA from peel and pulp fruit tissue: preparation of plant tissue powder, preparation of the complete RNA extraction buffer and isolation of RNA from ground banana fruit tissue. Results. Extraction of total RNA by the method described makes it possible to achieve electrophoresis under denatured conditions and in vitro reverse transcription. An example for Northern blot analysis is illustrated.

Pienen mittakaavan CHP-laitokset osana hiilineutraalia maaseutuyhteiskuntaa

Maapallon ilmasto lämpenee koko ajan kasvihuonekaasujen määrän lisääntyessä ilmakehässä. Merkittävin ihmisten aiheuttama päästöjen lähde on fossiilisten polttoaineiden käyttö energiantuotannossa ja liikenteessä, jonka vuoksi on tärkeää lisätä uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää esimerkkialueena olevan maaseutuyhteiskunnan mahdollisuutta olla energiaomavarainen ja materiaalikierroiltaan suljettu, jos alueen tarvitsema sähkö ja lämpö tuotettaisiin paikallisilla biomassavaroilla kahdella rinnakkaisella pienen mittakaavan CHP-laitoksella. Tarkastellut laitokset olivat anaerobisen mädätyksen ja polttokennojen yhdistelmä sekä termisen käsittelyn ja ORC-prosessin yhdistelmä. Työssä tehdyt laskelmat osoittivat, että esimerkkialue saisi tuotettua omilla biomassavaroillaan tarvitsemastaan sähköstä 75 % ja lämmöstä 90 % esimerkkilaitosten avulla. Laskelmissa ei kuitenkaan huomioitu kesä- ja talvikuukausien välistä eroa lämmön kulutuksessa, jonka vuoksi molemmat laitokset eivät voisi toimia koko ajan täydellä teholla. Lisäksi tuotetun lämmön hyötykäyttöä rajoittaa riittävän laajan kaukolämpöverkon puuttuminen esimerkkialueelta. Nykyisen kaukolämpöverkon avulla saataisiin hyödynnettyä vain kolmasosa ORC-prosessilla tuotetusta lämpöenergiasta. Laskelmat osoittivat myös, että alueen kasvihuonekaasupäästöt pienenisivät 21 % eli noin 6 000 hiilidioksidiekvivalenttitonnia vuodessa, jos suurin osa energiasta tuotettaisiin omista biomassavaroista CHP-laitosten avulla ja mädätyksen seurauksena syntyvä reaktorijäännös korvaisi kemiallisten lannoitteiden käytön.

Small scale energy production in Helsinki Metropolitan area in emission trading point of view

Emission trading with greenhouse gases and green certificates are part if the climate policy the main target of which is reduce greenhouse gas emissions. The carbon dioxide and fine particle emissions of energy production in Helsinki Metropolitan area are calculated in this study. The analysis is made mainly by district heating point of view and the changes of the district heating network are assessed. Carbon dioxide emissions would be a bit higher, if the district heating network is expanded, but then the fine particle emissions would be much lower. Carbon dioxide emissions are roughly 10 % higher, if the district heating network is expanded at same rate as it has in past five years in the year 2030. The expansion of district heating network would decrease the fine particle emissions about 40 %. The cost of the expansion is allocated to be reduction cost of the fine particle emissions, which is considerably higher than the traditional reduction methods costs. The possible new nuclear plant would reduce the emissions considerably and the costs of the nuclear plant would be relatively low comparing the other energy production methods.

Pienen kokoluokan CHP-tuotannon kannattavuus kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä

Fossiiliset polttoainevarannot ovat ehtymässä. Nykyisen talouskasvumme perustuessa fossiilisten polttoaineiden kestämättömään käyttöön, on energiantuotantorakenteen muututtava. Euroopan Unioni on asettanut tavoitteet uusiutuvan energian osuuden lisäämiseksi. Näistä syistä johtuen kiinnostus uusiutuvaa energiaa ja hajautettua energiantuotantoa kohtaan on kasvanut viime aikoina. Tämän globaalin ilmiön rinnalla yhteiskuntarakenteen muutos Suomessa on johtanut tilanteeseen, jossa taloudellinen aktiviteetti kasvukeskusten ulkopuolella on hiipumassa. Loogisena ratkaisumallina on syntynyt hankkeita kuten Keski-Karjalan Kehitysyhtiö Oy:n Puhos 2013 - ympäristöalasta uutta liiketoimintaa - hanke. Tämä työ on Puhos 2013 - hankkeeseen tilattu tutkimus, jonka tavoitteena on puuta ja biokaasua polttoaineenaan käyttävän mikroturbiinitekniikkaan pohjautuvan pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuden selvittäminen kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä. Tutkimuksessa selvitettiin aluksi pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuteen vaikuttavat tekijät, jonka jälkeen opittua tietoa sovellettiin Kiteen Lämmön Arppentien lämpölaitoksen tapaukseen. Kiteen Lämmön taloudellisen kannattavuuden ohella tutkimuksessa huomioitiin uusien liiketoiminta mahdollisuuksien syntyminen alueelle. Käytetyt tutkimusmenetelmät olivat kvalitatiivinen analyysi ja perinteinen investoinnin kannattavuuslaskenta. Tutkimuksen tuloksena muodostettiin strategia, joka maksimoi molemmat edellä mainitut kannattavuuden näkökulmat. Kehitetyn strategian Kiteen Lämmön tulosta maksimoiva osuus muodostuu oman käyttösähkön tuottamisen aloittamisesta Arppentien lämpölaitoksella 30 kWe mikroturbiinilla käyttäen polttoaineena Bio10 Oy:n toimittamaa biokaasua. Uusien liiketoiminta mahdollisuuksien synty alueelle mahdollistetaan puolestaan kehittämällä puun kaasutukseen perustuva modulaarinen CHP laitos yhteistyössä Mekrijärven tutkimusaseman ja suomalaisten laitevalmistajien kanssa.

Decentralized management of organic household wastes in the Kathmandu Valley using small-scale composting reactors

The sustainable management of municipal solid waste in the Kathmandu Valley has always been a challenging task. Solid waste generation has gone rapidly high in the Kathmandu Valley over the last decade due to booming population and rapid urbaniza-tion. Finding appropriate landfill sites for the disposal of solid wastes generated from the households of the Kathmandu Valley has always been a major problem for Nepalese government. 65 % of total generated wastes from the households of Nepal consist of organic materials. As large fractions of generated household wastes are organic in na-ture, composting can be considered as one of the best sustainable ways to recycle organ-ic wastes generated from the households of Nepal. Model Community Society Development (MCDS), a non-governmental organization of Nepal carried out its small-scale project in five households of the Kathmandu Valley by installing composting reactors. This thesis is based on this small-scale project and has used secondary data provided by MCDS Nepal for carrying out the study. Proper man-agement of organic wastes can be done at household levels through the use of compost-ing reactors. The end product compost can be used as soil conditioners for agricultural purposes such as organic farming, roof-top farming and gardening. The overall average organic waste generation in the Kathmandu Valley is found to be 0,23 kg/person/day and the total amount of organic household wastes generated in the Kathmandu Valley is around 210 Gg/yr. Produced composts from five composting reac-tors contain high amount of moistures but have sufficient amount of nutrients required for the fertility of land and plant growth. Installation of five composting reactors in five households have prevented 2,74 Mg of organic wastes going into the landfills, thus re-ducing 107 kg of methane emissions which is equivalent to 2,7 Mg of carbondioxide.

Changes in species composition in alpine snowbeds with climate change inferred from small-scale spatial patterns

Alpine snowbeds are characterised by a very short growing season. However, the length of the snow-free period is increasingly prolonged due to climate change, so that snowbeds become susceptible to invasions from neighbouring alpine meadow communities. We hypothesised that spatial distribution of species generated by plant interactions may indicate whether snowbed species will coexist with or will be out-competed by invading alpine species – spatial aggregation or segregation will point to coexistence or competitive exclusion, respectively. We tested this hypothesis in snowbeds of the Swiss Alps using the variance ratio statistics. We focused on the relationships between dominant snowbed species, subordinate snowbed species, and potentially invading alpine grassland species. Subordinate snowbed species were generally spatially aggregated with each other, but were segregated from alpine grassland species. Competition between alpine grassland and subordinate snowbed species may have caused this segregation. Segregation between these species groups increased with earlier snowmelt, suggesting an increasing importance of competition with climate change. Further, a dominant snowbed species (Alchemilla pentaphyllea) was spatially aggregated with subordinate snowbed species, while two other dominants (Gnaphalium supinum and Salix herbacea) showed aggregated patterns with alpine grassland species. These dominant species are known to show distinct microhabitat preferences suggesting the existence of hidden microhabitats with different susceptibility to invaders. These results allow us to suggest that alpine snowbed areas are likely to be reduced as a consequence of climate change and that invading species from nearby alpine grasslands could outcompete subordinate snowbed species. On the other hand, microhabitats dominated by Gnaphalium or Salix seem to be particularly prone to invasions by non-snowbed species.

Temporal and small-scale spatial variation in grassland productivity, biomass quality, and nutrient limitation

Characterization of spatial and temporal variation in grassland productivity and nutrition is crucial for a comprehensive understanding of ecosystem function. Although within-site heterogeneity in soil and plant properties has been shown to be relevant for plant community stability, spatiotemporal variability in these factors is still understudied in temperate grasslands. Our study aimed to detect if soil characteristics and plant diversity could explain observed small-scale spatial and temporal variability in grassland productivity, biomass nutrient concentrations, and nutrient limitation. Therefore, we sampled 360 plots of 20 cm × 20 cm each at six consecutive dates in an unfertilized grassland in Southern Germany. Nutrient limitation was estimated using nutrient ratios in plant biomass. Absolute values of, and spatial variability in, productivity, biomass nutrient concentrations, and nutrient limitation were strongly associated with sampling date. In April, spatial heterogeneity was high and most plots showed phosphorous deficiency, while later in the season nitrogen was the major limiting nutrient. Additionally, a small significant positive association between plant diversity and biomass phosphorus concentrations was observed, but should be tested in more detail. We discuss how low biological activity e.g., of soil microbial organisms might have influenced observed heterogeneity of plant nutrition in early spring in combination with reduced active acquisition of soil resources by plants. These early-season conditions are particularly relevant for future studies as they differ substantially from more thoroughly studied later season conditions. Our study underlines the importance of considering small spatial scales and temporal variability to better elucidate mechanisms of ecosystem functioning and plant community assembly.