Maakaasua ja Metanolia Käyttävien Kiinteäoksidipolttokennojen (SOFC) Käyttö Laivoissa

Kiinteäoksidipolttokennot (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) sopivat hyvin sähköntuotantoon kaiken kokoisilla aluksilla. Sen vuoksi opinnäytetyön tavoitteena on tutkia, miten hyvin ne sopivat laivakäyttöön, kun polttoaineena on metanoli tai maakaasu. Nykyisellään polttokennojen käyttäminen suurten laivojen propulsiovoimanlähteenä ei liian pienen volumetrisen tehotiheyden vuoksi onnistu, mutta jokilaivatyyppisillä aluksilla tekniikkaa on testattu menestyksekkäästi. Opinnäytetyötä kirjoitettaessa polttokennoihin liittyvää suomenkielistä materiaalia oli saatavilla vähän. Sen vuoksi tutkimuksen tärkeimmäksi tavoitteeksi asetettiin suomenkielisen polttokennotiedon tuottaminen. Keskeisinä menetelminä käytettiin kirjallisuuteen perehtymistä sekä suoritettiin kahden viikon pituinen uusiutuvien energioiden intensiivikurssi Fachhochschule Stralsundissa huhtikuussa 2011. Opintomatkan yhteydessä vierailtiin Hannover Messe-teknologiamessuilla. Aluksi työssä käydään läpi polttokennojen teoriaa, tyyppejä ja rakennetta. Tämän jälkeen siirrytään tarkastelemaan SOFC-kennoille sopivia polttoaineita ja niiden aiheuttamia päästöjä erityisesti meriliikenteen kannalta sekä polttokennojen käyttöä laivoissa ja siihen liittyvää säännöstöä. Lopuksi tutkitaan kiinteäoksidipolttokennojen yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa ja verrataan polttokennoja polttomoottoreihin. Opinnäytetyö on koostettu alan kirjallisuudesta, Internet-julkaisuista sekä Saksan opintomatkan materiaaleista. Tutkimus on suunnattu polttokennotekniikan oppimateriaaliksi Kymenlaakson ammattikorkeakoulun merenkulkualan ja energiatekniikan insinööriopiskelijoille sekä muille asiasta kiinnostuneille. Työstä käy ilmi, että tekniikka polttokennojen hyödyntämiselle laivoissa on olemassa, mutta se on hyvin varhaisella kehitysasteella, minkä vuoksi SOFC-kennoilla on korkea hankintahinta verrattuna perinteisiin tekniikoihin. Kun hinnat laskevat, ovat SOFC-kennot kilpailukykyinen vaihtoehto energiatehokkaampaan ja ympäristöystävällisempään sähköntuotantoon. Maakaasu ja metanoli voivat osaltaan ratkaista vedyn varastoimiseen liittyviä ongelmia. Maakaasua ja metanolia on jo menestyksekkäästi kokeiltu laivaprojekteissa. Projektien päätyttyä saadaan käyttökokemuksia sekä tuloksia polttokennotekniikan hyödyntämisen eduista ja haitoista.Fuel Cell technology at the current stage cannot be used as a propulsion energy source for large ships because it has a low volumetric power density. Fuel cells have successfully been demonstrated in excursion passenger ships and as auxiliary power generators for larger vessels. The first objective of this thesis was to study how reasonable it would be to use Solid Oxide Fuel Cells in ship installation when natural gas or methanol is used as a fuel. When this was written, there was very little information about fuel cells in Finnish. This was the reason that the main purpose of this thesis was to produce information about fuel cells in Finnish. The major research methods used were literature study and a study trip to Fachhochschule Stralsund Germany in April 2011 to participate for an intensive programme concerning renewable energies which included an excursion to Hannover Messe Exhibition. The study covers the theory of fuel cells and electro chemistry, fuel cell structures and fuels and ship installation possibilities of Solid Oxide Fuel Cells. In addition, the fuel cells are compared to internal combustion engines. The material used for this thesis was gathered from fuel cell industry literature and Internet publications and during the study trip. This study is intended to be study material for Kymenlaakso University of Applied Sciences maritime and energy technology engineer students and all that are interested from the topic. It was proved that though fuel cell technology for ships does exist it is in very early development stage so the investment cost for fuel cells is very high. When the costs decrease, SOFC-techniques offer an interesting option for more efficient and envi-ronmentally friendly electricity generation in ships. Natural gas and methanol can be part of the solutions of storing hydrogen. However, they are poisonous and their use also includes risks. When the ongoing projects end, there will be solutions and answers based on experience concerning advantages and disadvantages of fuel cell technology

Preconditions for utilizing wood-based product gas in fuel cells

Tämän diplomityön aihe on saatu Volter Oy:ltä. Työn tavoitteena oli selvittää, millä edellytyksillä puupohjainen tuotekaasu olisi hyödynnettävissä polttokennoissa. Täten työ voisi toimia ensimmäisenä vaiheena uuden voimalaitoksen kehityksessä, johon sisältyy mahdollisuuksien tunnistaminen, teknologian arviointi ja markkinatavoitteet. Polttokennoista houkuttelevan vaihtoehdon puukaasukäyttöiseen pienvoimalaitokseen tekee niiden korkea hyötysuhde myös pienen kokoluokan sovelluksissa. Muita etuja ovat hiljainen käyntiääni ja vähäinen huollontarve. Jotta polttokennovoimalaitoksen suorituskykyä voitiin arvioida, toteutettiin voimalaitokselle laskentamalli. Malli toteutettiin Microsoft Excel taulukkolaskentaohjelman Visual Basic-ohjelmointikielellä. Laskentamalli luotiin jokaiselle komponentille erikseen ja järjestelmän toimintaan vaikuttavia tekijöitä tarkasteltiin staattisessa tilanteessa. Laskentamallilla saadut tulokset esiteltiin komponenteittain. Tuloksien esittelyssä pyrittiin tunnistamaan voimalaitoksen hyötysuhteen kannalta merkittävimmät tekijät. Lopuksi määritettiin voimalaitoksen hyötysuhde sekä tarkasteltiin voimalaitoksen investointikustannuksiin vaikuttavia tekijöitä. Investointikustannuslaskelmien avulla määritettiin voimalaitoksen suurin sallittu kustannus, jolloin voimalaitosinvestointi olisi vielä kannattava markkina-alueella, jossa sähkönhinta on 30 c/kWh. Työssä selvisi, että puukaasun hyödyntäminen polttokennossa edellyttää erittäin puhdasta tuotekaasua. Polttokennoista kiinteäoksidipolttokenno on tällä hetkellä soveltuvin epäpuhtauksien sietokyvyltään, mutta sille ei kuitenkaan ole määritetty tarkkoja epäpuhtauksien sallittuja pitoisuuksia. Nykyisillä tuotekaasun puhdistusmenetelmillä ei myöskään välttämättä saavuteta polttokennolle riittävää puhtaustasoa. Työssä määritettiin suuntaa antava voimalaitoksen sähköntuotannon hyötysuhde ja sallittu investointikustannus kohdemarkkinalle sekä näihin vaikuttavat tekijät

Polttokenno lentokoneessa: Polttokenno lentokoneen apulaitteiden tehonlähteenä

Ilmailun aiheuttamat päästöt tarkoittavat kasvihuonekaasuja ja muita saasteita, jotka vapautuvat ilmakehään lentoliikenteen seurauksena. Päästöillä on merkittävät vaikutukset ilmastonmuutokseen ja ilmanlaatuun. Erityisesti kehittyvillä markkinoilla tapahtuva nopea kasvu lentoliikenteen kysynnässä vaikeuttaa tilannetta entisestään. Ilmailualan tavoitteena on ongelmien seurauksena pienentää päästöjä, ja kehittää kestäviä tapoja lentää. Tehtävä on haastava, koska päästöjen vähennystavoitteiden ja kasvavan kysynnän välille täytyy löytää tasapaino. Polttokennot ovat yksi ehdotetuista ratkaisuista, joilla nykyiset polttomoottorit voitaisiin korvata. Polttokennot tuottavat sähköä vedyn ja hapen välisessä kemiallisessa reaktiossa, jossa syntyy lopputuotteena vain vettä ja lämpöä. Päästöttömyyden vuoksi ne ovat houkutteleva ratkaisu ilma-aluksille. Tässä työssä tutkitaan erityisesti polttokennojen kykyä korvata lentokoneen apuvoimalaitteistot, jolloin ne voisivat tuottaa tehoa kaikille lentokoneen apulaitteille, kuten sähkö-, ohjaus- ja ilmanvaihtojärjestelmille. Polttokennojen käytön yksi merkittävimmistä ongelmista on kuitenkin puhtaan vetykaasun käyttö, jonka vuoksi on kehitetty kennoja, jotka kykenevät käyttämään käsiteltyä lentopetrolia polttoaineenaan. Tällaisilla ratkaisuilla voidaan saavuttaa polttokennojen hyödyt, ilman erillisiä vetytankkeja tai lentokenttien tankkausjärjestelmien merkittäviä uudistuksia. Muita tutkimusta vaativia ongelmia ovat esimerkiksi kennojen korkea paino, pieni ominaisteho ja integrointi lentokoneisiin. Vuoteen 2022 mennessä kaupallista käyttöönottoa ei ole vielä saavutettu. Erilaiset kokeelliset tutkimukset osoittavat kuitenkin polttokennojen potentiaalin, kun niiden integrointi lentokoneen eri järjestelmiin toteutetaan hyvin. Tulevaisuuden lentokoneiden kasvava sähkönkulutus aiheuttaa myös kasvavaa tarvetta vaihtoehtoisille sähköntuotantotavoille, koska perinteiset sähköntuotantotavat kasvattavat lentokoneiden polttoaineenkulutusta ja päästöjä

Polttokennojen ominaisuudet ja sähkötekninen mallintaminen

Uusiutuvan energiantuotannon tarpeen ja uusiutuvan vedyn tuotannon kasvaessa kiinnostus polttokennoihin on lisääntynyt. Tämä näkyy myös meriliikenteessä, jossa polttokennoja voidaan jo käyttää joko pääenergiantuotannossa tai lisätehona. Polttokennot eivät ole monien muiden uusiutuvien energiantuotantotapojen tapaan riippuvaisia säästä tai vuorokaudenajasta. Niillä voidaan siis tuottaa energiaa teoriassa niin kauan kuin polttoainetta syötetään. Polttokennoteknologioita on useita ja niiden toimintalämpötilat vaihtelevat suuresti. Niiden tuottamaa lämpöä voidaan myös hyödyntää monin eri tavoin käyttökohteesta riippuen. Polttokennot yhdistetään sähköverkkoon yleensä DC/DC-muuntimella ja vaihtosuuntaajalla. Tasajännitteisessä verkossa vaihtosuuntaajaa ei tarvita. Diplomityö tehtiin Yaskawa Environmental Energy/The Switchille. Työn tavoitteena oli tehdä laaja kirjallisuuskatsaus eri polttokennoteknologioista ja polttokennojärjestelmistä. Tämän lisäksi tavoitteena oli selvittää polttokennojärjestelmien niin yleisiä kuin myös sähköisiä ominaisuuksia, polttokennojen käyttöä meriliikenteessä ja tutkia DC/DC-muuntimia ja virtasäröä polttokennojärjestelmässä. Kirjallisuuskatsauksen lisäksi työssä mallinnettiin erään ammoniakilla toimivan kiinteäoksidipolttokennopinon dynaamista toimintaa polttoaineensyötön ja kuormituksen muutoksissa. Työn tuloksena saatiin selville nykymarkkinoiden potentiaalisimmat polttokennoteknologiat ja käsiteltiin syvällisemmin nopeammin reagoivia matalan lämpötilan protoninvaihtopolttokennoja ja paremman hyötysuhteen omaavia korkean lämpötilan kiinteäoksidipolttokennoja. Lisäksi tarkasteltiin lyhyesti myös protoninvaihtopolttokennoista johdettuja teknologioita. Polttokennojärjestelmät todettiin osittain kilpailukykyisiksi muille markkinoilla oleville energiantuotantotavoille ja energiavarastoille muun muassa suorituskyvyn ja hyötysuhteen osalta. Polttokennoilla on kuitenkin yleisesti erittäin vaihteleva jännitealue ja ne ovat hitaita käynnistymään sekä reagoimaan tehontarpeen muutoksiin. Tästä syystä esimerkiksi laivoissa käytetäänkin niiden rinnalla akustoja vastaamaan nopeisiin tehomuutoksiin. DC/DC-muuntimen tutkimisessa perehdyttiin sen eri toteutustapoihin ja polttokennokäytössä tarvittaviin ominaisuuksiin. Virtasärön tutkimisessa selvisi, että polttokennot ovat herkkiä pääasiassa vaihtosuuntaajan aiheuttamalle matalataajuiselle (alle kilohertsin) virtasärölle. DC/DC-muunnin tuottaa pääasiassa korkeataajuista (useiden kilohertsien) virtasäröä, joka on matalataajuista virtasäröä harmittomampaa. Kiinteäoksidipolttokennopinon dynaamisen toiminnan mallinnuksessa todettiin, että viiveettömät muutokset aiheuttavat jännite- ja virtapiikkejä, mutta normaalissa toiminnassa ilmenevillä muutosnopeuksilla ei synny merkittäviä jännite- tai virtapiikkejä.As the need for renewable energy production and the production of renewable hydrogen increases, the interest towards fuel cells is also increasing. This is also seen in maritime transport, where fuel cells can already be used for either main energy production or as additional power. Fuel cells, like many other renewable energy production methods, are not dependent on weather or time of the day. They can thus theoretically produce energy as long as fuel is supplied. There are several fuel cell technologies and their operating temperatures vary greatly. The heat they generate can also be utilized in many different ways depending on the application. Fuel cells are connected to electrical network usually with a DC/DC converter and an inverter. In a DC network, an inverter is not required. This thesis was done for Yaskawa Environmental Energy/The Switch. The aim of the work was to make an extensive literature review of different fuel cell technologies and systems. Also, the aim was to investigate both the general and electrical properties of fuel cell systems, the use of fuel cells in maritime transport, and to study DC/DC converters and current ripple in a fuel cell system. In addition to the literature review, the dynamic operation of an ammonia fed solid oxide fuel cell stack in changes of both fuel supply and load was modeled. As a result of the work, the most potential fuel cell technologies on the present market were identified, and faster-reacting low-temperature proton exchange fuel cells and higher-efficiency high-temperature solid oxide fuel cells were discussed in more depth. In addition to the discussion, technologies derived from proton exchange fuel cells were also briefly reviewed. Fuel cell systems were found to be partially competitive with other energy production methods and energy storages on the market, inter alia, in terms of performance and efficiency. However, fuel cells generally have a very variable voltage range and are slow to start and respond to changes in power demand. For this reason, in maritime applications, for example, batteries are used alongside them to meet rapid power needs. The study of the DC/DC converter looked at its different topologies and properties required in fuel cell applications. Examination of current ripple revealed that fuel cells are sensitive to low frequency (less than a kilohertz) current ripple caused mainly by the inverter. The DC/DC converter mainly produces high frequency (several kilohertz) current ripple, which is less harmful than low frequency current ripple. In the modeling of dynamic operation of solid oxide fuel cell stack, it was found that instant changes cause voltage and current spikes, but the rates of change occurring in normal operation do not cause significant voltage or current spikes

Rakennuksen lämmön ja sähkön yhteistuotanto

Tämä insinöörityö tehtiin kirjallisuustutkimuksena Metropolia Ammattikorkeakoululle. Työssä päätavoitteena oli selvittää, kuinka uusiutuvaa energiaa voisi käyttää rakennusten lämmittämiseen ja sähköistämiseen. Uusiutuvien energioiden käyttö ei ole vielä niin yleistä, mutta tulevaisuudessa uusiutuvien energioiden markkinat kasvavat massiivisesti. Tutkimuksessa käytiin läpi pieniä lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitoksia sekä erilaisia uusiutuvia energialähteitä, joita voidaan käyttää rakennuksen lämmön ja sähkön yhteistuotantoa varten. Tutkimuksessa havainnollistettiin nykypäiväisten aurinko- ja tuulienergiajärjestelmien toiminnallisuus, sekä miten maalämpöä ja ilmalämpöä voidaan hyödyntää rakennuksissa. Työssä on havainnollistettu erilaisten uusiutuvien energialähdejärjestelmien yhteensopivuudet sekä käyttömahdollisuudet. Suomen sääolosuhteet on myös otettu huomioon uusiutuvien energiajärjestelmien kannalta. Työ osoitti, että rakennusten toissijaisena lämmitys- ja sähköistysjärjestelmänä, uusiutuva energia on hyvä vaihtoehto. Erilaisten uusiutuvien energiajärjestelmien avulla voidaan helposti alentaa rakennusten lämmitys ja sähköistyskustannuksia. Tulevaisuudessa, kun teknologia on kehittyneempää, uusituvat energialähteet voivat kattaa koko rakennuksen energiatarpeet. Lämmön ja sähkön yhteistuotanto kasvaa tulevaisuudessa EU 2020 strategian takia, sen mukaisesti 20 % energiasta tulisi tulla uusituvista energioista.This bachelor’s thesis was carried out for Metropolia University of Applied Sciences as a literature review. The aim of this thesis was to examine, how joint production of heat and power from renewable energy, could be used in buildings. The usage of renewable energy is not so common yet, but in the future the renewable energy market is expected to grow massively. The review goes thorough small combined heat and power plants, as well as renewable energy sources that could be used in joint production of heat and power for buildings. The review illustrates the functionality of solar and wind energy systems nowadays, as well as how geothermal- and air-source energy could be used in buildings. The thesis demonstrates affordance and compatibility between different renewable energy systems. Also the Finnish weather conditions are taken in consideration in renewable energy systems. Results indicate that as secondary heat and power source in a building renewable energy is a good option. With different renewable energy systems the costs of heating and electrifying a building can easily be lowered. In the future when the technology is more advanced, renewable energy sources could be the only energy source a building would need. Joint production of heat and power will increase in the future because of the EU 2020 strategy, where 20% of energy should come from renewable energy

Uusiutuvan energian hyödyntäminen parihuvilan energiantuotannossa

Tässä diplomityössä tarkastellaan uusiutuvien energiamuotojen hyödyntämismahdollisuuksia parihuvilan energiantarpeen kattamiseksi. Suunnitteilla oleva rakennus täyttää nykyiset asuinrakennukselle asetetut rakentamismääräykset. Työn keskeisenä tavoitteena on kartoittaa uusiutuvien energiateknologioiden käyttöpotentiaali rakennuksen energiantuotannossa ja löytää kiinteistölle uusiutuvaa energiaa hyödyntävä kustannustehokas energiaratkaisu. Yleiskuvan luomiseksi esitetään rakennuksen suunnittelu- ja sijaintitiedot, joiden perusteella selvitetään kiinteistön sähkö- ja lämpöenergian tarve. Uusiutuvista sähköenergian tuotantomuodoista perehdytään aurinko-, tuuli- ja polttokennoteknologioiden teoreettiseen taustaan ja tarkastellaan näiden soveltuvuutta energiantuotantoon kiinteistön sijaintipaikalla. Huomiota kiinnitetään myös varavoimaan sekä sähköenergian varastoimiseen akkuihin ja vetyyn. Pienkiinteistön lämmöntuotantomenetelmistä tarkastelun alaisena ovat polttopuun lämpöarvo ja käyttö, aurinkokeräinten ja lämpöpumppujen rakenne ja toimintaperiaate sekä sähköenergian käyttö lämmöntuotannossa. Lisäksi tarkastellaan lämpöenergian varastoimiseen liittyviä kysymyksiä. Rakennuksen energia-analyysin perusteella kiinteistölle suunnitellaan yhdeksän erilaista energiaratkaisua, joista viidessä sähköenergia hankitaan verkkoyhtiön sähköliittymän kautta ja neljässä energiantuotanto perustuu kiinteistön omaan energiajärjestelmään. Lopuksi kustannuslaskelmaan nojaten ehdotetaan kiinteistölle soveltuvaa energiaratkaisua ja jatkotoimia. /Kir1

Functional Simulations of Power Electronics Components in Hybrid Machinery

Tämä työ käsittelee hybridityökoneen tehonsiirtoa sarjahybridijärjestelmässä. Kirjallisuustutkimuksena käydään lävitse erilaisia hybridijärjestelmiä, polttokennojärjestelmää ja täyssähköistä järjestelmää ajoneuvokäytöissä. Kirjallisuustutkimuksessa pohditaan eri ajoneuvokäyttöjen tehonsiirrontoimintaa ja eri järjestelmien etuja sekä heikkouksia. Työssä esitellään hybridijärjestelmän tehonsiirrossa ja energian varastoinnissa käytettävät komponentit, komponenttien tarkoitus ja toiminta. Työssä kehitetään hybridityökoneen sarjahybriditehonsiirtojärjestelmälle yleistä simulointimallia, joka mahdollistaa sarjahybridijärjestelmän ohjauksen kehittämisen ja eri valmistajien toimittamien osakomponenttien toimivuuden testauksen. Simulointimalli toteutetaan Matlab Simulink -ohjelmistolla ja siinä tavoitellaan 20 Hz:n aikatason tarkkuutta.This thesis is about series-hybrid power transmission in heavy machinery. Different topologies in vehicle drives are introduced in the literature research. The topologies introduced are series, parallel and series-parallel -hybrid systems, fuel cell system and full electric system. The literature research considers operation of different topologies, their benefits and weaknesses. Primary and secondary power generation components, and also power transfer components of hybrid system are introduced, and their operations are reviewed. This thesis presents functional simulation model for series-hybrid power transfer system. The simulation model should provide possibility for development of power control in series-hybrid system, and also testing of suitable components from different manufacturers. Simulation model is created with Matlab Simulink software, and it aims at 20 Hz time domains accuracy

Automated Testing of Solid Oxide Fuel Cell Units' Control System

This thesis presents a testing protocol and a testing platform for the purpose of automatically testing the control unit of a solid oxide fuel cell system. The work was commissioned by Wärtsilä - a Finnish company involved in maritime solutions and distributed power generation. The protocol was constructed to ensure all necessary things are taken into account during testing. The platform provides a set of tools for realizing the tests. The different parts of the platform were taken into use and configured to work together. Three case examples of test runs were erformed to test the functionalities of the platform.Tässä diplomityössä kehitettiin testausprotokolla ja -ohjelmistopaketti kiinteäoksidipolttokennon ohjausjärjestelmän automaattiseen testaamiseen. Työn tilasi Wärtsilä, joka toimii merenkulun ja hajautetun energiatuotannon aloilla. Protokollan tarkoitus on varmistaa, että ohjausjärjestelmää testattaessa tulevat kaikki tarpeelliset asiat tehdyiksi. Ohjelmistoalusta puolestaan tarjoaa työkalut testaamiseen. Ohjelmistoalustan eri osat otettiin käyttöön ja ne asennettiin toimimaan yhdessä toistensa kanssa. Ohjelmistoalustan toimivuus testattiin suorittamalla kolme eri testitapausta