Solutions for sustainable energy systems - Analyses of district heat optimization and microalgal biorefineries

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Holmberg, Henrik, Dr., Aalto University, Finland
dc.contributor.advisor Laukkanen, Timo, Dr., Aalto University,Finland
dc.contributor.author Kouhia, Mikko
dc.date.accessioned 2020-06-13T09:00:05Z
dc.date.available 2020-06-13T09:00:05Z
dc.date.issued 2020
dc.identifier.isbn 978-952-60-3942-8 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-3939-8 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/44771
dc.description A doctoral dissertation completed for the degree of Doctor of Science (Technology) to be defended, with the permission of the Aalto University School of Engineering, at a public examination held at the lecture hall K216 of the school on 29 June 2020 at 10. Zoom link https://aalto.zoom.us/j/67090451569 Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide Electronic online display version of the doctoral thesis is available by email by request from aaltodoc-diss@aalto.fi
dc.description.abstract Energy systems are in transition, as fossil fuels are phased out and variable renewable energy generation is introduced in increasing amounts into electricity networks. As the energy provision bears high environmental impacts, attention has to be paid into the sustainability of current and planned systems.This dissertation investigates prospective technologies in the short and long term. District heat optimization and microalgal biorefineries are selected as the focus areas: the former represents current systems that are still mostly based on fossil and biomass combustion, and the latter an identified technology option to replace fossil fuels in the traffic sector. Optimization and process modelling are employed in the analysis. District heat networks are investigated with optimization methods; the district heat network energy storage capabilities are addressed with economic optimization, and the inclusion of sustainability metrics in the design is evaluated with multicriteria optimization. Microalgal biofuel and bioproduct generation are investigated in integrated contexts with process modelling. The results indicate that district heat system flexibility can be increased by letting the district heat supply temperature vary within given boundaries. This will reduce heat generation costs and facilitate increased variable renewable energy integration. Sustainability metrics can be included in the district heat supply design, to direct the heat supply into a more sustainable direction at the least possible cost. The energy returns of various microalgal biofuel generation alternatives are compared with each other. Lipid extraction with algal residue utilization is identified as the likely best alternative. High-solids supercritical water gasification offers high energy returns, but the technology is still under development. A multi-product mill concept is reviewed, where lipids, fertilizer and methane are generated from waste activated sludge, ash and flue gas inputs, with microalgae cultivation in the process. This concept appears technically feasible. The results of this dissertation may be employed in a more efficient and environmentally sound district heat system design and operation.The results also increase the understanding of microalgal biofuel and bioproduct concepts and help to direct further research efforts in enhancing the production economics. en
dc.description.abstract Energiajärjestelmät ovat murroksessa, kun fossiilisten polttoaineiden käyttöä vähennetään ja vaihtelevan uusiutuvan energian määrä lisääntyy sähköverkoissa. Yhteiskunnan energiahuollon ympäristövaikutukset ovat suuret, ja siksi nykyisten ja suunniteltujen järjestelmien kestävyyteen tulee kiinnittää huomiota.Väitöskirjassa tarkastellaan mahdollisia teknologiaratkaisuja lyhyellä ja pitkällä aikavälillä. Kaukolämmön tuotannon optimointi ja mikroleviin perustuvat biojalostamot on valittu väitöskirjassa tapaustutkimusten kohteeksi. Kaukolämmön tuotanto edustaa nykyjärjestelmää, joka on edelleen vahvasti sidoksissa fossiilisten ja biopolttoaineiden polttamiseen; levistä jalostetut polttoaineet on tunnistettu mahdollisuudeksi korvata fossiilisia liikennepolttoaineita uusiutuvasti. Tutkimus perustuu optimointiin ja prosessimallinnukseen. Kaukolämpöverkkoja tutkitaan erilaisilla optimointimenetelmillä: verkoston energianvarastointikykyä tutkitaan lyhyen aikavälin taloudellisella optimoinnilla, kun taas kestävyyskriteerien sisällyttämistä verkon lämpölaitosten rakentamispäätöksiin tutkitaan monimuuttujaoptimoinnilla. Mikroleviin perustuvia integroituja polttoaineiden ja biotuotteiden tuotantolaitoksia tutkitaan prosessimallinnuksen avulla. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että kaukolämmön tuotannon joustavuutta voidaan lisätä antamalla verkoston syöttöveden lämpötilan vaihdella vapaasti annettujen parametrien rajoissa. Joustavuuden hyödyntäminen alentaa lämmöntuotantokustannuksia ja mahdollistaa vaihtevien  energiantuotantomuotojen integrointia järjestelmään enenevässä määrin. Väitöskirjassa osoitetaan, että kestävän kehityksen mittareita voidaan sisällyttää kaukolämpöverkoston suunnitteluun monimuuttujaoptimoinnin menetelmiä käyttämällä. Näin tekemällä on mahdollista parantaa järjestelmän kestävyttä alhaisimmin mahdollisin kustannuksin. Tutkimuksessa vertaillaan erilaisia mikroleviin perustuvia polttoaineiden tuotantoketjuja perustuen ketjujen energiansaantoihin. Levien rasvahappojen erotus ja rasvahapoista erotetun biomassan jatkokäyttö tunnistetaan mahdollisesti parhaaksi vaihtoehdoksi. Ylikriittisessä vedessä kaasuttaminen korkean kuiva-ainepitoisuuden vallitessa tuottaa parhaimman energiansaannon, mutta tekniikka on vielä kehitysasteella vaihtoehtoihin verrattuna. Tutkimuksen viimeisessä osassa tarkastellaan integroitua leväbiojalostamoa, jossa rasvahappoja, lannoitetta ja metaania tuotetaan jätelietettä, tuhkaa ja savukaasuja hyödyntämällä. Tämä tuotantokonsepti näyttäytyy teknisesti mahdollisena.Väitöskirjan tuloksia voi käyttää aiempaa tehokkaampien ja ympäristölle kestävämpien kaukolämpöjärjestelmien suunnittelussa ja ajossa. Tulokset myös lisäävät ymmärrystä mikroleviin perustuvista biopolttoaine- ja biotuotekonsepteista ja auttavat kohdentamaan tutkimusta tuotannon taloudellisuuden parantamiseksi. fi
dc.format.extent 56 + app. 50
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 99/2020
dc.relation.haspart [Publication 1]: Mikko Kouhia, Timo Laukkanen, Henrik Holmberg, Pekka Ahtila. District heat network as a short-term energy storage. Energy, volume 177, pages 293–303, April 2019. Full textin Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201907304479. DOI: 10.1016/j.energy.2019.04.082
dc.relation.haspart [Publication 2]: Mikko Kouhia, Timo Laukkanen, Henrik Holmberg, Pekka Ahtila. Evaluation of design objectives in district heating system design. Energy, volume 167, pages 369–378, January 2019. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106227. DOI: 10.1016/j.energy.2018.10.170
dc.relation.haspart [Publication 3]: Mikko Kouhia, Henrik Holmberg, Matti Sonck, Pekka Ahtila. Energy analysis of algae-to-biofuel production chains integrated with a combined heat and power plant. International Journal of Sustainable Engineering, volume 12, no. 4, pages 281–290, November 2018. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106356. DOI: 10.1080/19397038.2018.1536728
dc.relation.haspart [Publication 4]: Mikko Kouhia, Henrik Holmberg, Pekka Ahtila. Microalgae-utilizing biorefinery concept for pulp and paper industry: Converting secondary streams into value-added products. Algal Research, volume 10, pages 41–47, July 2015. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201705315129. DOI: 10.1016/j.algal.2015.04.001
dc.relation.haspart [Errata file]: Errata of P. 2
dc.subject.other Mechanical engineering en
dc.title Solutions for sustainable energy systems - Analyses of district heat optimization and microalgal biorefineries en
dc.title Ratkaisuja kestäviin energiajärjestelmiin: analyysejä kaukolämmön optimoinnista ja mikroleviä hyödyntävistä biojalostamoista fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Engineering en
dc.contributor.department Konetekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Mechanical Engineering en
dc.subject.keyword district heat en
dc.subject.keyword biorefinery en
dc.subject.keyword optimization en
dc.subject.keyword modelling en
dc.subject.keyword microalgae en
dc.subject.keyword sustainability en
dc.subject.keyword kaukolämpö fi
dc.subject.keyword biojalostamo fi
dc.subject.keyword optimointi fi
dc.subject.keyword mallinnus fi
dc.subject.keyword mikrolevät fi
dc.subject.keyword kestävyys fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-3942-8
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ahtila, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.opn Hofmann, René, Vienna University of Technology, Austria
dc.opn Blumberga, Dagnija, Prof., Riga Technical University, Latvia
dc.contributor.lab Energy Efficiency and Systems en
dc.rev Hofmann, René, Vienna University of Technology, Austria
dc.rev Hytönen, Eemeli, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
dc.date.defence 2020-06-29
local.aalto.formfolder 2020_06_12_klo_14_31
local.aalto.archive yes


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse