With the Paris agreement calling to limit global warming to 2°C below pre-industrial levels, with further efforts to ensure it stays below 1.5°C, the Finnish government passed the Lakihiilen energiakäytön kieltämisestä (416/2019), i.e., Act of Prohibition of Coal Energy,which stipulates that the use of coal as a fuel for heat/electricity production to be bannedfrom 1 May 2029. This affects Helsinki’s energy industry and a key concern to this work is the Salmisaari Combined Heat and Power plant, which is set to be decommissioned. This plant currently generates heat and electricity by using wood pellets and coal to cater toaround 25-45% of the District Heating consumption of the city of Helsinki. To compensate for this decommissioning, there arises a need for more heat production,around 300-500MW of capacity. One alternative is the heat recovery of seawater by utilising the phase change heat of freezing. The present project investigates a technical feasibility study of a system to generate ice slurry, which is then used to extract heat fromseawater at ~0°C via a heat pump. The competitiveness of an ice-slurry based system to state-of-the-art water or ice-based storage is analysed as well. The proposed system is then modelled in Aspen Plus, and the pressure drop characteristics of the generated ice slurry are studied. Finally, a sensitivity analysis of the pressure ratio of the compressor on the performance of the system is studied. Based on prior works, level of commercialisation and technical feasibility, it was found that a vacuum ice generation method, in combination with heat pumps, is a viable solution to cater to the district heating demand of the city. Further, it is concluded that the pressure drop occurring during transport of the ice slurry is quite minimal – less than 0.5% of the total power consumed whilst producing 300MW of district heat. The COP of the system varies between 2.6-2.8 depending on the pressure ratio of the compressor and thus is energy efficient. Overall, the proposed solution seems to be promising and with further socio-techno-economic analysis, this could be the potential alternative to bridge the deficit. / Med Parisavtalet som kräver att den globala uppvärmningen ska begränsas till 2 °C under förindustriella nivåer, med ytterligare ansträngningar för att säkerställa att den håller sigunder 1,5 °C, antog den finska regeringen Laki hiilen energiakäytön kieltämisestä (416/2019), dvs. Förbud mot kolenergi, som föreskriver att användningen av kol som bränsle för värme-/elproduktion ska förbjudas från och med den 1 maj 2029. Detta påverkar Helsingfors energiindustri och en central fråga för detta arbete är Salmisaarikraftvärmeverk, som är planlagt på att avvecklas. Denna anläggning genererar för närvarande värme och elektricitet genom att använda träpellets och kol för att tillgodosecirka 25–45 % av Helsingfors stads fjärrvärmeförbrukning. För att kompensera för denna avveckling uppstår ett behov av mer värmeproduktion, cirka 300-500MW kapacitet. Ett alternativ är värmeåtervinning från havsvatten genom att utnyttja fasförändringsvärmen från frysning. Detta projekt skall undersöka genom en teknisk förstudie olika system för att generera isslurry (en blandning av is och vatten), som sedan används för att utvinna värme från havsvatten vid ~0°C med hjälp av en värmepump. Konkurrenskraften hos ett isslurrybaserat system jämfört mot toppmoderna vatten- eller isbaserad lagrings system analyseras också. Det föreslagna systemet modelleras sedan i Aspen Plus, och tryckfallsegenskaperna hos den genererade isslurryn studeras. Slutligengörs en känslighetsanalys av kompressorns tryckförhållande och dess påverkan på systemets prestanda. Baserat på tidigare arbeten, kommersialiseringsnivå och teknisk genomförbarhet fann denna rapport att genom en metod för att generera vakuumis, i kombination med värmepumpar att en hållbar lösning för att tillgodose stadens fjärrvärmebehov finns. Vidare dras slutsatsen att tryckfallet som inträffar under transport av isslurryn är minimalt- mindre än 0,5 % av den totala energiförbrukningen samtidigt som den producerar 300MW fjärrvärme. Systemets COP varierar mellan 2,6–2,8 beroende på kompressorns tryckförhållande och är därmed energieffektivt. Sammantaget verkar den föreslagna lösningen vara lovande och med ytterligare socio-teknoekonomisk analys kan detta vara ett potentiellt alternati för att brygga underskottet av fjärrvärme.

In this thesis, an innovative coarse grid CFD approach is developed that aims toexploit the capabilities of sub-channel codes and CFD methods while overcoming theirlimitations. In the approach, a very coarse mesh is implemented in the CFD softwareOpenFOAM and a new wall treatment, based on the traditional concept of the wallfunction, is applied to the wall boundary conditions of the domain to take into accountthe low resolution of the grid which does not allow to effectively capture the effect of thesolid walls on the thermo-hydraulics of the flow. To investigate the performance of thenew approach, the method is implemented first in three simple test cases for whichthe sub-channel codes are the state-of-the-art thermo-hydraulic analysis since theyare single-phase flow problems in which there are no prevailing 3D flow conditions.An additional test case representing a 2x2 fuel bundle with three full-length rods andone half-length rod is investigated to verify the behavior of the new approach in caseswhere secondary flows are present. The results for the pressure fields are comparedwith the analytical pressure profiles for the four test cases that well represent the onesthat would be obtained with sub-channel code analysis, while the results for the wallshear stresses obtained in the four test cases are compared with the ones obtained witha more refined mesh in which the traditional wall function approach is implementedsince they should be the best estimation of the actual wall shear stresses at the walldomain. For the first two cases, the developed approach produces reasonable resultswith a good agreement to the analytical pressure profiles while the other two testcases show that the methodology has a limited applicability and, before proceedingwith the extension of the new approach to single-phase problems with 3D prevailingphenomena and two-phase problems, it is necessary to solve the issues that emerge forsome types of cases. / I denna avhandling utvecklas en innovativ CFD-metod med grovt rutnät som syftar till att utnyttja kapaciteten hos underkanalskoder och CFD-metoder och samtidigt övervinna deras begränsningar. I metoden implementeras ett mycket grovt nät i CFD-programvaran OpenFOAM och en ny väggbehandling, baserad på det traditionella konceptet med vägg väggfunktion, tillämpas på domänens vägggränsvillkor för att ta hänsyn till den låga upplösningen av nätet som inte tillåter att effektivt fånga effekten av de solida väggar på flödets termo-hydraulik. För att undersöka prestandan hos den nya tillvägagångssättet implementeras metoden först i tre enkla testfall för vilka subkanalskoderna är den senaste termo-hydrauliska analysen eftersom de är enfasflödesproblem där det inte finns några rådande 3D-flödesförhållanden.Ett ytterligare testfall som representerar ett 2x2 bränsleknippe med tre fullängdsstavar och en halvlång stav undersöks för att verifiera beteendet hos den nya metoden i fall där sekundära flöden förekommer. Resultaten för tryckfälten jämförs med de analytiska tryckprofilerna för de fyra testfall som väl representerar de som som skulle erhållas med kodanalys av underkanalen, medan resultaten för väggskjuvspänningarna skjuvspänningar som erhållits i de fyra testfallen jämförs med de som erhållits med ett mer förfinat nät i vilket den traditionella väggfunktionsmetoden är implementerad eftersom de bör vara den bästa uppskattningen av de faktiska väggskjuvspänningarna vid väggens domän. För de två första fallen ger den utvecklade metoden rimliga resultat med en god överensstämmelse med de analytiska tryckprofilerna medan de andra två visar att metoden har en begränsad tillämplighet och, innan man går vidare med utvidgningen av den nya metoden till enfasproblem med 3D-fenomen och två fenomen och tvåfasproblem, är det nödvändigt att lösa de problem som uppstår för vissa vissa typer av fall.

Fjärrvärmen utgör omkring hälften av all uppvärmning som sker i Sverige idag och har utöver det en viktig roll då den tar vara på mycket energi som annars hade gått till spillo. Att kunna vara ekonomiskt konkurrenskraftig gentemot andra uppvärmningsalternativ är en viktig del för fjärrvärmens fortsatta utveckling. Det finns flera alternativ och möjligheter att göra detta, ett av dem är att hålla nere driftkostnaderna. Det kan bland annat göras genom att minska tryckfallen i näten, som även kan ge en ökad expansionsmöjlighet. Idag används främst avstängningsventiler med reducerande genomlopp i näten, främst på grund av den billigare investeringen. Trots detta saknas en kunskap om hur dessa ventiler påverkar näten sett till tryckfall, drift- och investeringskostnader jämfört med ventiler med fullt genomlopp. För att undersöka detta har två metoder använts för att komplettera varandra och öka förståelsen för ventilerna. Den första metoden beräknade det generella fallet teoretiskt för att se vid vilka flöden som ventiler med fullt genomlopp är mer gynnsamma. Den andra metoden beräknade ett specifikt fall med simuleringar i ett verkligt nät med de olika ventilerna och beräkna vilken som är den mest ekonomiskt gynnsamma. Resultaten av det generella fallet visar att ventiler med fullt genomlopp blir mer gynnsamma när flödeshastigheten överstiger omkring 1 m/s, oavsett dimension, beräknat på under 30 år med ett elpris på 1,50 kr/kWh. Vid dimensionering av nät är det vanligt att använda 1,5 - 2,0 m/s, detta utgör ofta en liten del av nätets drifttid och är ofta lägre. Beräkning av det specifika fallet visade att ventiler med reducerande genomlopp är det ekonomiska alternativet då återbetalningstiden för ventiler med fullt genomlopp var över 600 år vid 1,50 kr/kWh. Utifrån detta kan slutsatsen dras att ventiler med fullt genomlopp inte bör ersätta reducerande genomlopp, utan att det i stället handlar om att identifiera de delar i nätet som utgör, eller kan komma att utgöra, en strypning eller förträngning i nätet där höga flödeshastigheter kan förekomma och möjligtvis byta till fullt genomlopp. / District heating makes up about half of all heating that takes place in Sweden today and, in addition to that, has an important role as it makes use of a lot of energy that would otherwise have been wasted. Being able to be economically competitive against other heating alternatives is an important part of the continued development of district heating. There are several options to do this, one of which is to keep operating costs down. This can be done by reducing the pressure drops in the networks, which can also provide an increased possibility of expansion. Today, shut-off valves with reducing throughput are mainly used in networks, often because of the cheaper investment. Despite this, there is a lack of knowledge about how these valves affect the networks, which is attributed to pressure drop, operating and investment costs compared to valves with full flow. To investigate this, two methods have been used to complement each other and increase the understanding of the valves. In the first method, the general case is calculated theoretically to see at which flows valves with full flow are advantageous. The second method calculates a specific case with simulations in a real network with the different valves and calculates which one is the most economically advantageous. The results of the general case show that valves with full flow become more advantageous when the flow rate exceeds about 1 m/s, regardless of dimension, calculated over 30 years with an electricity price of SEK 1.50 /kWh. When dimensioning networks, 1.5 - 2.0 m/s is a common value, this often constitutes a small part of the network's operating time and is often lower. Calculation of the specific case showed that valves with reducing throughput are the economic alternative as the payback period for valves with full throughput was over 600 years at SEK 1.50/kWh. Based on this, the conclusion can be drawn that valves with full throughput should not replace reducing throughput, but that it is instead a question of identifying the parts of the network that constitute a throttling or constriction in the network where high flow rates can occur and possibly switch to valves with full throughput.

I industrin finns det många pumpar som inte kör i de optimala driftfall som de är skapade för. Detta bidrar till stora och onödiga kostnader för fabriker och industrier. Det finns olika reglermetoder för att få pumpen att köra så optimalt som möjligt, det vanligaste är att avända sig av en reglerventil som stryper bort flödet. Ett annat sätt är att investera i en frekvensomriktare. En frekvensomriktare kan reglera varvtalet på pumpen och göra så driften blir så optimal som möjligt för det driftfall som körs. Blir driften så optimal som möjligt kommer kostnaden att reduceras. För att lätt kunna beräkna om det är lönsamt att investera i en frekvensomriktare behövs ett standardiserat beräkningsprogram. Detta arbete har gjorts för ÅF Pöyry i Karlstad i samverkan med BillerudKorsnäs AB, Gruvön. Datainsamling har skett på BillerudKorsnäs AB på en MC-pump (423P008) denna sitter på SK 2, som även kallas barrlinjen, där man behandlar barrträd. Resultatet är ett standardiserat beräkningsprogram för att kunna beräkna både MC-pumpar och centrifugalpumpar i pappersmassaindustrin. Detta beräkningsprogram kan bland annat beräkna den totala tryckhöjden för respektive pump för att sedan kunna beräkna payoff-tiden, alltså om det är lönsamt att investera i en frekvensomriktare. Vid beräkning med hjälp av beräkningsprogrammet på MC-pump 423P008 visas det att ca 120 000 SEK/år är de kostnader som ”stryps” bort med den nuvarande reglermetoden, detta är också den besparingspotetnial som kan göras vid investering av en frekvensomriktare och detta är endast för en pump på ett bruk. Slutsatsen man kan dra med hjälp av beräkningsprogrammet är att det finns stora kostnader att spara i industrin genom att optimera drifterna hos de pumpar som finns. / In the industry, there are many pumps that do not running in the optimal operating conditions that they are created for. This contributes to large, unnecessary costs for industries. There are some different “control methods” to make the pump run as optimally as possible. One way is to invest in a frequency converter. A frequency converter can regulate the speed (rpm) of the pump and make the operation as optimal as possible for the running case. If the operation becomes as optimal as possible, money will be saved. In order to easily calculate whether it is profitable to invest in a frequency converter, a standardized calculation program is needed. This work has been made for ÅF Pöyry in Karlstad in a collaboration with BillerudKorsnäs AB, Gruvön. Data collection has taken place at BillerudKorsnäs AB on an MC-pump (423P008), which is stationary at SK 2, which is also called the coniferous-line, where you process conifers. The result is a standardized calculation program for calculating both MC-pumps and centrifugal pumps in the pulp industry. This calculation program can calculate the total pump head for each pump in order to then calculate the payoff time, i.e. whether it is profitable to invest in a frequency converter, or not. When using the calculation program for the MC-pump named 423P008, it is shown that about SEK 120,000 SEK / year are the costs that are "throttled" away with the current “control method”. This is data for just one pump out at BillerudKorsnäs. The conclusion is that with the help of the calculation program you can see there are large costs to save in the industry by optimizing the runs of the pumps that are available. / Nej

Invånarantalet i Stockholm ökar och därmed också efterfrågan på dricksvatten. Stockholm Vatten VA AB fastslog i sin senaste prognos att kapaciteten hos deras vattenverk i Norsborg och på Lovö kommer att vara otillräcklig inom femton år och därmed måste ökas. Båda vattenverken tar vatten från Mälaren och renar detta genom flockning, sedimentering, snabbfiltrering, långsamfiltrering, UV-bestrålning samt tillsats av kloramin. Baserat på de senaste årens drifterfarenheter har långsamfiltrens kapacitet skrivits ned och är ett begränsande produktionssteg på båda verken. Detta examensarbete syftade till att fastställa orsakerna till kapacitetsminskningen och föreslå åtgärder. Undersökningen begränsades till Lovö vattenverk, men resultaten anses relevanta även för Norsborgs vattenverk.   De senaste åren har långsamsandfiltrens drifttid mellan rensningar minskat och tryckfallet i genomsnitt ökat. Här sågs att tryckfallet direkt efter rensning var högre i den undersökta periodens slut än under periodens början. Då filtrens belastning undersöktes konstaterades att filtreringshastigheten inte ökat och vattenkvaliteten inte försämrats. Utifrån detta drogs slutsatsen att kapacitetsminskningen inte berodde på ökad belastning.    Med hjälp av rör satta i filtersanden kunde tryckfallets fördelning över filterbäddens djup undersökas. I två av de undersökta filtren sågs ett kraftigt tryckfall i filtrens undre del. Då provgropar grävdes i filtren sågs ett tydligt gråaktigt lager vid den nivå där tryckfallet skett. Analyser av sandprover från filtren tydde på att en ackumulering av finkorniga sandpartiklar och organiskt material samt en lågporositet, gav det gråa lagret en låg mättad hydraulisk konduktivitet. Ackumuleringen av finkorniga sandpartiklar skulle kunna bero på att finkornigt material lyfts från filtrens hörn, där sandlagret är tunnare, och fördelas över resterande delar av filtret vid återfyllnad efter rensning.   Mätningar av porositet visade att filterbädden kompakteras då det belastas av de fordon som används vid rensning. Resultaten tyder dock på att packningens utbredning och omfattning är sådan att den inte har någon större effekt på tryckfallet i filtret. / Stockholm is growing and with it the demand for drinking water. To meet the demand the capacity of the two water treatment plants in Norsborg and at Lovö must be increased. Both plants use water from the lake Mälaren which is treated using flocculation, sedimentation, rapid filtration, slow sand filtration, UV-light and the addition of chloramine. The estimated capacity of the slow sand filters has decreased at both plants during the last few years and is limiting the total production capacity. This study aims to find the cause of the capacity decrease and make suggestions for how the capacity could be increased. Only the water treatment plant at Lovö was examined in this study, but the results are considered to be relevant for the water treatment plant in Norsborg as well.   During recent years the runtime of the filters has been decreasing and the overall loss of hydraulic head has increased. In several filters it was noted that the hydraulic head loss after filter cleaning had increased over time. Filter load was examined during the period in which the loss in capacity took place. Neither had the filtration rate increased nor had the water quality decreased. A higher load could therefore be ruled out as the source of the capacity loss.   Hydraulic head loss distribution over the depth of the filter beds was examined using steel pipes placed in the filter bed at different depths. In two filters a large hydraulic head loss was found at a narrow section in the bottom of the filters. Holes were dug in the filter beds, from which a distinct grey layer could be observed. Sand analyses showed that an accumulation of fine sand particles and organic matter combined with a low porosity could have been what caused the large hydraulic head loss in the layer. This material could have originated from the corners of the filters. During filter refill, fine material was observed being suspended from the corners and spread across the filter.   Measurements of sand porosity suggested that the filter bed is compacted by the machines used to clean the filters. This however seemed to have a negligible effect on the hydraulic head loss in the filters.

The increasing highway traffic is leading to higher and higher levels of pollutants in the stormwater, such as suspended solids, metals, oils, nutrients and PAH. This runoff water causes the degradation of water bodies quality, leading to increased interest in the treatment of highway runoff for the removal of contaminants. Traditional treatments mostly consist of sedimentation, aimed primarily at the removal of suspended solids and particlebound contaminants. Recently the concern has shifted to the dissolved and colloidal fractions of contaminants as well, metals in particular, which makes reactive media filters a potentially interesting technology for runoff water treatment. However, very little research has been carried out on this technology so far, mostly in batch laboratory experiments with synthetic runoff water. This study aims at investigating the performance of four reactive media filters (Petrit T, Polonite, D-Rainclean and Filtralite-P) and a defined filter sand used for water processing at removing dissolved and particulate-bound metals. To achieve the goal, a pilot plant has been constructed in Gröndal, south of Stockholm, inside the existing Gröndalsmagasin, a full-scale stormwater treatment plant. The catchment area is located mostly on the E4 and Essingeleden, the highest trafficked motorway in Sweden with an AADT of 140 000 vehicles. A pump feeds the pilot plant from the Gröndalsmagasin outlet, after the stormwater has been treated with flocculation and sedimentation, and collects such water in a collection vessel. The five filter media columns are fed during runoff events with a flow scaled proportionally to the influent in the Gröndalsmagasin to mimic real conditions of flow and pollutant concentrations. Field measurements of pH, turbidity and conductivity, have been carried out during the trial. Samples have also been collected with flow proportional samplers connected to the collection vessel and the outlet of the five columns, as well as in the form of grab samples from sample ports at different depths in the columns. These samples have been sent to ALS Scandinavia AB to perform lab analysis. The pH in the effluent of the reactive filter media increased to values between 10 and 13, and slowly decreased during the trial. No difference was found between the pH in Filtersand outlet and the influent water. All materials showed excellent performance at removal of dissolved and particulate-bound Zn as well as particulate-bound Cu. Dissolved Cu was removed effectively by reactive media, and to a minor extent by Filtersand. Leaching of metals was observed from three materials: Filtersand released Mn during April, Polonite released Cr, with a very good correlation with the Chloride content and Petrit-T released Ba during the entire trials. / Den ökande vägtrafiken leder till allt högre halter av föroreningar i dagvattnet, till exampel suspenderade ämnen, metaller, oljor, närings ämnen och PAH. Detta dagvatten försämrar degradering av vattenförekomsternas kvalitet, vilket har lett till ett ökat intresse för rening av dagvatten fr ̊ån motorvägar för att avlägsna föroreningar. Traditionella behandlingar består oftast av sedimentering, som främst syftar till att reducera suspenderade ämnen och partikelbundna föroreningar. På senaste tiden har intresset förskjutits till att även omfatta lösta och kolloidala fraktioner av föroreningar, speciellt metaller, vilket gör reaktiva filtermaterial till en potentiellt intressant teknik f ̈or behandling av dagvatten. Mycket lite forskning har dock gjorts om denna teknik hittills, då oftast i laboratorieexperiment med syntetiskt dagvatten. Denna studie syftar till att undersöka hur fyra reaktiva mediafilter (Petrit T, Polonite, D-Rainclean och Filtralite-P) och en typ av sandfilter fungerar när det gäller att avlägsna lösta och partikelbundna metaller. F ̈or att uppnå målet har en pilotanläggning byggts i Gröndal, söder om Stockholm, inuti det existerande Gröndalsmagasinet, ett dagvattenreningsverk i full skala. Avrinningsområdet ligger vid E4 och Essingeleden, den mest trafikerade motorvägen i Sverige med en ÅDT på 140 000 fordon. En pump matar pilotanläggningen fr ̊ån Gröndalsmagasinets utlopp, efter att dagvattnet har behandlats med flockning och sedimentering, och samlas upp detta vatten i ett uppsamlingskärl. De fem filtreringskolonnerna matas under avrinningshändelserna med ett flöde som är proportionellt till inflödet till Gröndalsmagasinet för att imitera verkliga förhållanden av flöde och föroreningskoncentrationer. Mätningar av pH, turbiditet och konduktivitet har utförts under försöket. Prover har också samlats in med flödesproportionella provtagare som är kopplade till uppsamlingskärlet och utloppet fr ̊an de fem kolonnerna, samt i form av grabbprover fr ̊an provtagningsöppningar på olika djup i kolonnerna. Dessa prover har skickats till ALS Scandinavia AB för laboratorieanalys. pH-värdet i utflödet fr ̊ån det reaktiva filtermediet ökade till värden mellan 10 och 13 och sjönk långsamt under försöket. Ingen skillnad hittades mellan pH-värdet i filtrets utlopp och inflödesvattnet. Alla material visade mycket goda resultat när det gäller avlägsnande av löst och partikulät bundet Zn samt partikulärt bundet Cu. Lösta Cu avlägsnades mycket effektivt av reaktiva medier och i mindre utsträckning av Filtersand. Läckage av metaller observerades fr ̊ån tre material: Filtersand släppte ut Mn under April, Polonite släppte ut Cr, med en mycket god korrelation med kloridhalten och Petrit-T släppte ut Ba under hela försöket.