Achieving EU energy targets – Impacts of evolutionary and revolutionary transition paths on power systems

Ambitious energy targets set by EU put pressures to increase share of renewable electricity supply in this and next decades and therefore, some EU member countries have boosted increasing renewable energy generation capacity by implementing subsidy schemes on national level. In this study, two different change approaches to increase renewable energy supply and increase self-sufficiency of supply are assessed with respect to their impacts on power system, electricity market and electricity generation costs in Finland. It is obtained that the current electricity generation costs are high compared to opportunities of earnings from present-day investor’s perspective. In addition, the growth expectations of consumptions and the price forecasts do not stimulate investing in new generation capacity. Revolutionary transition path is driven by administrative and political interventions to achieve the energy targets. Evolutionary transition path is driven by market-based mechanisms, such as market itself and emission trading scheme. It is obtained in this study that in the revolutionary transition path operation of market-based mechanisms is distorted to some extent and it is likely that this path requires providing more public financial resources compared to evolutionary transition path. In the evolutionary transition path the energy targets are not achieved as quickly but market-based mechanisms function better and investment environment endures more stable compared to revolutionary transition path.

Lauhdevoimakapasiteetin ennenaikaisen poistumisen energiataloudelliset vaikutukset

Tässä diplomityössä on tutkittu lauhdekapasiteetin ennenaikaisen markkinoilta poistumisen energiataloudellisia vaikutuksia. Tarkastelu toteutettiin sähkömarkkinamallinnuksen avulla luomalla kaksi erilaista lauhdekapasiteettiskenaariota perustuen arvioituun lauhdekapasiteetin poistumiseen sekä vastavuoroisesti sen säilymiseen markkinoilla. Skenaarioiden vaikutuksia tutkittiin myös herkkyystarkasteluin ja tuloksia analysoitiin energiataloudellisesta näkökulmasta. Työn tavoitteena oli selvittää lauhdekapasiteetin ennenaikaisen poistumisen energiataloudellista kustannusta. Viime vuosien pitkittynyt talouden taantuma on hillinnyt kysynnän ennakoitua kehitystä johtaen alhaiseen sähkön markkinahintatasoon. Samalla tiukentuneet energiatuotannon ympäristövaatimukset asettavat investointirasitteita perinteisille voimalaitoksille heikentäen niiden taloudellisen kannattavuuden edellytyksiä. Markkinasähkön alhainen hintataso yhdessä investointirasitteiden kanssa asettaa haasteita etenkin usein rajatuotantomuotona toimiville lauhdelaitoksille. Alhaisen kannattavuuden seurauksena lauhdekapasiteettia arvioidaan poistuvan ennen teknisen käyttöiän täyttymistä markkinoilta merkittävästi lähivuosina. Kapasiteetin poistuminen kasvattaa oman tuotannon ja kysynnän välistä tehovajetta, minkä vuoksi sähköjärjestelmän nähdään tiukentuvan merkittävästi ennen rakenteilla olevan ydinvoimalaitoksen valmistumista. Työssä toteutettujen mallinnusten perusteella lauhdekapasiteetin väheneminen nostaa sähkön hintatasoa sekä lisää korkeiden hintapiikkien esiintymistä merkittävästi suhteessa korkeamman kapasiteetin tuloksiin. Sähköjärjestelmä on hyvin tiukka ennen rakenteilla olevan ydinvoimalaitoksen käyttöönottoa, minkä vuoksi lauhdekapasiteetin eroavaisuuksien vaikutukset ovat merkittävä etenkin poikkeuksellisen kylmänä vuotena. Lauhdekapasiteetin merkitys pienenee selvästi 2020-luvulla, kun oma tuotantokapasiteetti kasvaa. Työn tulosten perusteella lähivuosina alhaisemman lauhdekapasiteetin aiheuttama vuotuinen energiataloudellinen kustannus on huomattavasti korkeampi kuin laitosten kannattavan ylläpidon vaatima kustannus.

Yritysten sähkön kysyntäjouston tuotteistaminen

Muuttuva sähköntuotantorakenne yhdessä Euroopan yhdentyvien sähkömarkkinoiden kanssa muuttaa energiayhtiöiden toimintaympäristöä tulevaisuudessa. Markkinoilta poistu-va säätökykyinen lauhdevoima ja lisääntyvä säiden mukaan vaihteleva tuuli- ja aurin-koenergia lisäävät säätövoiman tarvetta energiajärjestelmässä. Osa lisääntyvästä säätövoi-man tarpeesta voidaan kattaa kulutuksen kysyntäjoustoa lisäämällä. Tässä työssä tavoitteena on kehittää Savon Voima Oyj:lle kysyntäjoutopalvelu yritysasiak-kaille. Työssä kartoitetaan kysyntäjouston eri markkinapaikkojen mahdollisuuksia kysyntä-jouston toteuttamiselle, sekä käydään läpi niiden asettamia rajoitteita kysyntäjouston to-teuttamisen kannalta. Työn osana kehitettyä kysyntäjouston potentiaalin laskentatyökalua käytetään arvioitaessa valittujen pilottiasiakkaiden potentiaalia Elspot-markkinoille osallistuvan kysyntäjouston osalta. Laskennan tulosten perusteella kysyntäjouston toteuttaminen Elspot-markkinoille on kannattavaa valittujen pilottiasiakkaiden kohdalla. Työssä käydään läpi kysyntäjoustopalvelun prosessia, sen vaiheita sekä huomioon otettavia asioita tarjottaessa kysyntäjoustopalvelua yrityksille. Lopuksi esitetään liiketoimintamalli, jolla palvelua lähdetään yritysasiakkaille tarjoamaan. Liiketoimintamallissa esitetään koh-deryhmät ja markkinat kysyntäjouston toteuttamiselle.

Hydrologisen tilanteen ja tuulivoimatuotannon muutosten vaikutus vesiarvoihin pohjoismaisilla sähkön spot-markkinoilla

Vesivoimalla on merkittävä rooli pohjoismaisessa sähköntuotantojärjestelmässä. Spot-markkinoille tarjottavan vesivoiman hinta riippuu vaihtoehtoisen tuotannon hinnasta ja odotetusta vesivoimantuottajien käytettävissä olevasta veteen sitoutuneen potentiaalienergian määrästä. Hydrologisella tilanteella tarkoitetaan tässä tämän potentiaalienergian poikkeamaa normaalitasostaan. Viime vuosina tuulivoimatuotanto pohjoismaisella sähkömarkkina-alueella on kasvanut voimakkaasti, ja on tullut aiheelliseksi tarkastella, millaisia vaikutuksia tällä on vesivoimantuottajien toimintaan. Työssä määritellään vesivoimalle vaihtoehtoisen sähköntuotannon tuotantokustannus, joka pitkällä aikavälillä toimii vertailutasona, jonka perusteella vesivoimantuottajat määrittävät markkinoilla tarjontahinnan tuotannolleen. Tarkastellaan, kuinka hydrologisen tilanteen ja vaihtoehtoisen tuotannon tuotantokustannusten muutokset vaikuttavat vesiarvoon, joka on hinta, jolla hintariippuvaista eli säätyvää vesivoimaa tarjotaan spot-markkinoille. Todetaan, että hydrologisen tilanteen vahvistuminen ja vaihtoehtoisen tuotantokustannuksen aleneminen alentavat vesiarvoja. Todetaan lisäksi, että tuulivoima vaikuttaa sähkön hinnanmuodostukseen markkinoilla samankaltaisesti kuin hintariippumaton vesivoimatuotanto. Esitetään aikasarjamalli vesivoimatuotannon hintariippuvuuden mallintamiseksi. Vertaillaan vesivoimatuottajien toimintaa kahdella vesivoimatuotantoa sisältävällä hinta-alueella, joista toisella tuulivoimatuotanto on kasvanut voimakkaammin kuin toisella. Havaitaan, että molemmilla hinta-alueilla hydrologisen tilanteen vahvistuminen on alentanut ja heikkeneminen nostanut vesiarvoja. Lisäksi havaitaan, että alueella, jonka tuulivoimatuotanto on kasvanut enemmän, vesiarvot ovat laskeneet suhteessa alueen, jolla tuulivoimatuotanto on kasvanut vähemmän, vesiarvoihin. Tuulivoiman voidaan todeta syrjäyttäneen markkinoilta tuotantokustannuksiltaan kalliimpaa tuotantoa.

Impacts of capacity remunerative mechanisms on cross-border trade

The European ambitious targets to increase the share of renewable generation pose a challenge to the generation adequacy. Many European member states are concerned that energy-only markets alone might not be able to deliver sufficient capacity required to meet the future electricity demand and back up shortfalls of energy from renewable energy sources (RES) during periods of low wind and sun. Many EU members consider to re-design their energy-only markets and establish different forms of capacity remunerative mechanisms (CRMs) to maintain the security of supply. There is a certain concern that market design changes at the level of EU member countries might conflict with the European goal of a single market. As soon as many European markets are highly interconnected, uncoordinated CRMs might create negative crossborder effects and hinder the achievement of the Internal Electricity Market in Europe. The pros and cons of capacity markets are well examined at the national level. However, the cross-border effects of capacity markets within the European market aiming at higher integration have received less attention. This doctoral dissertation examines the cross-border effects of unilateral implementation of CRMs applying both theoretical and case study analyses. The results show that capacity remunerative mechanisms (CRMs) may cause negative cross-border effects, especially if they are implemented unilaterally.

IP Telephony in Third Generation Mobile Systems: Transport Layer Dimensioning

Tämä diplomityö käsittelee kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmien kuljetuskerroksen mitoitusta. Nykyisten matkapuhelinverkkojen korvaajiksi suunnitellut kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmät tulevat yhdistämään perinteisen puhelinviestinnän ja uudenlaiset datapalvelut. Uudet verkot tulevat perustumaan pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon joka mahdollistaa molempien liikennetyyppien, puheen sekä datan, siirtämisen samassa verkossa. Tämän ratkaisun uskotaan tarjoavan paremmat mahdollisuudet uusien palvelujen luomiseen ja parantavan tiedonsiirtokapasiteettia. Siirtyminen pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon aiheuttaa kuitenkin suuria muutoksia verkkoarkkitehtuurissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan tulevien runkoverkkojen mitoitukseen liittyviä näkökohtia sekä muodostetaan alustavia kuljetuskerroksen mitoitusohjeita. Diplomityö on tehty osaksi diplomi-insinöörin tutkintoa Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa. Työ on tehty Nokia Networksin palveluksessa Helsingissä, vuoden 2000 toisella puoliskolla.

Collecting Transaction Data in a Fourth Generation Mobile Network

Tässä diplomityössä on oletettu että neljännen sukupolven mobiiliverkko on saumaton yhdistelmä olemassa olevia toisen ja kolmannen sukupolven langattomia verkkoja sekä lyhyen kantaman WLAN- ja Bluetooth-radiotekniikoita. Näiden tekniikoiden on myös oletettu olevan niin yhteensopivia ettei käyttäjä havaitse saanti verkon muuttumista. Työ esittelee neljännen sukupolven mobiiliverkkoihin liittyvien tärkeimpien langattomien tekniikoiden arkkitehtuurin ja perustoiminta-periaatteet. Työ kuvaa eri tekniikoita ja käytäntöjä tiedon mittaamiseen ja keräämiseen. Saatuja transaktiomittauksia voidaan käyttää tarjottaessa erilaistettuja palvelutasoja sekä verkko- ja palvelukapasiteetin optimoimisessa. Lisäksi työssä esitellään Internet Business Information Manager joka on ohjelmistokehys hajautetun tiedon keräämiseen. Sen keräämää mittaustietoa voidaan käyttää palvelun tason seurannassa j a raportoinnissa sekä laskutuksessa. Työn käytännön osuudessa piti kehittää langattoman verkon liikennettä seuraava agentti joka tarkkailisi palvelun laatua. Agentti sijaitsisi matkapuhelimessa mitaten verkon liikennettä. Agenttia ei kuitenkaan voitu toteuttaa koska ohjelmistoympäristö todettiin vajaaksi. Joka tapauksessa työ osoitti että käyttäjän näkökulmasta tietoa kerääville agenteille on todellinen tarve.

Assessment of Environmental Impacts of Power Generation

Through indisputable evidence of climate change and its link to the greenhouse gas emissions comes the necessity for change in energy production infrastructure during the coming decades. Through political conventions and restrictions energy industry is pushed toward using bigger share of renewable energy sources as energy supply. In addition to climate change, sustainable energy supply is another major issue for future development plans, but neither of these should come with unbearable price. All the power production types have environmental effects as well as strengths and weaknesses. Although each change comes with a price, right track in minimising the environmental impacts and energy supply security can be found by combining all possible low-carbon technologies and by improving energy efficiency in all sectors, for creating a new power production infrastructure of tolerable energy price and of minor environmental effects. GEMIS-Global Emission Model for Integrated Systems is a life-cycle analysis program which was used in this thesis to make indicative energy models for Finland’s future energy supply. Results indicate that the energy supply must comprise both high capacity nuclear power as well as large variation of renewable energy sources for minimization of all environmental effects and keeping energy price reasonable.

Forest Biomass Resources and Technological Prospects for the Production of Second-generation Biofuels in Finland by 2020

Introduction of second-generation biofuels is an essential factor for meeting the EU’s 2020 targets for renewable energy in the transport sector and enabling the more ambitious targets for 2030. Finland’s forest industry is strongly involved in the development and commercialising of second-generation biofuel production technologies. The goal of this paper is to provide a quantified insight into Finnish prospects for reaching the 2020 national renewable energy targets and concurrently becoming a large-scale producer of forest biomass based second-generation biofuels feeding the increasing demand in European markets. The focus of the paper is on assessing the potential for utilising forest biomass for liquid biofuels up to 2020. In addition, technological issues related to the production of second-generation biofuels were reviewed. Finland has good opportunities to realise a scenario to meet 2020 renewable energy targets and for large-scale production of wood based biofuels. In 2020, biofuel production from domestic forest biomass in Finland may reach nearly a million ton (40 PJ). With the existing biofuel production capacity (20 PJ/yr) and national biofuel consumption target (25 PJ) taken into account, the potential net export of biofuels from Finland in 2020 would be 35 PJ, corresponding to 2–3% of European demand. Commercialisation of second-generation biofuel production technologies, high utilisation of the sustainable harvesting potential of Finnish forest biomass, and allocation of a significant proportion of the pulpwood harvesting potential for energy purposes are prerequisites for this scenario. Large-scale import of raw biomass would enable remarkably greater biofuel production than is described in this paper.

Enhancing absorptive capacity in a non-research and development. An action research approach to converting individual observations into organisational awareness

The ability to recognize potential knowledge and convert it into business opportunities is one of the key factors of renewal in uncertain environments. This thesis examines absorptive capacity in the context of non-research and development innovation, with a primary focus on the social interaction that facilitates the absorption of knowledge. It proposes that everyone is and should be entitled to take part in the social interaction that shapes individual observations into innovations. Both innovation and absorptive capacity have been traditionally related to research and development departments and institutions. These innovations need to be adopted and adapted by others. This so-called waterfall model of innovations is only one aspect of new knowledge generation and innovation. In addition to this Science–Technology–Innovation perspective, more attention has been recently paid to the Doing–Using–Interacting mode of generating new knowledge and innovations. The amount of literature on absorptive capacity is vast, yet the concept is reified. The greater part of the literature links absorptive capacity to research and development departments. Some publications have focused on the nature of absorptive capacity in practice and the role of social interaction in enhancing it. Recent literature on absorptive capacity calls for studies that shed light on the relationship between individual absorptive capacity and organisational absorptive capacity. There has also been a call to examine absorptive capacity in non-research and development environments. Drawing on the literature on employee-driven innovation and social capital, this thesis looks at how individual observations and ideas are converted into something that an organisation can use. The critical phases of absorptive capacity, during which the ideas of individuals are incorporated into a group context, are assimilation and transformation. These two phases are seen as complementary: whereas assimilation is the application of easy-to-accept knowledge, transformation challenges the current way of thinking. The two require distinct kinds of social interaction and practices. The results of this study can been crystallised thus: “Enhancing absorptive capacity in practicebased non-research and development context is to organise the optimal circumstances for social interaction. Every individual is a potential source of signals leading to innovations. The individual, thus, recognises opportunities and acquires signals. Through the social interaction processes of assimilation and transformation, these signals are processed into the organisation’s reality and language. The conditions of creative social capital facilitate the interplay between assimilation and transformation. An organisation that strives for employee-driven innovation gains the benefits of a broader surface for opportunity recognition and faster absorption.” If organisations and managers become more aware of the benefits of enhancing absorptive capacity in practice, they have reason to assign resources to those practices that facilitate the creation of absorptive capacity. By recognising the underlying social mechanisms and structural features that lead either to assimilation or transformation, it is easier to balance between renewal and effective operations.

Cascade hydropower capacity increase profitability analysis with optimisation modelling

The electricity market and climate are both undergoing a change. The changes impact hydropower and provoke an interest for hydropower capacity increases. In this thesis a new methodology was developed utilising short-term hydropower optimisation and planning software for better capacity increase profitability analysis accuracy. In the methodology income increases are calculated in month long periods while varying average discharge and electricity price volatility. The monthly incomes are used for constructing year scenarios, and from different types of year scenarios a long-term profitability analysis can be made. Average price development is included utilising a multiplier. The method was applied on Oulujoki hydropower plants. It was found that the capacity additions that were analysed for Oulujoki were not profitable. However, the methodology was found versatile and useful. The result showed that short periods of peaking prices play major role in the profitability of capacity increases. Adding more discharge capacity to hydropower plants that initially bypassed water more often showed the best improvements both in income and power generation profile flexibility.