Integrating distributed generation and Smart Grids into single-family house

This study examines Smart Grids and distributed generation, which is connected to a single-family house. The distributed generation comprises small wind power plant and solar panels. The study is done from the consumer point of view and it is divided into two parts. The first part presents the theoretical part and the second part presents the research part. The theoretical part consists of the definition of distributed generation, wind power, solar energy and Smart Grids. The study examines what the Smart Grids will enable. New technology concerning Smart Grids is also examined. The research part introduces wind and sun conditions from two countries. The countries are Finland and Germany. According to the wind and sun conditions of these two countries, the annual electricity production from wind power plant and solar panels will be calculated. The costs of generating electricity from wind and solar energy are calculated from the results of annual electricity productions. The study will also deal with feed-in tariffs, which are supporting systems for renewable energy resources. It is examined in the study, if it is cost-effective for the consumers to use the produced electricity by themselves or sell it to the grid. Finally, figures for both countries are formed. The figures include the calculated cost of generating electricity from wind power plant and solar panels, retail and wholesale prices and feed-in tariffs. In Finland, it is not cost-effective to sell the produced electricity to the grid, before there are support systems. In Germany, it is cost-effective to sell the produced electricity from solar panels to the grid because of feed-in tariffs. On the other hand, in Germany it is cost-effective to produce electricity from wind to own use because the retail price is higher than the produced electricity from wind.

Technological and business challenges of smart grids

Growing recognition of the electricity grid modernization to enable new electricity generation and consumption schemes has found articulation in the vision of the Smart Grid platform. The essence of this vision is an autonomous network with two-way electricity power flows and extensive real-time information between the generation nodes, various electricity-dependent appliances and all points in-between. Three major components of the Smart Grids are distributed intelligence, communication technologies, and automated control systems. The aim of this thesis is to recognize the challenges that Smart Grids are facing, while extinguishing the main driving factors for their introduction. The scope of the thesis also covers possible place of electricity Aggregator Company in the current and future electricity markets. Basic functions of an aggregator and possible revenue sources along with demand response feasibility calculations are reviewed within this thesis.

Assessment of techno-economic use cases for small-scale island grids

The main objective of the study was to define the methodology for assessing the limits for application island grids instead of interconnecting with existing grid infrastructure. The model for simulation of grid extension distance and levelised cost of electricity has been developed and validated by the case study in Finland. Thereafter, sensitivities of the application limits were examined with the respect to operational environment, load conditions, supply security and geographical location. Finally, recommendations for the small-scale rural electrification projects in the market economy environment have been proposed.

Offering planning with support of roadmapping in project business

Tämän tutkielman tavoitteena on tutkia kuinka roadmapping-tekniikkaa voidaan käyttää tarjonnan suunnittelun tukena uusien tuotteiden valmistamisen yhteydessä. Työ koostuu teoreettisesta ja käytännönläheisestä osasta. Teoreettinen runko on luotu selventämään kuinka tämän hetkisen tutkimus- ja kehitys projektit lopulta muodostavat tulevaisuuden tarjoaman. Menestyksekkään tuotetarjoaman luominen vaatii, sekä uusien teknologioiden kehittämistä, että markkinoilla olevien asiakkaiden tarpeiden ymmärtämistä. Asiakassuuntaisten tuotteiden kehittäminen vaatii toimintaympäristöstä ja asiakasrajapinnasta tulevien signaalien tunnistamista ja niiden ohjaamista tuote- ja teknologia platformeille. Strategia luodaan tukemaan päätöksentekoa prosessin eri vaiheissa. Yrityskohtainen osio koostuu analyysistä, joka on tehty teetetyn kyselyn ja haas-tattelujen pohjalta. Osana analyysia ovat Major project-yksikön tämänhetkinen tarjonnansuunnitteluprosessi, strategian soveltaminen, informaation kerääminen ja priorisointi, portfolionhallinta ja roadmap-tekniikan käyttö. Ratkaisussa on esitet-ty tarjonnan suunnitteluprosessi ja siihen liittyvät kriittiset komponentit. Roadmapping-tekniikkaaon luotu yhdistämään toimintaympäristö, tuotteet ja teknologia toisiinsa. Toimintaympäristö ja tuotteet on yhdistetty myös linked-grids-tekniikan avulla.

Microgrids and their operations

Interconnection of loads and small size generation forms a new type of distribution systems, the Microgrid. The microgrids can be operated together with the utility grid or be operated autonomously in an island. Thesesmall grids present a new paradigm of the construction of the low voltage distribution systems. The microgrids in the distribution systems can become small, controllable units, which immediately react to the system's changes. Along with that the microgrids can realize the special properties, such as increasing the reliability, reducing losses, voltage sag correction, uninterruptible supplying. The goals of the thesis are to explain the principles of the microgrid's functioning, to clarify the main ideas and positive features of the microgrids, to find out and prove their advantages and explain why they are so popular nowadays all over the world. The practical aims of the thesis are to construct and build a test setup of a microgrid based on two inverters from SMA Technologie AG in the laboratory and to test all the main modes and parameters of the microgrid's operating. Also the purpose of the thesis is to test the main component of the microgrid - the battery inverter which controls allthe processes and energy flows inside a microgrid and communicates with the main grid. Based on received data the main contribution of the thesis consists of the estimation of the established microgrid from the reliability, economy and simplicity of operating points of view and evaluation ofthe advisability of its use in different conditions. Moreover, the thesis assumes to give the recommendations and advice for the future investigations of the built system.

From the Resource-Base to Firm Boundaries in the Electricity Network Business - Case Lappeenrannan Energia Oy

Tutkielman tavoitteena oli selvittääcase -yrityksen resurssi- ja kyvykkyyspohjaa resurssiperustaisen näkemyksen mukaan, sekä yrityksen rajoja transaktiokustannusteorian mukaan. Tutkimusongelmia lähestyttiin kirjallisuuskatsauksella, puoli-strukturoiduilla teemahaastatteluilla, sekä kyselylomakkeilla. Tutkielman päätuloksiksi voidaan Tukea löydetty resurssikuilu, resurssien ja kyvykkyyksien tutkinta, sekä kyselylomakkeiden rakentaminen ja käyttö. Tutkielman paljastamasta kuilusta voidaan erottaa kolme päähaastetta; ikääntyvät sähköverkot, ikääntyvä henkilökunta ja liiketoimintaosaamisen puute. Lisäksi resurssien ja kyvykkyyksien tutkinta nosti esille organisaation rutiineja ja prosesseja, ja kyselylomakkeet osoittautuivat varsin toimiviksi tutkimuksen kontekstissa. Yhteenvetona voidaan todeta, että sähköverkkoliiketoiminta ja case yritys ovat suuren rakennemuutoksen alla, joka tuo mukanaan suuria haasteita myös lähitulevaisuudessa.

Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.

3D Surface Modeling From Point Clouds

The goal of this thesis is to implement software for creating 3D models from point clouds. Point clouds are acquired with stereo cameras, monocular systems or laser scanners. The created 3D models are triangular models or NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) models. Triangular models are constructed from selected areas from the point clouds and resulted triangular models are translated into a set of quads. The quads are further translated into an estimated grid structure and used for NURBS surface approximation. Finally, we have a set of NURBS surfaces which represent the whole model. The problem wasn’t so easy to solve. The selected triangular surface reconstruction algorithm did not deal well with noise in point clouds. To handle this problem, a clustering method is introduced for simplificating the model and removing noise. As we had better results with the smaller point clouds produced by clustering, we used points in clusters to better estimate the grids for NURBS models. The overall results were good when the point cloud did not have much noise. The point clouds with small amount of error had good results as the triangular model was solid. NURBS surface reconstruction performed well on solid models.

Energiatiedon hallintajärjestelmän suorituskyvyn määrittäminen ja todentaminen

Sähkömarkkinoiden vapautumisen jälkeen energia-alalle on muodostunut entistä suurempi kysyntä kehittyneille energiatiedon hallintaaan erikoistuneille tietojärjestelmille. Uudet lakisäädökset sekä tulevaisuuden kokonaisvaltaiset tiedonkeruujärjestelmät, kuten älykkäät mittarit ja älykkäät sähköverkot, tuovat mukanaan entistä suuremman prosessoitavan tietovirran. Nykyaikaisen energiatietojärjestelmän on kyettävä vastaamaan haasteeseen ja palveltava asiakkaan vaatimuksia tehokkaasti prosessien suorituskyvyn kärsimättä. Tietojärjestelmän prosessien on oltava myös skaalautuvia, jotta tulevaisuuden lisääntyneet prosessointitarpeet ovat hallittavissa. Tässä työssä kuvataan nykyaikaisen energiatietojärjestelmän keskeiset energiatiedon hallintaan ja varastointiin liittyvät komponentit. Työssä esitellään myös älykkäiden mittareiden perusperiaate ja niiden tuomat edut energia-alalla. Lisäksi työssä kuvataan visioita tulevaisuuden älykkäiden sähköverkkojen toteutusmahdollisuuksista. Diplomityössä esitellään keskeisiä suorituskykyyn liittyviä kokonaisuuksia. Lisäksi työssä kuvataan keskeiset suorituskyvyn mittarit sekä suorituskykyvaatimukset. Järjestelmän suorituskyvyn arvioinnin toteuttamiseen on erilaisia menetelmiä, joista tässä työssä kuvataan yksi sen keskeisine periaatteineen. Suorituskyvyn analysointiin käytetään erilaisia tekniikoita, joista tässä diplomityössä esitellään tarkemmin järjestelmän mittaus. Työssä toteutetaan myös case-tutkimus, jossa analysoidaan mittaustiedon sisääntuontiin käytettävän prosessin kahta eri kehitysversiota ja näiden suorituskykyominaisuuksia. Kehitysversioiden vertailussa havaitaan, että uusi versio on selkeästi edellistä versiota nopeampi. Case-tutkimuksessa määritetään myös suorituskyvyn kannalta optimaalinen rinnakkaisprosessien määrä ja tutkitaan prosessin skaalautuvuutta. Tutkimuksessa todetaan, että uusi kehitysversio skaalautuu lineaarisesti.

Älykkäät sähköverkot

Tässä diplomityössä esitellään älykkäiden sähköverkkojen ominaisuuksia. Tavoitteena on selvittää, millaisia hyötyjä sähköverkkojen uudistamisella voidaan saavuttaa. Lisäksi työssä selvitetään syitä, jotka ovat ajaneet sähköverkkojen uudistamiseen. Älykäs sähkönmittaus on tärkeä osa älykkäitä sähköverkkoja, ja työssä on esitelty älykkäiden sähkömittareiden tilannetta eri maissa. Diplomityö selvittää myös hajautetun pientuotannon roolia sähköntuotannossa. Työn loppupuolella on esitelty muutama smart grid -projekti Euroopasta. Projektit valittiin Euroopasta, koska smart grids on oleellinen tekijä Euroopan komission 20/20/20 -tavoitteessa. Molemmat projektit kulminoituvat täysin älykkään sähkönmittauksen liittämiseen osaksi kuluttajien sähkönmittausta. Esimerkkien avulla nähdään, millaisella aikataululla älykkäitä sähköverkkoja saadaan aikaan ja kuinka suuria verkostokokonaisuuksia tulevaisuuden sähköverkot ovat.

Kaupunkialueella toimivan sähkönjakeluverkkoyhtiön siirtohinnoittelun kehittäminen

Sähkönjakeluverkkoyhtiöllä on sähkön siirtopalveluun alueellinen monopoli. Siirtohinnoittelun reunaehdot tulevat sähkömarkkinalaista ja hintojen kohtuullisuutta valvoo ja sääntelee Energiamarkkinavirasto. Tässä työssä selvitetään Turku Energia Sähköverkot Oy:lle kustannusvastaavat aiheuttamisperiaatteen mukaiset siirtohinnat. Samalla muodostetaan yleis-, yö- ja kausituotteiden perusmaksuihin asiakkaan liittymispisteen pääsulakkeen kokoon perustuva porrastus. Sulakeporrastuksen käyttöönotolla pystytään kehittämään siirtohinnoittelun kustannusvastaavuutta ja noudattamaan aiheuttamisperiaatteen mukaista hinnoittelupolitiikkaa entistä paremmin. Työssä tutkitaan siirtohinnoittelun kehitysnäkymiä myös pidemmällä tähtäimellä. Älykkäiden sähköverkkojen kehittyminen ja erityisesti etäluettavien mittareiden käyttöönotto tulevat luomaan kehitysmahdollisuuksia siirtohinnoitteluun tulevaisuudessa. Laitteista saatavia tarkkoja sähkönkulutus- ja tehotietoja voidaan käyttää kustannusvastaavuuslaskennan taustalla. Jotta verkon käyttö olisi sen mitoitukseen nähden mahdollisimman tehokasta, tulisi kuorman jakautua mahdollisimman tasaisesti ajan suhteen. Verkossa esiintyviä kulutushuippuja pystytään tulevaisuudessa mahdollisesti tasoittamaan esimerkiksi kuorman ohjauksen avulla, jonka tehokeinona voidaan käyttää siirtohinnoittelua. Siirtohinnoilla voidaan mahdollisesti vaikuttaa myös esimerkiksi kulutuksen ja tuotannon ajoittamiseen sekä kannusta asiakkaita loistehon kompensointiin. Siirtotuotteiden täytyy myös kehittyä asiakkaiden tarpeiden kehittymisen rinnalla ja esimerkiksi sähkön laadun tuotteistaminen voi olla eräs keino vastaamaan tiukentuneisiin vaatimuksiin.

Tuulivoiman verkkomääräykset Euroopassa ja Yhdysvalloissa sekä niiden kehittyminen tulevaisuudessa älykkäiden sähköverkkojen kannalta

Tuulivoimatekniikan nopea kehitys on lisännyt tuulivoimakapasiteetin määrää sähköverkoissa. Eri maiden siirtoverkko-operaattorit ovatkin julkaisseet tuulivoimaloille omat verkkomääräyksensä. Työssä tutkitaan tuulivoimaloiden tekniikkaa, eri maiden verkko-operaattoreiden asettamia verkkomääräyksiä tuulivoimalle sekä arvioidaan näiden kehitystä tulevaisuudessa. Tutkittaviksi alueiksi on valittu maita, joiden siirtoverkot ovat rakenteeltaan erilaisia ja joissa tuulivoimaloille asetetut vaatimukset sekä asennetun tuulivoimakapasiteetin määrät vaihtelevat. Verkkomääräyksiä käsitellessä on keskitytty vain tärkeimpiin teknisiin vaatimuksiin. Eri verkkomääräykset eroavat toisistaan rakenteeltaan sekä vaatimuksiltaan ja ne ovat tiukentuneet tuulivoiman osuuden kasvaessa kokonaisenergiantuotannosta. Tämä on vaikeuttanut sähköverkoissa toimivien osapuolien operointia. Verkkomääräyksien harmonisoinnille ja kehittämiselle onkin tarvetta verkon kaikkien osapuolien toimintaedellytyksien parantamiseksi. Tuulivoimaloiden sisältämän tehoelektroniikan ja älykkäiden sähköverkkojen kehityksen myötä voidaan tuulivoimalla saavuttaa myös monia etuja esimerkiksi muihin tuotantotapoihin verrattuna.

Diffusion of Smart Meters in Central East Europe

The present study deals with innovation diffusion as the central component of innovation process and takes smart meters as a concrete example from the electric power industry. Smart meters are seen as key enablers of the industry-wide shift towards smart grids and are recognized by the European Union as means of reaching its environmental and energy goals. However, the spread of smart meters through the market, especially in Central East Europe (CEE), is not corresponding to the expectations and identified benefits. The current work synthesizes available data for the under-researched geographical region of CEE and clarifies the process of smart meter diffusion and drivers behind it. In addition to innovation theories the methods applied are rate of adoption and thematic analysis. The results prove the large gap between optimal and actual diffusion as well as the lagging position of CEE in comparison to the EU’s market leaders. The smart metering market is driven from bottom-up and the majority of CEE countries have already carried out or started the initial activities. Therefore, in coming years more intensive smart meters deployment will be seen.

Hajautetun tuotannon verkkoonliittäminen - verkkokoodit ja käytännön toimet

Euroopan unionin asettamat uusiutuvan energian lisäämistavoitteet ovat kasvattaneet hajautetun tuotannon määrää Euroopassa. Eri hajautetun tuotannon verkkokoodit asettavat tuotantolaitoksille omat vaatimuksensa, mikä vaikeuttaa eri toimijoita, joten yhtenäiselle verkkokoodille on tarvetta. ENTSO-E onkin luomassa tällä hetkellä Euroopan unionille yhtenäisiä pilottiverkkokoodeja, joiden tarkoitus on myöhemmin kattaa kaikkia tuotantolaitoksia koko Euroopassa. Tämän vuoksi ENTSO-E:n verkkokoodien vaatimuksia on syytä tutkia. Tässä diplomityössä tarkastellaan hajautetun tuotannon nykyisiä ja ENTSO-E:n kehitteillä olevia verkkokoodeja. Työssä tutkitaan myös älykkäiden verkkojen ja verkkokoodien kehitystä. Verkkokoodien vertailuja suoritetaan pohjoismaisesta näkökulmasta, mutta vertailuun on otettu myös muita Euroopan maita. Tarkastelu painottuu siirto- ja jakeluverkkokoodien osalta tuulivoimalle asetettaviin vaatimuksiin. Mikrotuotannon verkkokoodien ja käytännön toimien tarkastelu keskittyy invertterin kautta verkkoonliitettäviin tuotantolaitoksiin, joissa aurinkotuotanto on merkittävin tuotantomuoto.

Sähköntuotannon pienjänniteverkkoon liittäminen - määräykset ja sähköturvallisuus

Älykkäiden sähköverkkojen (Smart Grid) avulla pyritään vastaamaan sähkönkäytön tehostamisvaatimuksiin. Pientuotanto on yksi tärkeimmistä älykkäiden sähköverkkojen osatekijöistä. Suomessa yksityishenkilöiden innostus omaan sähköntuotantoon ei ole vielä virinnyt, monista eri tekijöistä johtuen. Tulevaisuuden sähköverkoissa pientuotannon rooli on kuitenkin merkittävä. Diplomityössä tarkastellaan pientuotannon yleistymisen edellytyksiä ja tuotannon pienjänniteverkkoon liittämistä. Pientuotannon potentiaalia tarkastellaan eri tuotantomuotojen ja niiden kannattavuuden näkökulmasta. Työn tärkein osuus keskittyy verkkoonliittämismääräyksiin ja sähköturvallisuuteen. Pienjänniteverkkoon liitetty tuotantolaitos on uusi syöttöpiste verkossa ja aiheuttaa esimerkiksi suojaushaasteita. Lisäksi aihepiiri on vielä uusi ja toimintamenetelmät ovat osin vaillinaisia. Työssä esitetään tärkeimmät haasteet, pohditaan niiden merkittävyyttä ja käydään läpi ratkaisuvaihtoehtoja. Selviä teknisiä esteitä pientuotannon yleistymiselle ei Suomessa ole.