Comparison of sustainability of technologies for water desalination

The aim of this work is to perform an in-depth overview on the sustainability of several major commercialized technologies for water desalination and to identify the challenges and propose suggestions for the development of water desalination technologies. The overview of those technologies mainly focuses on the sustainability from the viewpoint of total capital investment, total product cost, energy consumption and global warming index. Additionally, a systematic sustainability assessment methodology has been introduced to validate the assessment process. Conclusions are:1) Reverse osmosis desalination (RO) plants are better than multi-stage flash distillation (MSF) desalination plants and multiple-effect distillation (MED) desalination plants from the viewpoint of energy consumption, global warming index and total production cost; 2)Though energy intensive, MSF plants and MED plants secure their advantages over RO plants by lower total capital investment, wider applicability and purer water desalted and they are still likely to flourish in energy-rich area;3) Water production stage and wastewater disposal stage are the two stages during which most pollutant gases are emitted. The water production stage alone contributes approximately 80~90% of the total pollutant gases emission during its life cycle; 4)The total capital cost per m3 desalted water decreases remarkably with the increasing of plant capacity. The differences between the capital cost per m3 desalted water of RO and other desalination plants will decrease as the capacity increases; 5) It is found that utilities costs serve as the major part of the total product cost, and they account for 91.16%, 85.55% and 71.26% of the total product cost for MSF, MED and RO plants, respectively; 6) The absolute superiority of given technology depends on the actual social-economic situation (energy prices, social policies, technology advancements).

Kuivajätehuollon hiilijalanjälki ja kustannukset sekä kuljetusten kilpailutus – Etelä-Karjalan aluekeräyspisteverkoston päivitys

Tutkimuksen tavoitteena oli yhtenäistää Etelä-Karjalan alueen erilaisia tapoja toimia alueke-räyksen suhteen. Aluekeräyksellä tarkoitetaan jätteiden keräystä pisteiltä, joihin kotitaloudet, jotka eivät kuulu kiinteistökohtaiseen keräykseen, voivat tuoda syntypaikkalajitellun kuiva- eli sekajätteensä. Tavoitteena oli myös saada tietoa siitä, minkälaiset ovat eri kuivajätehuoltovaihtoehtojen ilmastonmuutos- ja kustannusvaikutukset. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, miten ympäristönäkökohdat voidaan ottaa huomioon kuljetuskilpailutuksissa. Tutkimuksessa kerättiin tietoa internetistä, opinnäytetöistä ja tieteellisistä artikkeleista sekä yritysten edustajilta. Kasvihuonekaasupäästöjen laskennassa hyödynnettiin GaBi 6.0 -elinkaariarviointiohjelmaa. Tutkimuksen perusteella aluekeräyspisteet kannattaa sijoittaa reiteille, joita asukkaat käyttävät vähintään kerran viikossa ja mitkä ovat optimaalisesti myös kuljetusurakoitsijan kannalta. Taajama-alueelle ei nähty suositeltavaksi sijoittaa aluekeräyspisteitä. Suositeltavina astioina aluekeräyspisteille nähtiin syväkeräyssäiliöt, joiden tyhjennys onnistuu samalla keräyskalustolla kuin kiinteistöjen jäteastioiden, kun ajoneuvo on varustettu puominosturilla. Suositeltavaksi nähtiin myös harventaa jäteastioiden talvityhjennystiheyksiä, jos tyhjennystiheys on vakio ympäri vuoden, sillä pääosa aluekeräyspisteiden käyttäjistä on loma-asukkaita. Tyhjennystiheyksien harvennuksella olisi mahdollista saavuttaa kustannussäästöjä. Tutkimuksessa laskettiin kuivajätteen elinkaarenaikaisia kasvihuonekaasupäästöjä kuivajätteen keräyksestä loppusijoitukseen ja energiahyötykäyttöön. Energiahyötykäyttökohteiksi valittiin Riihimäen, Kotkan sekä Leppävirran (suunnitteilla) jätteenpolttolaitokset. Tulosten pohjalta kuivajätteen energiahyötykäyttö oli loppusijoitusta selkeästi parempi vaihtoehto. Kuivajätteen keräys- ja kuljetuspäästöjen vaikutus oli pieni. Kuivajätteen kuljetusmatkan pituus jätteenpolttolaitokselle ei ole siis ratkaisevassa roolissa kokonaiskasvihuonekaasupäästöjä tarkasteltaessa. Etäisyyttä suurempi vaikutus onkin kuivajätteen koostumuksella, polttolaitosten vuosihyötysuhteilla ja korvattavilla polttoaineilla. Jatkossa suositellaan selvittämään vielä vaihtoehtoisia käsittelytapoja kuivajätteen sisältämälle sekamuovijakeelle, jonka poltosta aiheutuu merkittävä osuus (noin 74 %) kuivajätteen polton kasvihuonekaasupäästöistä. Ajankohtaisia kuljetuskilpailutuksia varten tarkasteltiin vielä tarkemmin keräys- ja kuljetuspäästöjä. Tulosten pohjalta havaittiin, että keräys- ja kuljetuspäästöjä on mahdollista vähentää reilusti (46–74 %) siirtymällä dieselistä biopolttoaineiden käyttöön. Tuloksiin vaikuttaa kuitenkin merkittävästi, minkälaisista raaka-aineista biopolttoaineet on valmistettu. Kuivajätteen keräyspäästöjä on mahdollista pienentää myös päivittämällä aluekeräyspisteverkostoa. Tutkimuksessa tarkasteltiin kustannuksia aluekeräyspisteiden astioiden uusinnasta tai korjauksesta kuivajätteen loppusijoitukseen tai energiahyötykäyttöön asti. Merkittävimmät kustannukset aiheutuivat kuivajätteen loppusijoituksesta, energiahyötykäytöstä sekä keräyksestä. Kustannusten näkökulmasta keräyksen rooli oli siis suurempi. Työn lopussa annettiin vielä vinkkejä, joiden avulla jätehuoltoyritykset voivat tehdä jätekuljetushankintoja ympäristönäkökohdat huomioiden. Usein selkein tapa huomioida ympäristönäkökohdat kuljetuskilpailutuksissa on asettaa riittävän tiukkoja pakollisia vaatimuksia, jolloin voi valita hinnaltaan halvimman vaihtoehdon. Kuljetuspalvelun hankinnassa tulee huomioida ainakin energiankulutus, hiilidioksidi-, typenoksidi-, hiilivety- ja hiukkaspäästöt. Lainsäädäntö ei määrää vähimmäistasoja, vaan hankintaa tehdessä kannattaa kartoittaa markkinatilanne, jotta vaatimukset osaa asettaa oikealle tasolle. Markkinoille kannattaa myös tiedottaa tulevaisuuden tarpeista ja suunnitelmista. Suuria hankintakokonaisuuksia suositellaan pilkottavan pienempiin osiin, jotta pienet ja keskisuuret yritykset pystyvät myös osallistumaan tarjouskilpailuihin. Kannustus innovaatioiden huomioimiseen hankinnoissa on lisääntynyt myös jätehuollon alalla. Selvitettyjen kasvihuonekaasupäästöjen perusteella oli merkille pantavaa, miten suuri vaikutus polttolaitoksen valinnalla oli kasvihuonekaasupäästöihin. Oleellista onkin huomioida ympäristönäkökohdat myös energiahyötykäyttökohdetta valittaessa.

Aurinkosähkön kannattavuustarkastelu jäähallilla

Tässä kandidaatintyössä selvitetään aurinkosähkön kannattavuutta jäähallissa. Tutkimuksessa huomioidaan paikallisten olosuhteiden kuten auringon säteilynmäärän, lämpötilan ja paneelien asennussuunnan vaikutus tuotetun aurinkosähkön määrään. Tuotannon soveltuvuutta arvioidaan vertaamalla simuloituja aurinkosähkön tuotantolukemia jäähallin sähkönkulutusprofiiliin. Sähkönkulutustiedot perustuvat etäluettavan sähkömittarin tunnittaisiin mittaustuloksiin. Investoinnin kannattavuutta arvioidaan yleisesti käytettyjen tunnuslukujen valossa, jotka lasketaan yksityiskohtaisen tarkastelun avulla. Lisäksi tunnuslukuja analysoidaan herkkyysanalyysiin avulla.

Potential for Greenhouse Gas Emission Reductions by Using Biomethane as a Road Transportation Fuel

The aim of this thesis is to study whether the use of biomethane as a transportation fuel is reasonable from climate change perspective. In order to identify potentials and challenges for the reduction of greenhouse gas (GHG) emissions, this dissertation focuses on GHG emission comparisons, on feasibility studies and on the effects of various calculation methodologies. The GHG emissions calculations are carried out by using life cycle assessment (LCA) methodologies. The aim of these LCA studies is to figure out the key parameters affecting the GHG emission saving potential of biomethane production and use and to give recommendations related to methodological choices. The feasibility studies are also carried out from the life cycle perspective by dividing the biomethane production chain for various operators along the life cycle of biomethane in order to recognize economic bottlenecks. Biomethane use in the transportation sector leads to GHG emission reductions compared to fossil transportation fuels in most cases. In addition, electricity and heat production from landfill gas, biogas or biomethane leads to GHG reductions as well. Electricity production for electric vehicles is also a potential route to direct biogas or biomethane energy to transportation sector. However, various factors along the life cycle of biomethane affect the GHG reduction potentials. Furthermore, the methodological selections have significant effects on the results. From economic perspective, there are factors related to different operators along the life cycle of biomethane, which are not encouraging biomethane use in the transportation sector. To minimize the greenhouse gas emissions from the life cycle of biomethane, waste feedstock should be preferred. In addition, energy consumption, methane leakages, digestate utilization and the current use of feedstock or biogas are also key factors. To increase the use of biomethane in the transportation sector, political steering is needed to improve the feasibility for the operators. From methodological perspective, it is important to recognize the aim of the life cycle assessment study. The life cycle assessment studies can be divided into two categories: 1.) To produce average GHG information of biomethane to evaluate the acceptability of biomethane use compared to fossil transportation fuels. 2.) To produce GHG information of biomethane related to actual decision-making situations. This helps to figure out the actual GHG emission changes in cases when feedstock, biogas or biomethane are already in other use. For example directing biogas from electricity production to transportation use does not necessarily lead to additional GHG emission reductions. The use of biomethane seems to have a lot of potential for the reduction of greenhouse gas emissions as a transportation fuel. However, there are various aspects related to production processes, to the current use of feedstock or biogas and to the feasibility that have to be taken into account.

Kiinteistöautomaatio osana älykkäitä sähköjärjestelmiä

Työssä tarkasteltiin älykkäiden sähköverkkojen näkökulmasta, millaisia toiminnallisuuksia kiinteistöautomaatiojärjestelmiltä odotetaan ja miten markkinoilla olevat järjestelmät vastaavat näihin odotuksiin. Lisäksi arvioitiin, kuinka taloudellisesti kannattavia valittuihin automaatiojärjestelmiin kuuluvat energian käytön hallintaan liittyvät toiminnallisuudet ovat sähkönkäyttäjien näkökulmasta. Lopuksi tehtiin lyhyt katsaus kiinteistöautomaatiojärjestelmien tulevaisuuden näkymiin. Kiinteistöautomaatiolla voidaan vaikuttaa energian käytön tehokkuuteen ohjaamalla esimerkiksi valaistusta, ilmanvaihtoa, ilmastointia, lämmitystä ja sähkölaitteita. Eräs vaihtoehto on toteuttaa ohjauksen avulla markkinapohjaista kysyntäjoustoa, jossa kiinteistön sähköjärjestelmän toimintaa säädetään sähkön hinnan perusteella. Kiinteistössä tulee myös voida tehdä laitekohtaisia energiankulutuksen mittauksia, jotka antavat tietoa sähkönkäyttäjille eri laitteiden sähkönkulutuksesta. Kiinteistöautomaation ja sähkön pientuotannon yleistymisen myötä on myös etähallittavien virtuaalivoimaloiden toteuttaminen tulossa mahdolliseksi. Lisäksi laskettiin sähkönkäyttäjän kannalta lämmityksen, valaistuksen ja ilmanvaihdon ohjauksen kannattavuutta ja selvitettiin, että tutkituissa esimerkkijärjestelmissä suurin säästöpotentiaali on lämmityksen ohjauksessa.

Pohjapaperin kustannusrakenteen optimointi

Kilpailulliset tekijät ovat johtaneet paperin valmistajat miettimään keinoja valmistuskustannusten leikkaamiseksi. Yksi keino on optimoida raaka-aineiden käyttöä, jota on tehty tässä diplomityössä. Työn tarkoitus on selvittää koeajoin mahdollisuudet kalliimpien raaka-aineiden korvaamiseen edullisemmilla, säilyttäen kuitenkin pohjapaperin laadulliset ominaisuudet. Työ on toteutettu UPM Kymmene Oyj:n Jokilaakson tehtailla, Jämsänkosken paperitehtaan Tarrapaperit-osastolla. Työssä on käytetty apuna tietokoneohjelmia mallintamaan ja simuloimaan paperissa ja paperin kustannusrakenteessa tapahtuvia muutoksia, mutta merkittävimmässä asemassa ovat olleet koeajot ja erilaisten näytteiden käsittely. Raaka-aineina käytettävien massojen osuuksien optimoinnilla on saatu aikaiseksi merkittäviä kustannussäästöjä, mutta työn yhteydessä on löydetty myös keinoja säästöjen saavuttamiseksi energiankulutusta järkevöittämällä. Luotu malli auttaa jatkossa kustannusrakenteen seurannassa. Mäntysellun osuuden laskulla ja täyteaineen osuuden nostolla saavutetaan merkittävimmät kustannussäästöt, kemihierteellä vaikutus kustannuksiin on vähäisempi. Sähköenergiaa vievä kuitujen jauhatus on järjestetty paperikone 3:lla uudella tavalla, jolla on paitsi saavutettu säästöä energiassa, parannettu myös paperin lujuutta.

Esikäsittelyn vaikutus sahajauhon jauhautumiseen sekä energiankulutukseen vasaramyllyllä

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli perehtyä bioetanolin eri valmistusvaiheisiin ja sen valmistuksessa käytettäviin raaka-aineisiin sekä myöskin tutkia eri esikäsittelymenetelmien vaikutusta sahajauhojen jauhautumiseen sekä energiankulutukseen, kun niitä jauhetaan vasaramyllyllä. Kirjallisuusosassa keskityttiin paljon aineksen hienonnukseen, sillä varsinkin biomassat tulee hienontaa, jotta halutut kemialliset reaktiot saataisiin tapahtumaan riittävän tehokkaasti. Kokeellisessa osassa tutkittiin eripituisien vesiliotuksien sekä emäs-käsittelyn vaikutusta sahajauhon jauhautumiseen sekä jauhautumisen energiankulutukseen, kun niitä jauhettiin vasaramyllyllä. Tutkimuskysymyksinä tässä työssä oli: Miten vesiliotus sekä liotus emäksisessä liuoksessa vaikuttaa eri sahajauhojen jauhautumiseen vasaramyllyllä?, Millaisia vaikutuksia esikäsittelyillä on myllyn energiankulutukseen?, Miten esikäsittelyt vaikuttavat jauhautumistuotteiden partikkelikokoihin?. Tuloksista käy ilmi, että 1. ja 3. tunnin vesiliotukset eivät olleet riittäviä sillä mylly ei jaksanut jauhaa minkään puulaadun sahajauhoja näillä ajoilla. Yleisesti tuloksista huomattiin, että haapajauhon jauhamiseen kului kaikkein eniten energiaa, riippumatta esikäsittelytekniikasta, mutta haapa myös jauhautui parhaiten pH-esikäsittelyn tuloksena.  

Kaksivaiheisen lämmöntalteenottoprosessin soveltuvuus poistoilmanvaihtoiseen kerrostaloon

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella perinteistä poistoilmanvaihtoa käyttävän kerrostalon lämmöntalteenottoa menetelmällä, joka yhdistää poistoilmalämpöpumpun ja maalämpöpumpun toiminnat. Nostamalla maalämpöpumpulle tulevan veden lämpötilaa saadaan nostettua järjestelmän COP-arvoa, jolla on suuri merkitys laitteen energiateknisen toiminnan kannalta. Laskelmat tehtiin Suomen rakennusmääräyskokoelman ohjeiden mukaisesti käyttämällä MX6- energiaohjelmaa sekä simuloimalla kylmäprosessia. Tulokset yhdistettiin taulukkolaskentaohjelmassa, ja näin saatiin teoreettinen säästölaskelma, joka perustuu arvioituun kuukausittaiseen energian keskikulutukseen, ts. taseeseen. Työssä todettiin, että poistoilmalämpöpumppu saattaisi kuluttaa poistoilman lämmöntalteenotossa liikaa sähköä, työssä tarkoitetulla tavalla. Kulutus olisi enemmän kuin maalämpöpumpun COP-arvon parantamisella saatava rahallinen hyöty. Koneellisen poistoilman välittämän energian tehokas käyttö on kuitenkin yksi mahdollisuus säästää maalämpöreikien poraamisessa, jos kerrostalossa harkittaisiin kokonaan maalämpöön siirtymistä.

Viilun kuivauksen energiatehokkuuden parantaminen

Tämän työn tavoitteena on parantaa viilun kuivauksen energiatehokkuutta. Työssä käsitellään puun rakennetta kuivauksen kannalta, kuivumiseen liittyviä lämmönja massansiirron ilmiöitä ja nykyisiä viilun kuivaus koneita. Viilun kuivaamisen energiansäästö mahdollisuuksissa keskitytään pääasiassa kuivaajan lämmön talteenottoon ja kiertopuhaltimien sähkötehon pienentämiseen. Työn tulosten perusteella viilun kuivauksen energiatehokkuutta voidaan parantaa huomattavasti.

Lämpövuoanturin mittauselektroniikan suunnittelu ja toteutus

Energian kulutuksen vähentäminen ja sen tutkiminen on kasvavan kiinnostuksen kohteena. Syntyneen lämmön mittaaminen on yksi tapa mitata energian siirtymistä. Lämpötilan mittaaminen on yleistä, vaikka usein on merkittävämpää selvittää missä ja miten lämpöenergia on siirtynyt. Tästä syystä tarvitaan lämpövuoantureita, jotka reagoivat suoraan lämpövuohon eli lämpöenergian siirtymiseen. Tässä tutkimuksessa suunnitellaan ja toteutetaan lämpövuoanturin mittauselektroniikka vaativaan käyttöympäristöön. Työssä käytettävän gradienttilämpövuoanturin tuottama jännitesignaali on mikrovolttiluokkaa ja ympäristön aiheuttama kohina voi olla huomattavasti suurempi. Tämän takia anturin tuottamaa signaalia on vahvistettava, jotta sitä voidaan mitata luotettavasti. Tutkimuksessa keskitytään vahvistimen suunnitteluun, mutta suunnittelussa on otettava huomioon koko järjestelmä. Anturin sähköiset ominaisuudet ja ympäristö asettavat rajoitteita vahvistimelle. Tavoitteena on selvittää miten voidaan mitata mikrovolttien jännitesignaalia mahdollisimman suurella taajuuskaistalla vaativassa käyttöympäristössä. Työn tuloksena syntyi mittalaite, jota voidaan käyttää vaativassa ympäristössä lämpövuon mittaamiseen. Suunnitteluparametrien mukainen vahvistus ja päästökaista sekä offset-jännitteen ryömintä saavutettiin suunnitellulla mittalaitteella, mutta offsetjännite ja kohina olivat hieman suunniteltua suuremmat. Mittalaitteella ja lämpövuoanturilla havaittiin selvästi lämpövuon muutoksia keinotekoisilla herätteillä.

Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.

Foreign Direct Investment, Clean Development Mechanism, and Environmental Management: A case of Sub-Saharan Africa

This doctoral dissertation explores the contribution of environmental management practices, the so-called clean development mechanism (CDM) projects, and foreign direct investment (FDI) in achieving sustainable development in developing countries, particularly in Sub- Saharan Africa. Because the climate change caused by greenhouse gas emissions is one of the most serious global environmental challenges, the main focus is on the causal links between carbon dioxide (CO2) emissions, energy consumption, and economic development in Sub-Saharan Africa. In addition, the dissertation investigates the factors that have affected the distribution of CDM projects in developing countries and the relationships between FDI and other macroeconomic variables of interest. The main contribution of the dissertation is empirical. One of the publications uses crosssectional data and Tobit and Poisson regressions. Three of the studies use time-series data and vector autoregressive and vector error correction models, while two publications use panel data and panel data estimation methods. One of the publications uses thus both timeseries and panel data. The concept of Granger causality is utilized in four of the publications. The results indicate that there are significant differences in the Granger causality relationships between CO2 emissions, energy consumption, economic growth, and FDI in different countries. It appears also that the causality relationships change over time. Furthermore, the results support the environmental Kuznets curve hypothesis but only for some of the countries. As to CDM activities, past emission levels, institutional quality, and the size of the host country appear to be among the significant determinants of the distribution of CDM projects. FDI and exports are also found to be significant determinants of economic growth.

Sähkön laadun tutkimus hypermarketin pysäköintihallin valaistustekniikkamuutoksessa

Talotekniikan alalla valaistusmuutoksissa LED-valaistus on nykypäivää. Valaistuksen käyttöominaisuudet ja hyödyt tekevät siitä perustellun valinnan myös suurissa kohteissa. Näistä laajemmista valaistuksen muutoksista ja niiden vaikutuksista sähkön laatuun ei ole yleisesti mittaustietoa. Tämä tutkimus perustui sähkön laadun käytännön mittauksiin valaistusmuutoksessa, jossa elohopeahöyrylampuilla toteutettu valaistus vaihdettiin LED-valaistukseen hypermarketin pysäköintihallissa. Valaistusjärjestelmän muutoksen vaikutusta sähkön laatuun tutkittiin vertailemalla mittaustuloksia vanhan ja uuden järjestelmän välillä. Tutkimuksen tarkoituksena oli osoittaa miten LED-valaistukseen siirtyminen vaikuttaa sähkön laatuun valitussa tutkimuskohteessa. Tutkimuksessa tuotettu tieto on hyödynnettävissä vastaavissa kohteissa LED-valaistukseen siirryttäessä sekä valaistuksen käyttöönoton suunnittelussa ja toteuttamisessa. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää myös kustannusten arvioimisessa valaistavan tilan sähkönkulutuksen osalta. Tutkimus toteutettiin käyttämällä triangulaatiomenetelmää eli teemahaastattelulla, kirjallisuuskatsauksella ja käytännön mittauksilla. Näiden menetelmien tulokset tukivat tutkimukselle asetettuja hypoteeseja. Valitulla tutkimusmenetelmällä saatiin selville, että LED-valaistukseen siirtymisellä ei ollut heikentäviä vaikutuksia sähkön laatuun tutkitun kohteen valaistusjärjestelmässä. Toisaalta positiivisina vaikutuksina huomioitiin muun muassa merkittävä energian säästö, virran harmonisten häiriöiden väheneminen sekä kokonaistehokertoimen parantuminen.

Cost Reduction of Permanent Magnet Synchronous Machines

Electrical machine drives are the most electrical energy-consuming systems worldwide. The largest proportion of drives is found in industrial applications. There are, however many other applications that are also based on the use of electrical machines, because they have a relatively high efficiency, a low noise level, and do not produce local pollution. Electrical machines can be classified into several categories. One of the most commonly used electrical machine types (especially in the industry) is induction motors, also known as asynchronous machines. They have a mature production process and a robust rotor construction. However, in the world pursuing higher energy efficiency with reasonable investments not every application receives the advantage of using this type of motor drives. The main drawback of induction motors is the fact that they need slipcaused and thus loss-generating current in the rotor, and additional stator current for magnetic field production along with the torque-producing current. This can reduce the electric motor drive efficiency, especially in low-speed, low-power applications. Often, when high torque density is required together with low losses, it is desirable to apply permanent magnet technology, because in this case there is no need to use current to produce the basic excitation of the machine. This promotes the effectiveness of copper use in the stator, and further, there is no rotor current in these machines. Again, if permanent magnets with a high remanent flux density are used, the air gap flux density can be higher than in conventional induction motors. These advantages have raised the popularity of PMSMs in some challenging applications, such as hybrid electric vehicles (HEV), wind turbines, and home appliances. Usually, a correctly designed PMSM has a higher efficiency and consequently lower losses than its induction machine counterparts. Therefore, the use of these electrical machines reduces the energy consumption of the whole system to some extent, which can provide good motivation to apply permanent magnet technology to electrical machines. However, the cost of high performance rare earth permanent magnets in these machines may not be affordable in many industrial applications, because the tight competition between the manufacturers dictates the rules of low-cost and highly robust solutions, where asynchronous machines seem to be more feasible at the moment. Two main electromagnetic components of an electrical machine are the stator and the rotor. In the case of a conventional radial flux PMSM, the stator contains magnetic circuit lamination and stator winding, and the rotor consists of rotor steel (laminated or solid) and permanent magnets. The lamination itself does not significantly influence the total cost of the machine, even though it can considerably increase the construction complexity, as it requires a special assembly arrangement. However, thin metal sheet processing methods are very effective and economically feasible. Therefore, the cost of the machine is mainly affected by the stator winding and the permanent magnets. The work proposed in this doctoral dissertation comprises a description and analysis of two approaches of PMSM cost reduction: one on the rotor side and the other on the stator side. The first approach on the rotor side includes the use of low-cost and abundant ferrite magnets together with a tooth-coil winding topology and an outer rotor construction. The second approach on the stator side exploits the use of a modular stator structure instead of a monolithic one. PMSMs with the proposed structures were thoroughly analysed by finite element method based tools (FEM). It was found out that by implementing the described principles, some favourable characteristics of the machine (mainly concerning the machine size) will inevitable be compromised. However, the main target of the proposed approaches is not to compete with conventional rare earth PMSMs, but to reduce the price at which they can be implemented in industrial applications, keeping their dimensions at the same level or lower than those of a typical electrical machine used in the industry at the moment. The measurement results of the prototypes show that the main performance characteristics of these machines are at an acceptable level. It is shown that with certain specific actions it is possible to achieve a desirable efficiency level of the machine with the proposed cost reduction methods.

Implementing Green IT approach for transferring Big Data over Parallel Data Link

The whole research of the current Master Thesis project is related to Big Data transfer over Parallel Data Link and my main objective is to assist the Saint-Petersburg National Research University ITMO research team to accomplish this project and apply Green IT methods for the data transfer system. The goal of the team is to transfer Big Data by using parallel data links with SDN Openflow approach. My task as a team member was to compare existing data transfer applications in case to verify which results the highest data transfer speed in which occasions and explain the reasons. In the context of this thesis work a comparison between 5 different utilities was done, which including Fast Data Transfer (FDT), BBCP, BBFTP, GridFTP, and FTS3. A number of scripts where developed which consist of creating random binary data to be incompressible to have fair comparison between utilities, execute the Utilities with specified parameters, create log files, results, system parameters, and plot graphs to compare the results. Transferring such an enormous variety of data can take a long time, and hence, the necessity appears to reduce the energy consumption to make them greener. In the context of Green IT approach, our team used Cloud Computing infrastructure called OpenStack. It’s more efficient to allocated specific amount of hardware resources to test different scenarios rather than using the whole resources from our testbed. Testing our implementation with OpenStack infrastructure results that the virtual channel does not consist of any traffic and we can achieve the highest possible throughput. After receiving the final results we are in place to identify which utilities produce faster data transfer in different scenarios with specific TCP parameters and we can use them in real network data links.