Impact of reliability of supply on long-term development approaches to electricity distribution networks

The Finnish electricity distribution sector, rural areas in particular, is facing major challenges because of the economic regulation, tightening supply security requirements and the ageing network asset. Therefore, the target in the distribution network planning and asset management is to develop and renovate the networks to meet these challenges in compliance with the regulations in an economically feasible way. Concerning supply security, the new Finnish Electricity Market Act limits the maximum duration of electricity supply interruptions to six hours in urban areas and 36 hours in rural areas. This has a significant impact on distribution network planning, especially in rural areas where the distribution networks typically require extensive modifications and renovations to meet the supply security requirements. This doctoral thesis introduces a methodology to analyse electricity distribution system development. The methodology is based on and combines elements of reliability analysis, asset management and economic regulation. The analysis results can be applied, for instance, to evaluate the development of distribution reliability and to consider actions to meet the tightening regulatory requirements. Thus, the methodology produces information for strategic decision-making so that DSOs can respond to challenges arising in the electricity distribution sector. The key contributions of the thesis are a network renovation concept for rural areas, an analysis to assess supply security, and an evaluation of the effects of economic regulation on the strategic network planning. In addition, the thesis demonstrates how the reliability aspect affects the placement of automation devices and how the reserve power can be arranged in a rural area network.

Formal modelling for digital media distribution

Human beings have always strived to preserve their memories and spread their ideas. In the beginning this was always done through human interpretations, such as telling stories and creating sculptures. Later, technological progress made it possible to create a recording of a phenomenon; first as an analogue recording onto a physical object, and later digitally, as a sequence of bits to be interpreted by a computer. By the end of the 20th century technological advances had made it feasible to distribute media content over a computer network instead of on physical objects, thus enabling the concept of digital media distribution. Many digital media distribution systems already exist, and their continued, and in many cases increasing, usage is an indicator for the high interest in their future enhancements and enriching. By looking at these digital media distribution systems, we have identified three main areas of possible improvement: network structure and coordination, transport of content over the network, and the encoding used for the content. In this thesis, our aim is to show that improvements in performance, efficiency and availability can be done in conjunction with improvements in software quality and reliability through the use of formal methods: mathematical approaches to reasoning about software so that we can prove its correctness, together with the desirable properties. We envision a complete media distribution system based on a distributed architecture, such as peer-to-peer networking, in which different parts of the system have been formally modelled and verified. Starting with the network itself, we show how it can be formally constructed and modularised in the Event-B formalism, such that we can separate the modelling of one node from the modelling of the network itself. We also show how the piece selection algorithm in the BitTorrent peer-to-peer transfer protocol can be adapted for on-demand media streaming, and how this can be modelled in Event-B. Furthermore, we show how modelling one peer in Event-B can give results similar to simulating an entire network of peers. Going further, we introduce a formal specification language for content transfer algorithms, and show that having such a language can make these algorithms easier to understand. We also show how generating Event-B code from this language can result in less complexity compared to creating the models from written specifications. We also consider the decoding part of a media distribution system by showing how video decoding can be done in parallel. This is based on formally defined dependencies between frames and blocks in a video sequence; we have shown that also this step can be performed in a way that is mathematically proven correct. Our modelling and proving in this thesis is, in its majority, tool-based. This provides a demonstration of the advance of formal methods as well as their increased reliability, and thus, advocates for their more wide-spread usage in the future.

Modelling of changes in electricity end-use and their impacts on electricity distribution

The electricity distribution sector will face significant changes in the future. Increasing reliability demands will call for major network investments. At the same time, electricity end-use is undergoing profound changes. The changes include future energy technologies and other advances in the field. New technologies such as microgeneration and electric vehicles will have different kinds of impacts on electricity distribution network loads. In addition, smart metering provides more accurate electricity consumption data and opportunities to develop sophisticated load modelling and forecasting approaches. Thus, there are both demands and opportunities to develop a new type of long-term forecasting methodology for electricity distribution. The work concentrates on the technical and economic perspectives of electricity distribution. The doctoral dissertation proposes a methodology to forecast electricity consumption in the distribution networks. The forecasting process consists of a spatial analysis, clustering, end-use modelling, scenarios and simulation methods, and the load forecasts are based on the application of automatic meter reading (AMR) data. The developed long-term forecasting process produces power-based load forecasts. By applying these results, it is possible to forecast the impacts of changes on electrical energy in the network, and further, on the distribution system operator’s revenue. These results are applicable to distribution network and business planning. This doctoral dissertation includes a case study, which tests the forecasting process in practice. For the case study, the most prominent future energy technologies are chosen, and their impacts on the electrical energy and power on the network are analysed. The most relevant topics related to changes in the operating environment, namely energy efficiency, microgeneration, electric vehicles, energy storages and demand response, are discussed in more detail. The study shows that changes in electricity end-use may have radical impacts both on electrical energy and power in the distribution networks and on the distribution revenue. These changes will probably pose challenges for distribution system operators. The study suggests solutions for the distribution system operators on how they can prepare for the changing conditions. It is concluded that a new type of load forecasting methodology is needed, because the previous methods are no longer able to produce adequate forecasts.

Power Electronic Converters in Low-Voltage Direct Current Distribution – Analysis and Implementation

Over the recent years, smart grids have received great public attention. Many proposed functionalities rely on power electronics, which play a key role in the smart grid, together with the communication network. However, “smartness” is not the driver that alone motivates the research towards distribution networks based on power electronics; the network vulnerability to natural hazards has resulted in tightening requirements for the supply security, set both by electricity end-users and authorities. Because of the favorable price development and advancements in the field, direct current (DC) distribution has become an attractive alternative for distribution networks. In this doctoral dissertation, power electronic converters for a low-voltage DC (LVDC) distribution system are investigated. These include the rectifier located at the beginning of the LVDC network and the customer-end inverter (CEI) on the customer premises. Rectifier topologies are introduced, and according to the LVDC system requirements, topologies are chosen for the analysis. Similarly, suitable CEI topologies are addressed and selected for study. Application of power electronics into electricity distribution poses some new challenges. Because the electricity end-user is supplied with the CEI, it is responsible for the end-user voltage quality, but it also has to be able to supply adequate current in all operating conditions, including a short-circuit, to ensure the electrical safety. Supplying short-circuit current with power electronics requires additional measures, and therefore, the short-circuit behavior is described and methods to overcome the high-current supply to the fault are proposed. Power electronic converters also produce common-mode (CM) and radio-frequency (RF) electromagnetic interferences (EMI), which are not present in AC distribution. Hence, their magnitudes are investigated. To enable comprehensive research on the LVDC distribution field, a research site was built into a public low-voltage distribution network. The implementation was a joint task by the LVDC research team of Lappeenranta University of Technology and a power company Suur-Savon S¨ahk¨o Oy. Now, the measurements could be conducted in an actual environment. This is important especially for the EMI studies. The main results of the work concern the short-circuit operation of the CEI and the EMI issues. The applicability of the power electronic converters to electricity distribution is demonstrated, and suggestions for future research are proposed.

Tasasähkön hyödyntämismahdollisuudet sähkönjakelussa

Tässä työssä on tutkittu tasasähkönsiirron tuomia mahdollisuuksia sähkönjakelussa, kun pienjännitedirektiivin pienjännitemäärittelyn soveltamista laajennetaan koskemaan vaihtojännitteen lisäksi myös tasajännitettä. Aiemmin tasasähköjärjestelmiä on käytetty ainoastaan sähköistymisen alkuaikoina 1900-luvun alussa. Viime vuosikymmeninä on sähkönjakelussa käytetty pelkästään vaihtosähköverkkoja, koska tehoelektronisten laitteiden korkea hintataso ja tekniset ominaisuudet ovat mahdollistaneet tasasähkön käytön vain suurjännitteellä. Suomalaisten sähkönkäyttö on lisääntynyt muutamalla prosenttiyksiköllä vuosittain ja kasvun taantumista ei ole odotettavissa lähiaikoina. Samaan aikaan yhteiskunta muuttuu jatkuvasti yhä riippuvaisemmaksi sähköstä ja odotukset toteutuvasta sähkönlaadusta ovat jatkuvasti korkeammat. Sähkönlaadun näkökulmasta ilmasto on tuonut aiempia suurempia haasteita sähkön toimitusvarmuudelle, kun myrskyjen aiheuttamat tuhot ovat olleet yhä entisiä suurempia. Toimitusvarmuuden parantamiseksi ovat muutamat vuosikymmenen alun rajut myrskyt johtaneet pohdintaan tulevien haasteiden hoitamiseksi ja edelleen uuden 3-portaiseen 20/1/0,4 kV vaihtosähköjärjestelmän kehittämiseen. Tasasähkönsiirron avulla halutaan tuoda käyttöön niitä hyötyjä, joita järjestelmän vaihdolla on saavutettavissa. Täysimääräisellä tasajännitteen hyödyntämisellä voidaan saavuttaa mm. aiempaa edullisempia investointivaihtoehtoja,parempi sähkönlaatu, parempi hajautetun tuotannon liitettävyys verkkoon ja erilaisten asiakaskohtaisten laitteiden helppo integroitavuus osaksi jakelujärjestelmää. Tämän työn puitteissa on pohdittu sekä teknisiä ratkaisuja että järjestelmän teknistaloudellista käyttöaluetta. Lisäksi on pyritty hahmottamaan eri tekijöiden vaikutuksia sähkönjakeluun.

Paineilmajärjestelmän optimoinnin hyödyt tehtaan tuotantoprosessissa

Paineilmaa käytetään teollisuudessa hyvin yleisesti. Teollistuneissa maissa teollisuuden käyttämästä energiasta 8-10 % kuluu paineilman tuottamiseen. Paineilmakompressoreiden nykyaikaisen ohjausjärjestelmän avulla voidaan säästää paineilmajärjestelmän energiakustannuksia jopa 30 %. Ohjauksen optimoinnin yhteydessä on havaittu epäkohtia joiden poistaminen on parantanut tuotantolaitosten toimintaan niin, että saadut säästöt ovat olleet jopa energiasäästöjä suuremmat. Näitä optimoinnin välillisiä hyötyjä haluttiin selvittää tarkemmin. Tutkimuksessa perehdyttiin paineilman käytön ongelmiin eri tuotantolaitoksissa ja arvioitiin paineilmajärjestelmän optimoinnin vaikutuksia tehtaiden tuotantoon. Koska paineilmaa käytetään monissa tehtaiden kriittisissä kohteissa, on tutkimuskohteiden paineilmajärjestelmän ongelmista aiheutunut merkittäviä tuotannonmenetyksiä ja lisäkustannuksia. Merkittävimmät paperitehtaiden tuotantoa vaikeuttavat paineilmajärjestelmän tekniset ongelmat liittyvät paineilman puhtausvaatimuksiin ja riittävän verkkopaineen ylläpidon vaikeuteen. Organisatorisia ongelmia ovat paineilmajärjestelmän käyttöhenkilöstön asiantuntemuksen puutteellisuudet. Näistä aiheutuvaa tuotannon epäluotettavuutta voidaan merkittävästi pienentää kehittämällä paineilmakompressoreita, jälkikäsittelyä, ohjausta ja valvontaa alan asiantuntijoiden avustuksella.

Kaukolämpöjärjestelmän suunnittelu Liljendalin kunnassa

Tämän työn tavoitteena on löytää suositeltavat mitoitusarvot Liljendalin kunnan kaukolämpöjärjestelmään. Kirjallisuuden perusteella tarkastellaan kaukolämpö-järjestelmän suunnittelua ja mitoitusta sekä lämmön hinnoittelua ja niistä annettuja määräyksiä, suosituksia ja ohjeita. Työssä käsitellään mahdollisuuksia ja keinoja kaukolämmityksen siirtolämpötilojen pienentämiseen. Lisäksi vertaillaan nykyarvomenetelmällä laskemalla kaukolämpöjärjestelmän siirtokustannuksia eri mitoituslämpötiloilla, putkikoolla ja eristyspaksuuksilla. Lämmön myyntihinnalle on tehty tariffiehdotus. Lopuksi on esitetty lämpökeskuksen hankintaa koskevia tietoja. Laskennan tuloksena havaittiin, että siirtolämpötilojen, putkikoon ja eristyspaksuuden oikealla valinnalla voidaan säästää lämmönsiirron kustannuksissa. Laskelmien perusteella suositellaan Liljendalin kunnan kaukolämpöjärjestelmän mitoituslämpötiloiksi 100/50°C ja eristyspaksuudeksi III-luokan eriste. Putkikoon oikealla valinnalla voidaan säästää merkittävästi varsinkin, kun kyseessä on lyhyt siirtoetäisyys. Putkikoon valinnassa on kuitenkin huomioitava mahdolliset tulevaisuuden laajennukset verkossa ja kulutuksen kasvu.

Puutavarakaupan jakelun nykytila ja kehittäminen pääkaupunkiseudulla

Työn tavoitteena oli kartoittaa kohdeyrityksen pääkaupunkiseudun puu- ja rakennustarvikekaupan jakelun nykytila ja kehittää toimipisteille uusi ja yhtenäinen jakelun toimintamalli. Ensin selvitettiin jakelun nykytila haastattelemalla kuljetuksista vastaavia henkilöitä. Kirjallisuudesta saadun tiedon avulla haettiin vaihtoehtoja uuden jakelumallin luomiselle. Yrityksen tietojärjestelmästä haettiin tietoa toteutuneista kuljetuskustannuksista ja -tapahtumista. Tutkimuksessa selvitettiin myös kuljetuskustannukset ja -tuotot. Tällä hetkellä yritys tekee jakelussa tappiota eli kuljetuskustannukset ovat asiakkailta perittyjä kuljetustuottoja suuremmat. Jokaisessa toimipisteessä kuljetukset hoidetaan itsenäisesti eikä yhteistä järjestelmää ole käytössä. Tästä aiheutuu päällekkäisiä ja turhia ajoja pääkaupunkiseudun alueella, mikä voitaisiin välttää yhteisellä toimintamallilla. Työssä luotiin erilaisia malleja ja niitä verrattiin nykytilanteeseen. Mallien paremmuuden arviointiin käytettiin kannattavuutta ja ulkoista tehokkuutta. Toimintavaihtoehdoiksi nousi kolme eri mallia. Vaihtoehtoina olivat toimipisteiden yhtenäinen malli, jossa ohjaus olisi joko omassa hallinnassa tai ulkoistettu, ja kolmantena vaihtoehtona olisi koko jakelun ulkoistaminen. Malleja varten kartoitettiin eri ohjelmistoja ja ulkoistuspalveluja tarjoavia yrityksiä, jotka olisivat yrityksen tarpeisiin soveltuvia. Toimenpide-ehdotuksina ja suosituksina esitetään yhteiseen jakelujärjestelmään siirtymistä sekä siirtymistä jakelun hinnoittelussa suoriteperusteiseen hinnoitteluun. Tulevaisuudessa jakelun tietoja tulisi kerätä ja tiedon karttuessa laatia suoriteperusteiset hinnoittelutaulukot kuljetuksille. Myös myyjille ja kuljetusvastaaville tarvitaan yhtenäiset toimintaohjeet tilausten muutoksista, kuljetusten hinnoittelusta ja toimituksista.

1000 V sähkönjakelujärjestelmän teknistaloudellisen kannattavuuden tarkastelu

Tässä työssä tutkitaan 1000 V pienjännitejakelun taloudellista kannattavuutta. Tutkimus perustuu teoreettiseen tarkasteluun, jossa noudatetaan yleisiä verkostosuunnittelun periaatteita. EU-lainsäädäntö mahdollistaa 1000 V pienjänniteportaan sijoittamisen nykyisen keskijänniteverkon ja pienjänniteverkon väliin lisäten kolmannen jakelujänniteportaan nykyään käytettävien 20 kV ja 0,4 kV väliin. Jakeluverkkojen kehittämiseksi on etsittävä ratkaisu, joka on taloudellinen sekä asiakkaiden että verkonhaltijoiden kannalta. Tällaiset ratkaisut pienentävät verkon käytön kokonaiskustannuksia ja parantavat sähkön laatua. Lisättäessä jakeluverkkoon kolmas jänniteporras, keskijänniteverkon johtopituus lyhenee ja varsinkin lyhyiden haarajohtojen määrä vähenee. Tämä vähentää keskijänniteverkossa esiintyvien keskeytysten määrää ja pienentää keskeytyskustannuksia. Kilovoltin järjestelmä on kannattava korvattaessa sillä osa keskijänniteverkkoa, tai estettäessä perinteisellä järjestelmällä tarvittava muuntopiirin jakaminen. Osana varsinaista pienjänniteverkkoa ei kilovoltinjärjestelmä ole kannattava. Tässä työssä kolmijänniteportaista jakeluverkkoa tutkitaan teoreettisilla verkkosuunnitelmilla, joita tehdään muutamille perusverkkotopologioille. Taloudellista kannattavuutta tutkitaan vertaamalla perinteistä kaksijänniteportaista ja kolmijänniteportaista verkkoratkaisua kustannusten suhteen teknisten reunaehtojen puitteissa. 1000 V pienjännitejakelu vaatii uudenlaisia verkostokomponentteja. Näistä on erityisesti käsitelty 1/0,4 kV pienjännitemuuntajaa. Muuntajasuunnittelun lähtökohtana on 1000 V verkon käyttäminen keskijänniteverkon jatkeena maasta erotettuna verkkona.

Development of e-Service tools for customer services and processes, Case: KONE Oyj Finland

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää miten kehittää yrityksen nykyistä e-palvelujärjestelmää, Internet -teknologiaan perustuvaa sähköisiä kommunikaatio- ja tiedonjakojärjestelmää, yrityksen business-to-business asiakkuuksien johtamisessa. Tavoitteena oli myös luoda ehdotukset uusista e-palvelusopimusmalleista. Tutkimuksen teoriaosuudessa pyrittiin kehittämään aikaisempiin tutkimuksiin, tietokirjallisuuteen ja asiantuntijoihin perustuva viitekehysmalli. Empiirisessä osassa tutkimuksen tavoitteisiin pyrittiin haastattelemalla yrityksen asiakkaita ja henkilöstöä, sekä tarkastelemalla asiakaskontaktien nykyistä tilaa ja kehittymistä. Näiden tietojen perusteella selvitettiin e-palvelun käyttäjien tarpeita, profiilia ja valmiuksia palvelun käyttöön sekä palvelun nykyistä houkuttelevuutta. Tutkimuksen teoriaosan lähdeaineistona käytettiin kirjallisuutta, artikkeleita ja tilastoja asiakashallinnasta sekä e-palveluiden, erityisesti Internet ja verkkopalveluiden markkinoinnista, nykytilasta sekä palveluiden kehittämisestä. Lisäksi tutkittiin kirjallisuutta arvoverkostoanalyysistä, asiakkaan arvosta, informaatioteknologiasta, palvelun laadusta ja asiakastyytyväisyydestä. Tutkimuksen empiirinen osa perustuu yrityksen henkilöstöltä sekä asiakkailta haastatteluissa kerättyihin tietoihin, yrityksen ennalta keräämiin materiaaleihin sekä Taloustutkimuksen keräämiin tietoihin. Tutkimuksessa käytettiin case -menetelmää, joka oli yhdistelmä sekä kvalitatiivista että kvantitatiivista tutkimusta. Casen tarkoituksena oli testata mallin paikkansapitävyyttä ja käyttökelpoisuutta, sekä selvittää onko olemassa vielä muita tekijöitä, jotka vaikuttavat asiakkaan saamaan arvoon. Kvalitatiivinen aineisto perustuu teemahaastattelumenetelmää soveltaen haastateltuihin asiakkaisiin ja yrityksen työntekijöihin. Kvantitatiivinen tutkimus perustuu Taloustutkimuksen tutkimukseen ja yrityksen asiakaskontakteista kerättyyn tietoon. Haastatteluiden perusteella e-palvelut nähtiin hyödyllisinä ja tulevaisuudessa erittäin tärkeinä. E-palvelut nähdään yhtenä tärkeänä kanavana, perinteisten kanavien rinnalla, tehostaa business-to-business -asiakkuuksien johtamista. Tutkimuksen antamien tulosten mukaan asiakkaiden palveluun liittyvän tieto-, taito-, tarpeellisuus- ja kiinnostavuustasojen vaihtelevaisuus osoittaa selvän tarpeen eritasoisille e-palvelupaketti ratkaisuille. Tuloksista muodostettu ratkaisuehdotus käsittää neljän eri e-palvelupaketin rakentamisen asiakkaiden eri tarpeita mukaillen.

Strategiamenetelmän hyödyntäminen huonekaluliiketoiminnan kehittämisessä

Strategia on yrityksen toiminnan perusta. Perinteisillä toimialoilla ei välttämättä nähdä tavoitteellisen strategian tarpeellisuutta ja tärkeä strategiasuunnittelu jää toissijaiseksi. Löytämällä erottuva strategia omaa yritys kilpailuedun. Sinisen meren strategia on teoreettinen viitekehys luoda erilaistavaa liiketoimintaa. Strategian avulla voidaan tunnistaa ja luoda strategiaprofiili uudelle liiketoiminnalle jossa kilpailu ei tehnyt toiminnasta liian haavoittuvaista. Tämä nykytilanteen analysointiin ja siitä erilaistumiseen perustuva muutos voi liittyä itse tuotteeseen tai palveluun, sen tuotteistamiseen tai tuotteen jakelutien uudelleenasemointiin. Strategiatyön tarpeellisuus huonekalujen valmistamisessa ja myynnissä on muuttuvassa tilanteessa avainasemassa. Korkea valmistamisen kustannustaso ei mahdollista kilpailua edullisien tuontituotteiden kanssa ja korkeamman hintatason tuotteilla on toisaalta rajattu ostajakunta sisämarkkinoilla. Monelle toimijalle vientityön aloittaminen on riskialtis kustannuserä. Huonekaluteollisuudessa ja –jakeluteissä on ylikapasiteettia suhteessa kannattavaan liiketoimintaan. Erilaistavina markkinatekijöinä on pidetty hintaa molemmissa ääripäissä, laatua ja designiä. Hyvän jakelutien omaavat yritykset ovat hoitaneet valtakunnallisen myynnin karsien pienet toimijat alalta. Valmistuksessa innovatiivisuus perustuu lähinnä tehokkaaseen tuotantotekniikkaan, mikä osaltaan on nostanut investointien tasoa ja toteutuksen mielekkyyttä. Tuotteena huonekalu on kuitenkin teknisiltä ominaisuuksiltaan yleensä matala ja jo pienellä pääomalla on aloitettavissa tuotannollinen toiminta, mutta tällöin ei menestytä välttämättä tuottavuudessa. Uusina tekijöinä kompleksisessa tilanteessa on nähtävissä voimakkaasti tulossa oleva ympäristöarvojen suurempi huomioiminen. Näistä elementeistä voidaan etsiä strategiaprofiilin avulla uusia markkinarajapintoja, joissa kilpailutilanne mahdollistaa kannattavan liiketoiminnan. Työssä tutkitaan strategiamenetelmän hyödyntämismahdollisuutta, sen perusteita ja tarpeellisuutta perinteisen muutosjäykän teollisuudenalan ja kilpailtujen huonekalumarkkinoiden segmentissä. Uuden toimintamallin tarpeen, strategian, ymmärtämiseksi on tiedostettava ympäristössä tapahtuneet muutokset ja kartoitettava nykyinen strategiaprofiili. Tähän liittyen läpikäydään ne seikat jotka ovat aiheuttaneet nykytilanteen ja näin muutostarpeen tässä markkinassa.

Taselaskentajärjestelmän kehittäminen pohjoismaisille sähkömarkkinoille

Pohjoismaisia sähkömarkkinoita ollaan avaamassa myös vähittäismarkkinoiden osalta. Jotta vähittäismarkkinoista saataisiin toimiva, kaikille avoin ja tasapuolinen kauppapaikka, on markkinamenetelmiä yhtenäistettävä. Yhtenäistäminen tarkoittaa muutoksia ennen kaikkea taseselvityksessä ja viestiformaateissa. Tämä tarkoittaa lisätyötä eri markkinaosapuolille ja heidän järjestelmätoimittajilleen. Tässä työssä tutkittiin näköpiirissä olevien muutosten vaikutuksia järjestelmätoimittajan valmiiseen jakeluverkonhaltijoille suunnattuun tietojärjestelmätuotteeseen. Tavoitteena oli selvittää, mitä muutoksia markkinoille on tulossa lähivuosina, tutkia mitkä niiden tuomat vaatimukset ovat tuotteelle ja minkälaisia muutoksia tuotteeseen nämä markkinamuutokset aiheuttavat. Tutkimuksen pohjalta pystyttiin arvioimaan vaadittavat toimenpiteet ja markkinoilla tapahtuvien muutosten vakavuus kohteena olevalle tietojärjestelmälle. Tutkimuksen sivutuotteena havaittiin myös muita kehityskohteita, jotka toisivat tuotteelle lisäarvoa.

Nanosuodatuksen käyttö voimalaitoksen lisäveden valmistuksessa

Työssä selvitettiin nanosuodatuksen soveltuvuutta ja kannattavuutta voimalaitoksen lisäveden valmistuksessa. Kirjallisuusselvityksen ja nanosuodatuskokeiden tavoitteena oli arvioida nanosuodatukseen perustuvien lisäveden valmistusprosessien toiminnallista ja taloudellista kilpailukykyä perinteisiin prosesseihin verrattuna. Voimalaitoksen lisävedellä tarkoitetaan vesi-höyrykiertoon syötettävää vettä, joka korvaa kierrossa menetetyn veden. Nykyisin se valmistetaan vesijohto- tai pintavedestä käänteisosmoosiin ja ioninvaihtoon perustuvilla menetelmillä. Nanosuodatus on käänteisosmoosin tapaan kalvotekniikkaan perustuva erotusprosessi. Kaikki kalvot poistivat orgaanisen aineksen tehokkaasti (>90 %). Suolaretentioissa oli suuria eroja kalvojen välillä, vaikka kalvotoimittajien ilmoittamat retentiot olivat samaa tasoa. NF90-kalvo tuotti puhtainta permeaattia. Kahden kalvon (NF90 ja ESNA1-LF2) kohdalla havaittiin vuon alenemista, kun vuo oli kokeiden alussa noin 30 ja 40 L/m2/h. Likaantumisen merkkejä ei havaittu minkään kalvon kohdalla, kun vuoarvo oli maltillinen (n. 20 L/m2/h). Raakaveden vaikutus NF90-permeaatin laatuun oli vähäinen. Muilla kalvoilla raakaveden vaikutus permeaatin laatuun oli merkittävä. Investointi- ja käyttökustannusten perusteella nanosuodatukseen perustuvat lisäveden valmistusprosessit ovat kilpailukykyisiä nykyisiin lisäveden valmistusprosesseihin verrattuna. Pintavettä raakavetenä käyttävät nanosuodatusprosessit maksavat itsensä takaisin 3–5 vuodessa vesijohtovettä raakavetenä käyttävään käänteisosmoosiprosessiin verrattuna.

Evaluation of energy efficiency and best available techniques in pumping processes

The potential for enhancing the energy efficiency of industrial pumping processes is estimated to be in some cases up to 50 %. One way to define further this potential is to implement techniques in accordance to definition of best available techniques in pumping applications. These techniques are divided into three main categories: Design, control method & maintenance and distribution system. In the theory part of this thesis first the definition of best available techniques (BAT) and its applicability on pumping processes is issued. Next, the theory around pumping with different pump types is handled, the main stress being in centrifugal pumps. Other components needed in a pumping process are dealt by presenting different control methods, use of an electric motor, variable speed drive and the distribution system. Last part of the theory is about industrial pumping processes from water distribution, sewage water and power plant applications, some of which are used further on in the empirical part as example cases. For the empirical part of this study four case studies on typical pumping processes from older Master’s these were selected. Firstly the original results were analyzed by studying the distribution of energy consumption between different system components and using the definition of BAT in pumping, possible ways to improve energy efficiency were evaluated. The goal in this study was that by the achieved results it would be possible to identify the characteristic energy consumption of these and similar pumping processes. Through this data it would then be easier to focus energy efficiency actions where they might be the most applicable, both technically and economically.

On Energy Efficient Computing Platforms

In accordance with the Moore's law, the increasing number of on-chip integrated transistors has enabled modern computing platforms with not only higher processing power but also more affordable prices. As a result, these platforms, including portable devices, work stations and data centres, are becoming an inevitable part of the human society. However, with the demand for portability and raising cost of power, energy efficiency has emerged to be a major concern for modern computing platforms. As the complexity of on-chip systems increases, Network-on-Chip (NoC) has been proved as an efficient communication architecture which can further improve system performances and scalability while reducing the design cost. Therefore, in this thesis, we study and propose energy optimization approaches based on NoC architecture, with special focuses on the following aspects. As the architectural trend of future computing platforms, 3D systems have many bene ts including higher integration density, smaller footprint, heterogeneous integration, etc. Moreover, 3D technology can signi cantly improve the network communication and effectively avoid long wirings, and therefore, provide higher system performance and energy efficiency. With the dynamic nature of on-chip communication in large scale NoC based systems, run-time system optimization is of crucial importance in order to achieve higher system reliability and essentially energy efficiency. In this thesis, we propose an agent based system design approach where agents are on-chip components which monitor and control system parameters such as supply voltage, operating frequency, etc. With this approach, we have analysed the implementation alternatives for dynamic voltage and frequency scaling and power gating techniques at different granularity, which reduce both dynamic and leakage energy consumption. Topologies, being one of the key factors for NoCs, are also explored for energy saving purpose. A Honeycomb NoC architecture is proposed in this thesis with turn-model based deadlock-free routing algorithms. Our analysis and simulation based evaluation show that Honeycomb NoCs outperform their Mesh based counterparts in terms of network cost, system performance as well as energy efficiency.