Teräsvalimon energia-analyysi

Teräksen valuprosessi kuluttaa runsaasti energiaa ja tuottaa merkittävästi lämpöä. Ylimääräinen lämpö on poistettava tuotantotiloista, sillä se sisältää yleensä myös paljon hiukkasia ja muita epäpuhtauksia. Lämmön talteenottaminen vähentää teräsvalimon energiankulutusta, mutta sen toteuttaminen ei ole ongelmatonta. Energia-analyysi selvittää yrityksen energian käytön ja tuotannon kehityksen sekä nykytilan. Analyysi pyrkii selvittämään kohteet, joissa energiaakuluu ja joissa sitä syntyy eniten. Tämä opinnäytetyö on sovellettu teollisuuden energia-analyysi, joka sisältää ehdotuksia energian käytöntehostamismahdollisuuksista ja säästömahdollisuuksista. Ehdotuksissa esitelläänviisi tärkeimmäksi katsottua ja kahdeksan muuta energiansäästökohdetta. Näiden lisäksi on annettu seitsemän ehdotusta muista tuotantoa ja energiansäästöä tukevista toimenpiteistä.

Energiatehokkaiden tuotteiden myynti voimalaitoksiin

Tämän diplomityö käsittelee energiasäästömahdollisuuksia taajuusmuuttajien ja korkean hyötysuhteen moottoreiden avulla Suomen voimalaitoksissa. Energiatehokkuuden parantaminen voimalaitosten tuotantoprosessissa tarjoaa suuria myyntimahdollisuuksia ja on siten mielenkiintoinen tutkimuksen kohde. Työn tavoitteena on analysoida voimalaitostoimialaa Suomessa ja selvittäävoimalaitosten energiansäästöpotentiaalia suurimpien sähköä kuluttavien laitteiden osalta. Työn perusteella saadaan muodostettua kuva taajuusmuuttaja ja korkean hyötysuhteen moottorien markkinoista voimalaitoksiin. Työnalkuosassa keskitytään voimalaitostoimialan ja energiamarkkinoiden analyysiin. Analyysissä käydään läpi yleisimpien voimalaitosten toimintaperiaatteet ja energiatehokkaiden tuotteiden markkinakehitys sekä teollisuuden investointeihin liittyviä tekijöitä. Työn loppuosa käsittelee voimalaitosten suurimpien pumppujen ja puhaltimien energiansäästömahdollisuutta taajuusmuuttajien avulla. Työn tuloksena on muodostettu analyysi eri voimalaitostyyppien laittokannasta ja arvio energiasäästöstä sekä myyntipotentiaalista, jos laitteet muutetaan taajuusmuuttajakäytöiksi.

Design and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings

The need for high performance, high precision, and energy saving in rotating machinery demands an alternative solution to traditional bearings. Because of the contactless operation principle, the rotating machines employing active magnetic bearings (AMBs) provide many advantages over the traditional ones. The advantages such as contamination-free operation, low maintenance costs, high rotational speeds, low parasitic losses, programmable stiffness and damping, and vibration insulation come at expense of high cost, and complex technical solution. All these properties make the use of AMBs appropriate primarily for specific and highly demanding applications. High performance and high precision control requires model-based control methods and accurate models of the flexible rotor. In turn, complex models lead to high-order controllers and feature considerable computational burden. Fortunately, in the last few years the advancements in signal processing devices provide new perspective on the real-time control of AMBs. The design and the real-time digital implementation of the high-order LQ controllers, which focus on fast execution times, are the subjects of this work. In particular, the control design and implementation in the field programmable gate array (FPGA) circuits are investigated. The optimal design is guided by the physical constraints of the system for selecting the optimal weighting matrices. The plant model is complemented by augmenting appropriate disturbance models. The compensation of the force-field nonlinearities is proposed for decreasing the uncertainty of the actuator. A disturbance-observer-based unbalance compensation for canceling the magnetic force vibrations or vibrations in the measured positions is presented. The theoretical studies are verified by the practical experiments utilizing a custom-built laboratory test rig. The test rig uses a prototyping control platform developed in the scope of this work. To sum up, the work makes a step in the direction of an embedded single-chip FPGA-based controller of AMBs.

PHOTOCATALYTIC OXIDATION OF AQUEOUS SOLUTIONS OF JET FUEL AND ICING INHIBITORS

The present paper is devoted to the results of experimental research undertaken into photocatalytical oxidation (PCO) of aqueous solutions of de-icing agents and aqueous extract of jet fuel. The report consists of introduction, literature review, description of materials and methods, discussion of results and conclusions. TiO2 was selected as a photocatalyst for the experiments with synthetic solutions of ethylene glycol, 2-ethoxyethanol and aqueous extract of jet fuel. To explain the PCO mechanisms affecting certain behaviour of de-icing agent under distinctive conditions, the following factors were studied: the impact of initial concentration of pollutant, the role of pH, the presence of tert-butanol as OH·-radicals scavenger and mineral admixtures. PCO under solar radiation performed in two ways: catalysed by irradiated TiO2 slurry or by TiO2 attached to buoyant hollow glass micro-spheres. Special attention was paid to the energy-saving PCO with reduced intensity mixing of the slurry. The effect of PCO was assessed by determination of residual chemical oxygen demand of solution (COD) and by measuring of concentration of glycols. The PCO process efficiency was assumed to be dependent on the TiO2 suspension fractional composition. Thus, the following effects of solutions’ media were viewed: presence of organic admixtures, pH influence, mixing mode during the PCO. The effects of mineral admixtures - Ca2+, Fe3+/2+, Mn2+, SO42- - that are often present in natural and wastewater systems or produced during the degradation of organic pollutants and which can affect the rate of PCO of de-icing agents, were also investigated.

Pienten päivittäistavarakauppojen energiatalouden parantaminen

Työn tavoitteena oli löytää keinoja, joiden avulla kylmälaite- ja ilmanvaihtojärjestelmien toimintaa voitaisiin kehittää ja myymälöiden energiataloutta parantaa. Johtopäätökset sekä jatkotoimenpide-ehdotukset tehtiin koekohteista saatujen mittaustulosten sekä laskennallisten tavoitekulutusten perusteella. Tutkimus koski alle 400 m2 päivittäistavarakauppoja, joita Suomessa oli vuoden 2002 lopussa 3 011 kappaletta. Tutkimuksessa koekohteina toimineet kaksi Siwa-myymälää kuuluvat yli 450 Suomessa toimivan Siwan myymäläketjuun. Koekohteista saatujen tutkimustulosten pohjalta energiansäästötoimenpiteitä voidaan kohdistaa myös muihin Siwa-myymälöihin, jolloin energiansäästöt kasvavat huomattaviksi. Koekohteissa kylmälaitteiden osuus sähköenergiankulutuksesta oli merkittävin. Lämmönkulutuksissa suurten erojen syynä olivat koekohteiden erilaiset lauhdelämmöntalteenottojärjestelmät. Tehokkaalla lauhdelämmön talteenotolla onkin suuri merkitys myymälöiden energiatalouteen. Tulevaisuudessa elektronisten ohjausjärjestelmien käyttö tulee lisääntymään pienissä päivittäistavarakaupoissa. Ohjausjärjestelmällä saavutettavia etuja ovat energiankulutuksen minimointi, lämpötilojen tarkempi säätö- ja valvonta, lämpötilojen rekisteröinti ja kaukovalvonta. Muita myymälän energiatalouden kannalta tärkeitä tekijöitä ovat lauhdelämmön talteenotto, määräajoin tapahtuvat laitehuollot, kylmäntarpeen minimointi, energiatehokkaiden kylmäkalusteiden käyttö sekä kylmäkalusteet huomioiva myymäläsuunnittelu.

Energiansäästäminen, sen toteutus ja vaikutukset lannoitteita valmistavalla tehtaalla

Suomen täytyy vähentää kasvihuonekaasupäästöt vuoden 1990 tasolle vuosien 2008–2012 velvoitekauden aikana. Suomen kansallisen ilmasto-ohjelman mukaan noin puolet vaadittavasta vähennystavoitteesta voidaan saavuttaa lisäämällä biopolttoaineiden käyttöä ja säästämällä energiaa. Kemira Agro Oy:n Uudenkaupungin tehtaiden energiansäästäminen on alkanut sen liityttyä teollisuuden vapaaehtoiseen energiansäästösopimukseen vuonna 1999. Sopimus velvoittaa vähentämään energian ja veden kulutusta sekä raportoimaan vuosittaisista kulutuksista. Työssä on esitelty energiansäästämisen eteneminen yrityksessä sopimuksen hyväksymisestä energiansäästöanalyysin toteutukseen asti. Työssä on etsitty energiaa säästäviä ratkaisuja lannoitetehtaan käyttöön tehtaan tuotantoprosesseissa. Tuotanto-osastoille on laskettu energiataseet, joiden avulla on piirretty energiavirtoja kuvaavat sankey – diagrammit. Työssä on esitetty perusidea energiansäästön toteuttamiseksi ja alustavat kustannusarviot. Löydetyillä kohteilla voidaan säästää tehtaan sähkönkulutusta yhteensä 19 GWh/a ja lisätä tuotantoa. Ionivaihdettua vettä voidaan säästää noin 6000 m3/a. Laskelmat on esitetty cd-romilla liitteessä 31.

Energiansäästömahdollisuudet energiayhtiön toiminnassa

Työn tarkoituksena oli etsiä energian säästökohteita Etelä-Savon Energia Oy:n voimalaitos-, kaukolämpö- sekä sähkön siirto- ja jakelualalta. Työ liittyi Etelä-Savon Energia Oy:n sopimaan valtakunnalliseen energiansäästösopimukseen, jossa yhtiö sitoutui analysoimaan energian käyttönsä ja tekemään energia-analyysin pohjalta energiansäästösuunnitelman. Tässä työssä analysoitiin nykyinen energian käyttö ja etsittiin säästökohteita. Löydetyille säästökohteille määritettiin säästön sekä tarvittavan investoinnin suuruus ja suora takaisinmaksuaika investoinnille. Voimalaitoksen osalta ei löydetty suuria säästökohteita, mutta muutamia pienempiä lähinnä lämmityksiin liittyviä kohteita havaittiin. Kaukolämmön osalta säästökohteita löytyi lähinnä lämpökeskusten seisonta-aikaisista lämmityksistä, mutta kaukolämpöverkon osalta ei kannattavia säästökohteita löydetty. Sähkön siirron ja jakelun osalta loistehon kompensoinnin lisääminen vähentäisi häviöitä verkossa ja vähentäisi kompensoinnin tarvetta voimalaitoksen generaattorilla. Isoja säästökohteita ei löydetty, koska yhtiö on vuosien varrella tehostanut toimintaansa ja pienentänyt aktiivisesti energiahäviöitä.

Rintamamiestalon saneerauksen energiataloudellinen tarkastelu

Työssä määritettiin Kaakkois-Suomessa sijaitsevan rintamamiestalon eri energiasaneerausvaihtoehtojen kannattavuus. Taselaskenta pohjautui pääosin Suomen rakentamismääräyskokoelman osaan D5. Tarkastelu laajennettiin koskemaan myös yleisesti rintamamiestaloja. Tällöin referenssitalona toimi kyseinen kohdetalo konstruktiossa, jossa talon vaipan eristeet olivat alkuperäiset ja lämmitysjärjestelmä uusimisen tarpeessa. Työssä kehitettiin toimiva laskenta-algoritmi, jolla pystytään määrittämään tyypillisten rintamamiestalojen energiasaneerausten kannattavuus eri lämmitysjärjestelmillä ja eri ilmastovyöhykkeillä. Samalla saadaan määritellyksi yksittäisten rakenneosien saneerauksen vaikutukset talon energiantarpeeseen. Käytännössä kaikkiin 1950-luvulla rakennettuihin rintamamiestaloihin on vuosien kuluessa tehty asumisviihtyvyyttä lisääviä parannuksia, mutta energiaa säästävät investoinnit ovat jääneet vähemmälle. Energiantarve on niissä tyypillisesti 400 kWh asuinneliötä kohti vuodessa, kun vastaava talo nyt rakennettuna kuluttaisi 55% - 60% vähemmän energiaa.

Energiankäytön kartoitus Lappeenrannan sementtitehtaalla.

Diplomityön tavoitteena oli kartoittaa Finnsementti Oy:n Lappeenrannan sementtitehtaan energiankäyttöä ja etsiä potentiaalisia energiansäästökohteita. Diplomityö liittyy Kauppa- ja teollisuusministeriön ja Teollisuuden ja Työnantajain Keskusliiton väliseen teollisuuden energiankäytön tehostamiseen tähtäävään puitesopimukseen, johon Finnsementti Oy on liittynyt. Diplomityön teoriaosassa tutustutaan sementin kemiaan raaka-aineista valmiisiin tuotteisiin. Lisäksi kartoitetaan sementtiteollisuuden energiansäästömahdollisuuksia laite-hankintojen ja prosessin optimointinnin kannalta. Työssä tutustutaan sementin-valmistuksessa käytettäviin laitteistoihin ja selvitetään niiden teknistä kehitystä ja energiaasäästäviä ratkaisuja. Kokeellinen osuus alkaa yksityiskohtaisella kuvauksella Lappeenrannan sementtitehtaan valmistusprosessista. Kokeellisessa osassa tutustutaan tehtaan energiankulutukseen sähkön ja polttoaineen muodossa. Lisäksi käsitellään paineilmaa ja vettä. Sähkön osalta kokeellinen osa sisältää sähkönkulutuksen historian ja sähkönjakeluverkon selvityksen lisäksi tehtaalla käytössä olevien luokittimien tehokkuustarkasteluita sähkönkulutuksen kannalta. Polttoaineen osalta diplomityö sisältää sementtiuunien energiataseiden mittaukset ja tulosten laskemisen sekä Excel-pohjaisen menetelmän kehittämisen energiataseiden laskemiseksi tulevaisuudessa. Paineilman ja veden osalta selvitetään niiden kulutusta tehtaalla ja lasketaan paineilmalle teoreettinen ominaissähkönkulutus. Luokittimien tehokkuustarkastelujen osalta havaittiin raakamyllyn luokittimen erottelu-terävyyden olevan huono verrattuna nykyaikaisiin korkeatehokkuusluokittimiin. Sementtimyllyjen luokittimien toiminnasta ei havaittu merkittäviä ongelmia. Energia-taseiden tuloksina havaittiin Lappeenrannan sementtitehtaan sementtiuunien edustavan vanhentunutta sementinvalmistustekniikkaa. Molempien uunien savukaasukanavien vuotoilmojen määrien havaittiin olevan suuret. Energiataloutta pystyttäisiin parantamaan mm. uusilla polttimilla, jolloin lämmittämättömän ensiöilman osuutta saataisiin pienentymään ja polttoaineen polttoa tehostumaan. Paineilman suhteen havaittiin kuumailman paineenalennuksen aiheuttavan turhia energiahäviöitä.

Sitoutumiskykyisemmän TMP-massan valmistus

Tämän työn tavoitteena oli selvittää TMP-massan lujuusominaisuuksien parantamismahdollisuuksia jauhatuksen keinoin. Tarkastelun kohteena olivat rejektijauhatuksen eriyttäminen päälinjasta, päälinjan ajotapojen vaikutukset massan laatuun sekä energiansäästöterien testaus. Erillisen rejektijauhatuksen pilot kokeiden myötä oli havaittavissa, että erillisjauhettu rejekti itsessään oli todella pitkäkuituista ja hyvät lujuusominaisuudet omaavaa massaa. Koeajo kuitenkin osoitti, että 9 % annostelu määrä päälinjan akseptimassaan ei riitä nostamaan valmiin massaseoksen lujuusominaisuuksia. Eriytetty rejektijauhatus voi kuitenkin parantaa prosessin hallittavuutta ja mahdollistaa tuotantotason noston. Päälinjan ajotavanmuutoskokeiden tulosten myötä voitiin havaita, että 300 t/d tuotantotaso tuotti kuidunpituuksiltaan, lujuuksiltaan ja tikkupitoisuuksiltaan parempaa massaa kuin 270 t/d tuotantotaso. Samaan aikaan tapahtunut bulkin lasku oli siedettävällä tasolla huomioitaessa vetolujuudessa tapahtuva parannus. Ajotavanmuutoskokeet osoittivat myös sen, että pienellä ensimmäisen ja toisen jauhatusvaiheen kuormitussuhteiden muutoksella on saavutettavissa parannusta sekä veto- että repäisylujuudessa, bulkissa tapahtuvien muutosten pysyessä siedettävällä tasolla. Tähän tulokseen päästiin löysäämällä ensimmäisen vaiheen jauhinten teräväliä kymmenyksellä ja vastaavasti tiukkaamalla toisen vaiheen jauhinten teräväliä niin, että jauhatuksen kokonaisenergianominaiskulutus pysyi vakiotasolla. Energiansäästöterien testauksessa havaittiin, että terien avulla on mahdollista säästää jauhatukseen kuluvassa energiassa noin 0,15 – 0,2 MWh/t. Saavutettavissa oleva energiansäästö ei kuitenkaan ole riittävä kompensoimaan massan laadun heikkenemistä, sillä energiansäästöterien myötä massan bulkki, kuidunpituus sekä veto- ja repäisylujuus laskivat verrattaessa niiden tasoon käytettäessä normaaliteriä.

Energiaa säästävä uusi viemäriveden pumppausteknologia

Pumppaaminen kuluttaa teollisuudessa huomattavan osan energiasta, joten siellä on myös merkittäviä säästömahdollisuuksia. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa noin viidenneksen sähkömoottorien energiantarpeesta, ja tietyillä teollisuudentoimialoilla jopa yli 50%. Jätevedenpumppaus perustuu edelleenkin pääosin 50- ja 60- luvuilla kehitettyyn tekniikkaan, merkittäviä energiansäästöjä on mahdollista saavuttaa suhteellisen pienillä investoinneilla. Työn teoriaosassa käsitellään perusteet jätevedenkäsittelystä, ja viemäriputkiston rakenteesta. Pumppuja, sähkömoottoreita ja taajuusmuuttajia käsitellään laajemmin keskittyen niiden toimintaan ja toimintaa ohjaaviin teorioihin. Empiirisessä osassa tutkitaan uuden teknologian energiansäästöpotentiaalia erilaisilla mittauksilla, sekä mittausten pohjalta tehdyillä case-analyyseillä. Näitä analyysejä varten työn aikana kehiteltiin laskin, jolla voidaan arvioida energian kulutusta tunnetulle pumpulle, kun tiedetään haluttu toimintapiste. Työssä käsitelty uusi teknologia on mahdollisesti merkittävin uudistus viemäriveden pumppausteknologiaan taajuusmuuttajien käyttöönoton jälkeen. Teknologialla päästään eroon imukaivoista liki täysin, ja sitä kautta saadaan paremmin hallittua monia ongelmia kuten hajuhaittoja. Teknologian merkittävin hyöty on kuitenkin energiansäästö. Perinteisessä teknologiassa taajuusmuuttajat ovat olleet kannattavia, mikäli geodeettisen nostokorkeuden osuus on mahdollisimman pieni. Tyypillisessä uuden teknologian sovelluskohteissa geodeettinen nostokorkeus tulee yleensä olemaan pieni, joten uuden teknologian käyttöönoton kannattavuus on näissä kohteissa erityisen hyvä.

Mikrokontrolleriohjaus led-ryhmälle

Luonnonvarojen ehtyminen ja ympäristön saastuminen on luonut kysyntää uusille, energiaa säästäville ja ympäristöystävällisille teknologioille. Valaistuksessa tällainen teknologia on led-tekniikka. Led-tekniikalla on useita etuja verrattuna kilpaileviin tekniikoihin kuten pitkä elinikä, ympäristöystävällisyys ja mekaaninen kestävyys. Ledejä käytetään nykyään laajalti erilaisissa erikoissovelluksissa, erityisesti jos vaatimuksena on valon värillisyys. Näihin päiviin asti ledien hinta ja heikko valontuotto ovat rajoittaneet led-valaisimien yleistymistä hehkulamppujen ja muiden valaisintyyppien korvaajina. Tekniikan nopea kehittyminen on tehnyt led-tekniikasta varteenotettavan vaihtoehdon myös yleisvalaistukseen. Uusimpien valkoisten ledien valotehokkuus on 2 - 5 -kertainen hehkulamppuun verrattuna. Led-tekniikassa on vielä paljon käyttämätöntä potentiaalia, tulevaisuudessa päästäneen 10 - 15 -kertaiseen valotehokkuuteen hehkulamppuun verrattuna. Työssä suunnitellaan mikrokontrolleripohjainen ohjausjärjestelmä valkoista valoa tuottavalle led-valaisimelle, jonka värisävyä ja kirkkautta käyttäjä voi säätää. Valkoinen valo synnytetään sekoittamalla neljän erivärisen led-rivin valoa. Mikrokontrolleri ohjaa kutakin led-riviä väriensekoitusteoriaan perustuen. Mikrokontrolleriohjaus huomioi myös ledien optisten ominaisuuksien muutokset lämpötilan suhteen. Mikrokontrolleriohjauksen suorituskyky todetaan käytännön mittauksilla.

Maalitehtaan energiakatselmus

Diplomityö on osa kokonaisuutta, jossa on tarkoitus toteuttaa Motivan mallin mukainen energiakatselmus maalitehtaalle. Työn osuutena katselmuksessa oli työhön tarvittavien alkutietojen kerääminen, tarjouspyynnön tekeminen katselmuksia tekeville yrityksille ja katselmuksen kenttätöissä ja mittauksissa avustaminen. Tarvittavien alkutietojen keräämiseen liittyi myös työhön tehty alustava energiakulutuksen jakauma sähkön- ja lämmönkulutukselle kohteittain. Työssä esitellään energiakatselmusmalli ja käydään läpi sen eri vaiheet työssä toteutetussa järjestyksessä. Energiakatselmuksesta saadut ehdotukset energiatehokkuuden parantamiseksi käydään läpi ja niiden soveltuvuutta tehtaalle arvioidaan. Energiakatselmuksen tulokset olivat erittäin positiivisia ja katselmus tehtaalle onnistui hyvin. Kaikki katselmuksen säästöehdotukset olivat järkevästi ja yksinkertaisesti toteutettavissa. Suurin potentiaali säästöille oli tehtaan vedenkulutuksessa ja ilmanvaihdon lämmönkulutuksessa.

Adaptive optimization schemes for mobile VoIP applications Battery life and call quality aspects

In this thesis programmatic, application-layer means for better energy-efficiency in the VoIP application domain are studied. The work presented concentrates on optimizations which are suitable for VoIP-implementations utilizing SIP and IEEE 802.11 technologies. Energy-saving optimizations can have an impact on perceived call quality, and thus energy-saving means are studied together with those factors affecting perceived call quality. In this thesis a general view on a topic is given. Based on theory, adaptive optimization schemes for dynamic controlling of application's operation are proposed. A runtime quality model, capable of being integrated into optimization schemes, is developed for VoIP call quality estimation. Based on proposed optimization schemes, some power consumption measurements are done to find out achievable advantages. Measurement results show that a reduction in power consumption is possible to achieve with the help of adaptive optimization schemes.

Hybridikäytön mitoitus liikkuvan työkoneen energian talteenottojärjestelmäksi

Työssä tarkastellaan sähköisiä energian talteenottomahdollisuuksia liikkuvissa työkoneissa. Työssä esitetään kolme erityyppistä liikkuvaan työkoneeseen soveltuvaa sähköisen energian talteenottojärjestelmää sekä mitoitetaan hybridikäyttö kahdelle erityyppiselle työkonesovellukselle kuormituskäyrien perusteella. Lisäksi työssä lasketaan hybridijärjestelmää käyttämällä saavutettava energiansäästö nykyiseen käyttöön verrattuna.