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.

Switching components for medium voltage drives

Nowadays power drives are the essential part almost of all technological processes. Improvement of efficiency and reduction of losses require development of semiconductor switches. It has a particular meaning for the constantly growing market of renewable sources, especially for wind turbines, which demand more powerful semiconductor devices for control with growth of power. Also at present semiconductor switches are the key component in energy transmission, optimization of generation and network connection. The aim of this thesis is to make a survey of contemporary semiconductor components, showing difference in structures, advantages, disadvantages and most suitable applications. There is topical information about voltage, frequency and current limits of different switches. Study tries to compare dimensions and price of different components. Main manufacturers of semiconductor components are presented with the review of devices produced by them, and a conclusion about their availability was made. IGBT is selected as a main component in this study, because nowadays it is the most attractive component for usage in power drives, especially at the low levels of medium voltage. History of development of IGBT structure, static and dynamic characteristics are considered. Thesis tells about assemblies and connection of components and problems which can appear. One of key questions about semiconductor materials and their future development was considered. For the purpose of comparison strong and weak sides of different switches, calculation of losses of IGBT and its basic competitor – IGCT is presented. This master’s thesis makes an effort to answer the question if there are at present possibilities of accurate selection of switches for electrical drives of different rates of power and looks at future possible ways of development of semiconductor market.

Sähköisten hankintamenettelyjen taloudelliset yritysvaikutukset

Pro gradu -tutkielmassa tutkitaan julkisissa hankinnoissa käyttöön otettavien uusien sähköisten menettelyjen, sähköisen huutokaupan ja dynaamisen hankintajärjestelmän, yritysvaikutuksia. Ydintutkimustehtävänä on tutkia, millaisia taloudellisia vaikutuksia sähköisillä menettelyillä tulee olemaan yrityksiin niiden tarjotessa palveluita tai tavaroita julkiselle sektorille ja mitkä ovat sähköisten menettelyjen käytön motiivit. Tutkielman teoriaosa on pohja empiiriselle tutkimukselle, jossa aineistona on käytetty suppeaa kyselytutkimusta, haastatteluja ja lisäksi materiaalia on tuotettu analysoimalla hallinnollisten kustannusten määrää sähköisissä hankintamenettelyissä. Yritysvaikutusten arvioinnissa tarkasteltiin sähköisten hankintamenettelyjen käytön motiiveja. Motiiveiksi tunnistettiin tehokkuuden tavoittelu, kustannussäästöt, ajankäytön ja henkilöresurssien käytön tehostaminen sekä avoimuus. Tutkimuksessa onnistuttiin todentamaan edellä mainittuja tekijöitä taloudellisilla malleilla. Määrälliset ja laadulliset tutkimustulokset osoittavat kokonaisuudessaan tuloksellisella tavalla sähköisten hankintamenettelyjen käytön motiiveita ja vaikutuksia yrityksiin. Sähköisillä hankintamenettelyillä voidaan perustellusti tehostaa hankintaprosessia ja saavuttaa kustannussäästöjä. Monia yleisiä yritysten julkisiin hankintoihin pääsyn esteinä pitämiä seikkoja voitaisiin vähentää tai poistaa käyttämällä sähköisiä hankintoja. Sähköistä huutokauppaa ja dynaamista hankintajärjestelmää koskevan lainsäädännön luodessa puitteet menettelyiden käytölle, tulee menettelyjen käyttöönoton motiivien ja kannustimien riittävyyttä seurata. Hallinnollisten kustannusten väheneminen ja muiden esteiden pieneneminen ei välttämättä synnytä pysyvää kannustinvaikutusta, vaan hankintaprosessia tulee pyrkiä sähköistämään kokonaisvaltaisesti myös muissa hankintalain mukaisissa hankintamenettelyissä ja kilpailuttamisen ulkopuolisissa hankinnan osa-alueissa kuten laskuttaminen, maksatus ja tilaus.

Enhancement of water removal in the press section

The effectiveness of water removal on press section is very important for a paper and board machine’s functioning, efficiency and economy. Today, the most effective method for wet pressing is shoe press technology. Metso has carried out a number of studies concerning anew type of water removal method for a press section, which has also been patented. These studies include rough sketches and some test runs. These issues form the basis of this thesis. The objective of this work was to gather together information for a new and enhanced waterremoval method for a press section by studying the functioning of the device andcarrying out test runs. This method is referred to here as Hydronip. The main goal was tobuild a functional test site which fulfills all the necessary requirements and has all thenecessary information gathering devices. The design process was carried out by emphasizing the safety aspects. The goal was also to gather together information about the nip structure in running conditions, the seal function, and to carry out the nip tests with paper or board wads. This thesis consists of a theory part, the design and construction of the test site, and carrying out test runs through information gathering. The theory part consists of the principals of water removal from a press section, Hydronip construction, and the requirements for the test place. The safety aspects were taken into account especially in test runs, but also in the assembly stages. The design and construction of the test site includes the selection of equipment and surroundings that are needed for managing the test runs in the best possible way at certain premises. The test site included the equipment that was already on the premises. Some equipment could be used as it was but some equipment had to be manufactured or modified from existing equipment. A functional test site with information gathering devices was accomplished as a result of thethesis. Test runs demonstrated that the Hydronip concept is, at least on a small scale,functional. Short-term tests for seal functioning showed that the seal can be lubricatedsufficiently under different kinds of nip load situations. Wad tests demonstrated that the metal belt is durable against different sizes of external particles. The seal also endured wad tests even though the pressure impacts impaired the lubrication. MTS tests showing dry content increases, combined with a rough cost calculation and the basic function of the machine in test runs, show that with some further study Hydronip could be a promising new product for water removal from a paper or board machine’s press section.

Energiantuotantovaihtoehtojen vertailu, Jousenpuiston uusi asuinalue

Tämän diplomityön tavoitteena oli vertailla paikallisia energiantuotantovaihtoehtoja eri-tyisesti lämmöntuotantoon painottuen. Tarkastelu sovitettiin uuden matalaenergiarakentamista vastaavan kerrostaloasuinalueen tarpeisiin. Näkökulmana olivat sekä taloudellisuus että hiilidioksidipäästöt. Yksityiskohtaisemman tarkastelun kohteena olivat maalämpö, alueellinen biolämpölaitos sekö alueellinen pien-CHP-laitos. Perusvaihtoehtona tutkittiin kaukolämpöä. Kaikkiin vaihtoehtoihin kuului myös kapasiteetiltaan rajoitettu jäähdytys. Tulosten mukaan kokonaistaloudellisin vaihtoehto oli maalämpö yhdistettynä kaukolämpöön. Tässä vaihtoehdossa peruslämpö tuotetaan maalämmöllä, mutta huippu-lämpöön sekä käyttöveden lämmitykseen käytetään kaukolämpöä. Ratkaisulla saadaan aikaan myös päästövähennyksiä kaukolämpöön verrattuna. Tulosten mukaan pienimmät päästöt olivat pien-CHP-biovoimalaitoksella. Toisaalta nykyisillä sähkön myyntihinnoilla pienimuotoinen yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto ei pysty kilpailemaan kustannusrakenteensa puolesta muiden tutkittujen vaihtoehtojen kanssa.

Bioenergia – verkoston operatiivinen ja strateginen kehittäminen

Nykypäivän entisestään kovenevassa globaalissa liiketoimintaympäristössä jatkuvan ja pitkäaikaisen kilpailukyvyn ylläpitämiseen ja kehittämiseen vaaditaan laajalti kyvykkyyksiä, kompetensseja ja erilaisia resursseja. Etenkään pienet yritykset eivät pysty vastaamaan nykypäivän liiketoiminnan vaatimuksiin ja tavoitteisiin, jolloin ne tarvitsevat osaamista ja resursseja ulkopuolisilta toimijoilta, jopa mahdollisilta kilpailijoiltaan. Painotus on kilpailutilanteessa siirtynyt yksittäisistä yrityksistä verkostojen välisiksi turnauksiksi liiketoiminnan armottomilla pelikentillä. Diplomityö pohjautuu Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimuskeskuksessa (TBRC) toteutettuun moniosaiseen tutkimukseen lämpöliiketoiminnan verkostorakenteista ja niiden ominaisuuksista. Tavoitteena on yleisen tietouden kasvattaminen pienten lämpölaitosalan toimijoiden verkostorakenteista, niiden eroista ja tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista. Pääpaino diplomityössä on juuri verkostojen kuvaamisella ja tietouden kasvattamisella, mutta myös rakenteiden ja toimintojen kehittämisessä vertikaalisen ja horisontaalisen verkostokehityksen viitekehyksen avulla, huomioiden operatiiviset ja strategiset tarpeet kilpailukyvyn ylläpitämisessä. Tutkimuksessa tunnistettiin huomattavia eroavaisuuksia lämpölaitosten toiminta-tavoissa sekä verkostorakenteissa ja niissä tapahtuvissa transaktioissa. Kirjallisuudessa esitettyjä onnistuneiden ja tehokkaasti toimivien verkostojen ominaisuuksien korrelaatioita lämpöliiketoiminnan operatiivisiin ja strategisiin toimintoihin vertaillaan tarkoitukseen muokatulla laadun talo -matriisilla. Tärkeimmiksi tulevaisuuden kehityskohteiksi analyysien perusteella havaittiin resurssien ja tietotaidon tehokkaamman jakamisen, yhteistyösuhteiden laajuuksien ja lukumäärien kasvattamisen sekä yhteistyösuhteiden strategisuuden lisäämisen.

Rural Food System Change in Tanzania during the Post-Ujamaa Era. A Case Study from Western Bagamoyo District

Food systems in Sub-Saharan Africa have been rapidly transforming during the recent decades with diverse outcomes on human development and environment. This study explores the food system change in rural villages in eastern Tanzania where subsistence agriculture has traditionally been the main source of livelihood. The focus is on the salient changes in the spatial dimensions and structural composition of the food system in the context of economic liberalization that has taken place after the end of the socialist ujamaa era in the mid-1980s. In addition, the linkages of the changes are examined in relation to food security, socio-economic situation, livelihoods, and local environment. The approach of the study is geographical, but also involves various multi-disciplinary elements, particularly from development studies. The research methods included thematic and questionnaire interviews, participatory tools, and the analysis of land use/ cover data and official documents. Several earlier studies that were made in the area during the late 1970s and 1980s provided an important reference base. The study shows that subsistence farming has lost its dominant role in food provisioning due to the declining productivity of land, livestock losses, and the increasing shift of labour to non-farm sectors. Also rapid population growth has added to the pressure on land and other natural resources. Despite the increasing need for money for buying marketed foods and other necessities, the nutritional situation shows improvement and severe malnutrition has diminished. However, the long-term sustainability of this transformation raises concerns. Firstly, the food security situation continues to be fragile and prone to shocks such as adverse climatic conditions, crop failures and price hikes. Secondly, the commodification of the food system and livelihoods in general is linked to rapid environmental degradation in the area, particularly the loss of soil fertility and deforestation. The situation calls for efforts that take more determined and holistic approaches towards sustainable development of the rural food system with particular focus on the role and viability of small-scale farming.

Tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelu

Tämä diplomityö käsittelee tuulivoimageneraattorin konseptisuunnittelua. Työssä käydään läpi tuulivoimateollisuuden, -markkinoiden ja -turbiinien historiaa, nykyhetkeä ja tulevaisuuden ennusteita. Tuulivoimaturbiineista esitellään yleisimmät tyypit ja teknologiat, joita vertaillaan keskenään. Lisäksi selvitetään tarkemmin suoravetoisten tuuliturbiinigeneraattoreiden teknologiaa ja teknisiä rakenteita joita myös vertaillaan keskenään. Työn pääasiallisena tarkoituksena on luoda selkeä konseptisuunnitteluprojektin toimintamalli, jota noudattamalla projekti voidaan hoitaa johdonmukaisesti läpi. Lopuksi työssä vielä käydään läpi suoravetoisen kestomagneettigeneraattorin todellinen konseptisuunnitteluprojekti, jossa ei ole ollut käytössä selkeää toimintamallia.

Hybridikomposiittien hyödyntäminen tuulivoimalan rakenteissa

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia hybridikomposiittien soveltuvuutta tuulivoimalan osien tai osakokonaisuuksien rakennemateriaaliksi. Lähtökohtana oli selvittää erityisesti luonnonkuitukomposiitin materiaaliteknisten ominaisuuksien, etenkin lujuusominaisuuksi-en soveltuminen tuulivoiman rakenteisiin. Työn johdanto-osuudessa esitellään tuulivoiman rooli tämän päivän energiantuotannossa, yksittäisen tuulivoimalalaitoksen rakenne, rakenteiden suunnittelussa huomioitavat seikat, voimalan eri osien kuten tornin, lapojen ja nasellin yleisimmät valmistusmenetelmät, sekä muovien ja eri lujitteiden ohella puumuovikomposiitin materiaaliominaisuudet, valmistus-menetelmät ja yleisimmät käyttökohteet. Hybridikomposiittien lujuusominaisuuksia tutkittiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston puutekniikan laboratoriossa suoritetuissa mittauksissa. Saatuja tuloksia verrattiin referens-situlosten ohella myös tällä hetkellä tuulivoimalan rakenteissa yleisesti käytettävien lasi- ja hiilikuidun, sekä teräksen ominaisuuksiin. Mittaustulosten perusteella bambu- ja lasikuitu-lujitteiset puumuovikomposiitit soveltuvat parhaiten tuulivoimalarakenteisiin, mutta niiden valmistaminen ekstruusiomenetelmällä on melko haasteellista.

Synthesis of percarboxylic acids in microreactor

Percarboxylic acids are commonly used as disinfection and bleaching agents in textile, paper, and fine chemical industries. All of these applications are based on the oxidative potential of these compounds. In spite of high interest in these chemicals, they are unstable and explosive chemicals, which increase the risk of synthesis processes and transportation. Therefore, the safety criteria in the production process should be considered. Microreactors represent a technology that efficiently utilizes safety advantages resulting from small scale. Therefore, microreactor technology was used in the synthesis of peracetic acid and performic acid. These percarboxylic acids were produced at different temperatures, residence times and catalyst i.e. sulfuric acid concentrations. Both synthesis reactions seemed to be rather fast because with performic acid equilibrium was reached in 4 min at 313 K and with peracetic acid in 10 min at 343 K. In addition, the experimental results were used to study the kinetics of the formation of performic acid and peracetic acid. The advantages of the microreactors in this study were the efficient temperature control even in very exothermic reaction and good mixing due to the short diffusion distances. Therefore, reaction rates were determined with high accuracy. Three different models were considered in order to estimate the kinetic parameters such as reaction rate constants and activation energies. From these three models, the laminar flow model with radial velocity distribution gave most precise parameters. However, sulfuric acid creates many drawbacks in this synthesis process. Therefore, a ´´greener´´ way to use heterogeneous catalyst in the synthesis of performic acid in microreactor was studied. The cation exchange resin, Dowex 50 Wx8, presented very high activity and a long life time in this reaction. In the presence of this catalyst, the equilibrium was reached in 120 second at 313 K which indicates a rather fast reaction. In addition, the safety advantages of microreactors were investigated in this study. Four different conventional methods were used. Production of peracetic acid was used as a test case, and the safety of one conventional batch process was compared with an on-site continuous microprocess. It was found that the conventional methods for the analysis of process safety might not be reliable and adequate for radically novel technology, such as microreactors. This is understandable because the conventional methods are partly based on experience, which is very limited in connection with totally novel technology. Therefore, one checklist-based method was developed to study the safety of intensified and novel processes at the early stage of process development. The checklist was formulated using the concept of layers of protection for a chemical process. The traditional and three intensified processes of hydrogen peroxide synthesis were selected as test cases. With these real cases, it was shown that several positive and negative effects on safety can be detected in process intensification. The general claim that safety is always improved by process intensification was questioned.

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.

Yleinen kirjallisuuskatsaus peliteollisuuteen ohjelmistotekniikan tutkimuksessa

Tässä työssä tutkitaan peliteollisuudesta tehtyä ohjelmistotekniikan tutkimusta. Työssä selvitetään kirjallisuuskatsauksen keinoin mitä on tutkittu aiemmin, ketkä ovat tutkineet ja missä on tutkittu. Löydetystä aineistosta poimitaan oleellisimmat julkaisut tarkempaan tarkasteluun. Johtopäätöksenä todetaan, että peliteollisuudesta tehty ohjelmistotekniikan tutkimus on tehdyn kirjallisuuskatsauksen perusteella pääosin mittaluokaltaan pientä ja määrältään vähäistä. Huomattavaa julkisuutta tutkijapiireissä saaneita peliteollisuutta ohjelmistotekniikan näkökulmasta tutkineita henkilöitä tai tutkimuslaitoksia ei noussut esille tutkimusta tehdessä.

Haja-asutusalueiden pienjätevedenpuhdistamoiden online-monitoroinnin kehitysmahdollisuudet

The aim of this Bachelor's thesis was to investigate potentialities of online-monitoring the efficiency of small scale wastewater treatment systems. Evolving legislation currently sets minimum boundaries of relative decrease in levels of phosphorus, nitrogen and BOD in abovementioned applications, yet no monitoring requirements for such systems are determined. Inherently, no applicable monitoring system for these parameters exist. However, some measuring methods offer potentialities for estimating the reduction of these certain parameters in a wastewater stream treated in a small scale system. Such methods could be found for example among electronic noses, measuring of electronic conductivity or turbidity.

Pienen kokoluokan CHP-tuotannon kannattavuus kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä

Fossiiliset polttoainevarannot ovat ehtymässä. Nykyisen talouskasvumme perustuessa fossiilisten polttoaineiden kestämättömään käyttöön, on energiantuotantorakenteen muututtava. Euroopan Unioni on asettanut tavoitteet uusiutuvan energian osuuden lisäämiseksi. Näistä syistä johtuen kiinnostus uusiutuvaa energiaa ja hajautettua energiantuotantoa kohtaan on kasvanut viime aikoina. Tämän globaalin ilmiön rinnalla yhteiskuntarakenteen muutos Suomessa on johtanut tilanteeseen, jossa taloudellinen aktiviteetti kasvukeskusten ulkopuolella on hiipumassa. Loogisena ratkaisumallina on syntynyt hankkeita kuten Keski-Karjalan Kehitysyhtiö Oy:n Puhos 2013 - ympäristöalasta uutta liiketoimintaa - hanke. Tämä työ on Puhos 2013 - hankkeeseen tilattu tutkimus, jonka tavoitteena on puuta ja biokaasua polttoaineenaan käyttävän mikroturbiinitekniikkaan pohjautuvan pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuden selvittäminen kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä. Tutkimuksessa selvitettiin aluksi pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuteen vaikuttavat tekijät, jonka jälkeen opittua tietoa sovellettiin Kiteen Lämmön Arppentien lämpölaitoksen tapaukseen. Kiteen Lämmön taloudellisen kannattavuuden ohella tutkimuksessa huomioitiin uusien liiketoiminta mahdollisuuksien syntyminen alueelle. Käytetyt tutkimusmenetelmät olivat kvalitatiivinen analyysi ja perinteinen investoinnin kannattavuuslaskenta. Tutkimuksen tuloksena muodostettiin strategia, joka maksimoi molemmat edellä mainitut kannattavuuden näkökulmat. Kehitetyn strategian Kiteen Lämmön tulosta maksimoiva osuus muodostuu oman käyttösähkön tuottamisen aloittamisesta Arppentien lämpölaitoksella 30 kWe mikroturbiinilla käyttäen polttoaineena Bio10 Oy:n toimittamaa biokaasua. Uusien liiketoiminta mahdollisuuksien synty alueelle mahdollistetaan puolestaan kehittämällä puun kaasutukseen perustuva modulaarinen CHP laitos yhteistyössä Mekrijärven tutkimusaseman ja suomalaisten laitevalmistajien kanssa.