Utilisation of biomass for energy production in the North-West Russian forest industry

Traditionally, fossil fuels have always been the major sources of the modern energy production. However prices on these energy sources have been constantly increasing. The utilization of local biomass resources for energy production can substitute significant part of the required energy demand in different energy sectors. The introduction of the biomass usage can easily be started in the forest industry first as it possesses biomass in a large volume. The forest industry energy sector has the highest potential for the fast bioenergy development in the North-West Russia. Therefore, the question concerning rational and effective forest resources use is important today as well as the utilization of the forestry by-products. This work describes and analyzes the opportunities of utilising biomass, mainly, in the form of the wood by-products, for energy production processes in general, as well as for the northwest Russian forest industry conditions. The study also covers basic forest industry processes and technologies, so, the reader can get familiar with the information about the specific character of the biomass utilization. The work gives a comprehensive view on the northwest forest industry situation from the biomass utilisation point of view. By presenting existing large-scale sawmills and pulp and paper mills the work provides information for the evaluation of the future development of CHP investments in the northwest Russian forest industry.

Distributed energy resources in an electricity retailer’s short-term profit optimization

Liberalization of electricity markets has resulted in a competed Nordic electricity market, in which electricity retailers play a key role as electricity suppliers, market intermediaries, and service providers. Although these roles may remain unchanged in the near future, the retailers’ operation may change fundamentally as a result of the emerging smart grid environment. Especially the increasing amount of distributed energy resources (DER), and improving opportunities for their control, are reshaping the operating environment of the retailers. This requires that the retailers’ operation models are developed to match the operating environment, in which the active use of DER plays a major role. Electricity retailers have a clientele, and they operate actively in the electricity markets, which makes them a natural market party to offer new services for end-users aiming at an efficient and market-based use of DER. From the retailer’s point of view, the active use of DER can provide means to adapt the operation to meet the challenges posed by the smart grid environment, and to pursue the ultimate objective of the retailer, which is to maximize the profit of operation. This doctoral dissertation introduces a methodology for the comprehensive use of DER in an electricity retailer’s short-term profit optimization that covers operation in a variety of marketplaces including day-ahead, intra-day, and reserve markets. The analysis results provide data of the key profit-making opportunities and the risks associated with different types of DER use. Therefore, the methodology may serve as an efficient tool for an experienced operator in the planning of the optimal market-based DER use. The key contributions of this doctoral dissertation lie in the analysis and development of the model that allows the retailer to benefit from profit-making opportunities brought by the use of DER in different marketplaces, but also to manage the major risks involved in the active use of DER. In addition, the dissertation introduces an analysis of the economic potential of DER control actions in different marketplaces including the day-ahead Elspot market, balancing power market, and the hourly market of Frequency Containment Reserve for Disturbances (FCR-D).

Conflict management as a means to the sustainable use of natural resources

Abstract

Line filter optimization in elevator use

The purpose of this thesis was to create design a guideline for an LCL-filter. This thesis reviews briefly the relevant harmonics standards, old filter designs and problems faced with the previous filters. This thesis proposes a modified design method based on the “Liserre’s method” presented in the literature. This modified method will take into account network parameters better. As input parameters, the method uses the nominal power, allowed ripple current in converter and network side and desired resonant frequency of the filter. Essential component selection issues for LCL-filter, such as heating, voltage strength, current rating etc. are also discussed. Furthermore, a simulation model used to verify the operation of the designed filter in nominal power use and in transient situations is included in this thesis.

On the use of convex underestimators in global optimization

Många kvantitativa problem från vitt skilda områden kan beskrivas som optimeringsproblem. Ett mått på lösningens kvalitet bör optimeras samtidigt som vissa villkor på lösningen uppfylls. Kvalitetsmåttet kallas vanligen objektfunktion och kan beskriva kostnader (exempelvis produktion, logistik), potentialenergi (molekylmodellering, proteinveckning), risk (finans, försäkring) eller något annat relevant mått. I min doktorsavhandling diskuteras speciellt icke-linjär programmering, NLP, i ändliga dimensioner. Problem med enkel struktur, till exempel någon form av konvexitet, kan lösas effektivt. Tyvärr kan inte alla kvantitativa samband modelleras på ett konvext vis. Icke-konvexa problem kan angripas med heuristiska metoder, algoritmer som söker lösningar med hjälp av deterministiska eller stokastiska tumregler. Ibland fungerar det här väl, men heuristikerna kan sällan garantera kvaliteten på lösningen eller ens att en lösning påträffas. För vissa tillämpningar är det här oacceptabelt. Istället kan man tillämpa så kallad global optimering. Genom att successivt dela variabeldomänen i mindre delar och beräkna starkare gränser på det optimala värdet hittas en lösning inom feltoleransen. Den här metoden kallas branch-and-bound, ungefär dela-och-begränsa. För att ge undre gränser (vid minimering) approximeras problemet med enklare problem, till exempel konvexa, som kan lösas effektivt. I avhandlingen studeras tillvägagångssätt för att approximera differentierbara funktioner med konvexa underskattningar, speciellt den så kallade alphaBB-metoden. Denna metod adderar störningar av en viss form och garanterar konvexitet genom att sätta villkor på den perturberade Hessematrisen. Min forskning har lyft fram en naturlig utvidgning av de perturbationer som används i alphaBB. Nya metoder för att bestämma underskattningsparametrar har beskrivits och jämförts. I sammanfattningsdelen diskuteras global optimering ur bredare perspektiv på optimering och beräkningsalgoritmer.

Use of field measurements in fatigue analysis of forestry cranes

Tässä työssä on esitetty väsyttävän kuormituksen mittaamiseen ja mittausdatan jälkikäsittelyyn sekä väsymismitoitukseen liittyviä menetelmiä. Menetelmien sovelluskohteena oli metsäkoneen kuormain, joka on väsyttävästi kuormitettu hitsattu rakenne. Teoriaosassa on kuvattu väsymisilmiötä ja väsymismitoitusmenetelmiä sekä kuormitusten tunnistamiseen ja mittausten jälkikäsittelyyn liittyviä menetelmiä. Yleisimmin käytettyjen väsymismitoitusmenetelmien rinnalle on esitetty luotettavuuteen perustuvaa väsymismitoitusmenetelmää. Kuormainten suunnittelussa on keveys- j a kestoikävaatimusten takia erityisen suuri merkitys väsymisen huomioimisella. Rakenteille on ominaista tietyt toiminnan kannalta välttämättömät hitsatut yksityiskohdat, jotka usein määräävät koko rakenteen kestoiän. Koska nämä ongelmakohdat pystytään useimmiten tunnistamaan jo suunnitteluvaiheessa, voidaan yksityiskohtien muotoilulla usein parantaa huomattavasti koko rakenteen kestoikää. Näiden yksityiskohtien optimointi on osittain mahdollista toteuttaa ilman kuormituskertymätietoa, mutta useimmiten kuormitusten tunnistaminen on edellytys parhaan ratkaisun löytymiselle. Tällöin toistaiseksi paras keino todellisen väsyttävän kuormituksen tunnistamiseksi on pitkäaikaiset kenttämittaukset. Kenttämittauksilla selvitetään rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset venymäliuskojen avulla. Kuormitusten tunnistamisella on erityisen suuri merkitys kun halutaan määrittää rakenteen kestoikä. Väsyminen ja väsyttävä kuormitus ovat kuitenkin tilastollisia muuttujia j a yksittäiselle rakenteelle ei ole mahdollista määrittää tarkkaa k estoikää. Tilastollisia menetelmiä käyttäen on kuitenkin mahdollista määrittää rakenteen vaurioitumisriski. Laskettaessa vaurioitumisriskiä suurelle määrälle yksittäisiä rakenteita voidaan muodostaa tarkkojakin ennusteita mahdollisten vaurioiden lukumäärästä. Tällöin kuormituskertymätiedosta voi olla tavanomaisen suunnittelun lisäksi laajempaa hyötyä esimerkiksi takuukäsittelyssä. Tässä työssä on sovellettu esitettyjä teorioita käytännössä metsäkoneen harvesterin puomiston väsymistarkasteluun. Kyseisen rakenteen kuormituksia mitattiin kahden viikon aikana yhteensä 35 tuntia, jonka perusteella laskettiin väsyttävän kuormituksen tilastollinen jakauma esimerkkitapaukselle. Mittauksen perusteella ei voitu tehdä kuitenkaan johtopäätöksiä tuotteen koko elinkaaren kuormituksista eikä muiden samanlaisten tuotteiden kuormituksista, koska mitattu otos oli suhteellisen lyhyt ja rajoittui vain yhteen käyttäjään ja muutamaan käyttökohteeseen. Menetelmien testaamiseksi kyseinen otos oli kuitenkin riittävä. Kuormituskertymätietoa käytettiin hyväksi myös laatumääritysten muodostamisessaesimerkkitapaukselle. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä arvioitiinharvesteripilarin valun mahdollisten valuvirheiden suurin sallittu koko. Luotettavuuteen pohjautuvan mitoitusmenettelyn tarve näyttää olevanlisääntymässä, joten pitkäaikaisten kenttämittausten tehokas hyödyntäminen tulee olemaan keskeinen osa väsymismitoitusta lähitulevaisuudessa. Menetelmiä olisi mahdollista tehostaa yhdistämällä kuormituskertymään erilaisia kuormitusten suhteen riippuvia tunnettuja suureita kuten käsiteltävän puun halkaisija. Todellisettuotekohtaiset tilastolliset jakaumat kuormituksista voitaisiin muodostaa mahdollisesti tehokkaammin, jos esimerkiksi kuormitusten riippuvuus metsätyypistä pystyttäisiin ensin määrittämään.

Optimization of the ink removal in deinking plant

Diplomityön tarkoituksena oli parantaa Stora Enso Sachsenin siistausprosessissa tuotetun uusiomassan vaaleuden kehitystä ja tutkia siihen vaikuttavia tekijöitä. Työn kirjallisessa osassa käsiteltiin uusiomassan kuidutusta ja vaahdotussiistausprosessia, sekä keräyspaperin ominaisuuksia ja käyttöä paperiteollisuuden raaka-aineena. Kokeellisessa osassa keskityttiin modifioidun natriumsilikaatin annostuksenoptimointiin ja vaikutuksiin laboratorio- ja prosessioloissa, sekä kesäefektin vaikutuksen tutkimiseen kuidutuksessa ja flotaation eri vaiheissa. Natriumsilikaatin laboratoriotutkimuksessa havaittiin, että korkein vaaleus suhteellisesti pienimmällä laboratorioflotaation häviöllä saavutettiin korkeimmalla tutkitulla natriumsilikaatin annostuksella, joka oli 1,1 %. Korkea natriumsilikaattiannostus yhdistettyinä korkeisiin vetyperoksidiannostukseen, 0,5 %, sekä korkeaan kokonaisalkaliteettiin, 0.33 %, johti korkeimpaan massan vaaleuteen ja pienimpiin häviöihin. Laboratoriotutkimuksen pohjalta modifioidulla natriumsilikaatilla suoritettiin koeajoja prosessissa. Noin 1 % natriumsilikaatin annostuksella havaittiin parempi pH:n bufferointikyky, pienempi kalsiumkarbonaatin määrä flotaation primäärivaiheissa, sekä lievästi parempi massan vaaleus verrattuna prosessissa aiemmin käytettyyn standardinatriumsilikaattiin. Kesäefektitutkimuksessa havaittiin, että kesäefektillä on suurin vaikutus esiflotaation primäärivaiheeseen, sillä primäärivaiheessa kuitujen osuus on huomattavasti suurempi kuin sekundäärivaiheissa. Esiflotaation primäärivaiheen uusiomassojen laboratorioflotaatioiden avulla saavutettujen maksimivaaleuksien ero kesän ja talven välillä oli noin 1,5 %ISO. Kesäefektin ei havaittu suuresti vaikuttavan flotaation sekundäärivaiheisiin.

Covariance Matrix Estimation and Mean-Variance Optimization in application to International Diversification

Tutkimus keskittyy kansainväliseen hajauttamiseen suomalaisen sijoittajan näkökulmasta. Tutkimuksen toinen tavoite on selvittää tehostavatko uudet kovarianssimatriisiestimaattorit minimivarianssiportfolion optimointiprosessia. Tavallisen otoskovarianssimatriisin lisäksi optimoinnissa käytetään kahta kutistusestimaattoria ja joustavaa monimuuttuja-GARCH(1,1)-mallia. Tutkimusaineisto koostuu Dow Jonesin toimialaindekseistä ja OMX-H:n portfolioindeksistä. Kansainvälinen hajautusstrategia on toteutettu käyttäen toimialalähestymistapaa ja portfoliota optimoidaan käyttäen kahtatoista komponenttia. Tutkimusaieisto kattaa vuodet 1996-2005 eli 120 kuukausittaista havaintoa. Muodostettujen portfolioiden suorituskykyä mitataan Sharpen indeksillä. Tutkimustulosten mukaan kansainvälisesti hajautettujen investointien ja kotimaisen portfolion riskikorjattujen tuottojen välillä ei ole tilastollisesti merkitsevää eroa. Myöskään uusien kovarianssimatriisiestimaattoreiden käytöstä ei synnytilastollisesti merkitsevää lisäarvoa verrattuna otoskovarianssimatrisiin perustuvaan portfolion optimointiin.

Cooling system optimization in medium-speed engines

Tässä työssä optimoidaan keskinopean Wärtsilä 32 -dieselmoottorin jäähdytysjärjestelmää ja tutkitaan taajuusmuuttajien käyttömahdollisuutta kiertopumppujen yhteydessä niin, että järjestelmässä saataisiin kiertämään vain kulloinkin tarvittava määrä vettä. Tutkimuksen mallinnus on toteutettu laatimalla aiemmin käytössä olleista yksinkertaisista simulointimalleista yksi malli, johon on sisällytetty sekä virtauksen että lämmönsiirron laskenta, jotka on aiemmin mallinnettu erillisillä ohjelmilla. Diplomityö on osa projektia, joka on tehty Sähkötekniikan osaston tutkijan Mikko Pääkkösen kanssa yhteistyössä. Tämän diplomityö keskittyy lähinnä virtausteknisiin ja lämmönsiirtoon liittyviin asioihin, kun taas sähkötekniikan osuus on esitetty Mikko Pääkkösen raportissa. Tulosten perustella voidaan sanoa, että taajuusmuuttajakäyttö kannattaa kiertopumppujen yhteydessä. Käyttämällä pumppujen virtaussäätöä voidaan jäähdytysjärjestelmästä jättää monia komponentteja, kuten termostaattiventtiilejä pois. Mallinnetut yksinkertaiset piiriratkaisut näyttävät toimivan ainakin yleisellä tasolla. Tutkimusta pumppujen säädöstä ja tässä projektissa luoduista jäähdytysjärjestelmäkonfiguraatioista kannattaa jatkaa.

The use of future-oriented knowledge in regional innovation processes: Research on knowledge generation, transfer and conversion

The importance of the regional level in research has risen in the last few decades and a vast literature in the fields of, for instance, evolutionary and institutional economics, network theories, innovations and learning systems, as well as sociology, has focused on regional level questions. Recently the policy makers and regional actors have also began to pay increasing attention to the knowledge economy and its needs, in general, and the connectivity and support structures of regional clusters in particular. Nowadays knowledge is generally considered as the most important source of competitive advantage, but even the most specialised forms of knowledge are becoming a short-lived resource for example due to the accelerating pace of technological change. This emphasizes the need of foresight activities in national, regional and organizational levels and the integration of foresight and innovation activities. In regional setting this development sets great challenges especially in those regions having no university and thus usually very limited resources for research activities. Also the research problem of this dissertation is related to the need to better incorporate the information produced by foresight process to facilitate and to be used in regional practice-based innovation processes. This dissertation is a constructive case study the case being Lahti region and a network facilitating innovation policy adopted in that region. Dissertation consists of a summary and five articles and during the research process a construct or a conceptual model for solving this real life problem has been developed. It is also being implemented as part of the network facilitating innovation policy in the Lahti region.

Ydinvoimalaitoksen vuosihuoltoajankohdan optimointi

Viimeaikoina ydinvoima on ollut vahvasti esillä mediassa. Keskustelut lisäydinvoimasta, sähköntuotantomuodoista, Olkiluodon kolmannen ydinvoimalaitosyksikön rakennustöistä, sähkön kulutuksen tulevaisuudesta ja nykyisestä taloustilanteesta ovat vaikuttaneet tarpeeseen tutkia sähkön tuotantokustannuksia ydinvoiman osalta. Tutkimuksessa keskitytään erityisesti ydinvoimalaitosyksiköiden vuosihuolto- ja polttoainekustannuksiin, jotka muodostavat suurimman suunnitellun yksittäisen kustannuserän ydinvoiman käyttöön liittyen. Työ tehdään Teollisuuden Voima Oyj:lle, joka pääsääntöisesti toimii Eurajoen Olkiluodossa. Työssä optimoidaan jokaiselle Olkiluodon ydinvoimalaitosyksikölle mahdollisimman edullinen vuosihuoltoajankohta. Optimaalisin ajankohta määrittyy edullisimman sähkön hinnan, ihanteellisimman käyttöjakson pituuden sekä resurssien saatavuuden perusteella. Ydinvoimalaitosyksiköiden vuosihuoltoajankohdat suunnitellaan siten, että vuosihuollot ovat kokonaisuudessaan ja laitosyksikkökohtaisesti optimaaliset. Työn lopputuloksena on esitys Olkiluodon ydinvoimalaitosyksiköiden optimaalisista vuosihuoltoajankohdista. Työn tuloksien myötä Teollisuuden Voima Oyj:llä on mahdollisuus pienentää vuosihuoltokustannuksiaan ja osaltaan vaikuttaa ydinvoimalla tuotetun sähkön kannattavuuteen. Vuosihuoltoajankohdan optimointi palvelee myös Teollisuuden Voima Oyj:n osakkaiden vaatimuksia.

Use Of Systems Approach with Total Quality Management in Industrial Organizations

The objective of the work has been to study why systems thinking should be used in combination with TQM, what are the main benefits of the integration and how it could best be done. The work analyzes the development of systems thinking and TQM with time and the main differences between them. The work defines prerequisites for adopting a systems approach and the organizational factors which embody the development of an efficient learning organization. The work proposes a model based on combination of an interactive management model and redesign to be used for application of systems approach with TQM in practice. The results of the work indicate that there are clear differences between systems thinking and TQM which justify their combination. Systems approach provides an additional complementary perspective to quality management. TQM is focused on optimizing operations at the operational level while interactive management and redesign of organization are focused on optimization operations at the conceptual level providing a holistic system for value generation. The empirical study demonstrates the applicability of the proposed model in one case study company but its application is tenable and possible also beyond this particular company. System dynamic modeling and other systems based techniques like cognitive mapping are useful methods for increasing understanding and learning about the behavior of systems. The empirical study emphasizes the importance of using a proper early warning system.

Algorithmic Solutions for Combinatorial Problems in Resource Management of Manufacturing Environments

This thesis studies the use of heuristic algorithms in a number of combinatorial problems that occur in various resource constrained environments. Such problems occur, for example, in manufacturing, where a restricted number of resources (tools, machines, feeder slots) are needed to perform some operations. Many of these problems turn out to be computationally intractable, and heuristic algorithms are used to provide efficient, yet sub-optimal solutions. The main goal of the present study is to build upon existing methods to create new heuristics that provide improved solutions for some of these problems. All of these problems occur in practice, and one of the motivations of our study was the request for improvements from industrial sources. We approach three different resource constrained problems. The first is the tool switching and loading problem, and occurs especially in the assembly of printed circuit boards. This problem has to be solved when an efficient, yet small primary storage is used to access resources (tools) from a less efficient (but unlimited) secondary storage area. We study various forms of the problem and provide improved heuristics for its solution. Second, the nozzle assignment problem is concerned with selecting a suitable set of vacuum nozzles for the arms of a robotic assembly machine. It turns out that this is a specialized formulation of the MINMAX resource allocation formulation of the apportionment problem and it can be solved efficiently and optimally. We construct an exact algorithm specialized for the nozzle selection and provide a proof of its optimality. Third, the problem of feeder assignment and component tape construction occurs when electronic components are inserted and certain component types cause tape movement delays that can significantly impact the efficiency of printed circuit board assembly. Here, careful selection of component slots in the feeder improves the tape movement speed. We provide a formal proof that this problem is of the same complexity as the turnpike problem (a well studied geometric optimization problem), and provide a heuristic algorithm for this problem.