Cost-benefit analysis of multifunctional agriculture in Finland

Selostus: Kustannus-hyötyanalyysi monivaikutteisesta maataloudesta

Cost-benefit analysis of using test automation in the development of embedded software

The goal of this thesis is to make a case study of test automation’s profitability in the development of embedded software in a real industrial setting. The cost-benefit analysis is done by considering the costs and benefits test automation causes to software development, before the software is released to customers. The potential benefits of test automation regarding software quality after customer release were not estimated. Test automation is a significant investment which often requires dedicated resources. When done accordingly, the investment in test automation can produce major cost savings by reducing the need for manual testing effort, especially if the software is developed with an agile development framework. It can reduce the cost of avoidable rework of software development, as test automation enables the detection of construction time defects in the earliest possible moment. Test automation also has many pitfalls such as test maintainability and testability of the software, and if those areas are neglected, the investment in test automation may become worthless or it may even produce negative results. The results of this thesis suggest that test automation is very profitable at the company under study.

Assessing e-procurement System for Improving the Purchasing Operations

Diplomityön tavoitteena oli luoda suunnitelma elektronisen hankintatoimen aloittamiseksi, analysoimalla nykyisiä ostoprosesseja ja konsernin laajuista elektronista hankintajärjestelmää. Työ pohjautuu yritysten väliseen elektroniseen kauppaan, elektroniseen hankintatoimeen ja systeemisuunnitteluun liittyvään kirjallisuuteen. Työssä tehdyn suunnitelman tarkoituksena on auttaa Siemens Oy:tä siirtymään uuteen elektroniseen ostotoimintaan. Elektroniselle ostotoiminnalle suunniteltiin tavoitteet ja näitä vastaavat vaatimukset. Elektronisen hankintajärjestelmän analysointi perustuu kirjallisuudessa esitettyihin järjestelmän elinkaari-mallin vaiheisiin. Analysoinnin tarkoituksena oli saada selville järjestelmän soveltuvuus Siemens Oy: n liiketoimintaympäristöön, prosesseihin ja vaatimuksiin. Elektronisen hankintatoiminnan etuja ovat liiketoiminta prosessien johtamisen parantuminen, kustannusten väheneminen sekä taloudellisen suorituskyvyn lisääntyminen. Elektronisen hankintatoiminnan aloittaminen vaatii kuitenkin huolellista suunnittelua. Työssä tehdyt suunnitelmat ja analysoinnit auttavat arvioidessa järjestelmän sopivuutta Siemens Oy: n vaatimuksiin. Oikean ja toimivan järjestelmän valinta ei kuitenkaan takaa elektronisesta hankintatoiminnasta hyötymistä. Tärkeimpiä jatkotoimenpiteitä onkin suorittaa kustannus/hyöty analyysi ja arvioida toimittajien halukkuutta ja kykyjä osallistua markkinapaikkaan.

Terveyskorttiprojektin kustannusvaikuttavuuden arviointi

Tämän kandidaatintyön lähtökohtana oli selvittää Helsingin kaupungin Terveysasemaosaston Terveyskorttiprojektin aikana toteutetun pilotin taloudellisuutta ja vaikuttavuutta rinnakkaispalveluna. Kirjallisuuskatsauksen tavoitteena oli selvittää millaisilla metodeilla kustannusvaikuttavuutta voidaan analysoida terveydenhuollossa. Lisäksi tavoitteena oli selvittää kyseisen projektin kustannusten suhdetta palvelun vaikuttavuuteen, eli muutoksiin asiakkaiden terveystottumuksissa. Keskeisimpiä kustannusvaikuttavuuden arviointimenetelmiä terveydenhuollossa ovat kustannusten minimointianalyysi (KMA), kustannus-hyötyanalyysi (KHA), kustannus-vaikuttavuusanalyysi (KVA) ja kustannus-utiliteettianalyysi (KUA). Käytännön päätöksenteon analyyttinen mallintaminen empirian- ja näyttöön perustuvan tiedon pohjalta osoittautui kirjallisuuskatsauksessa myös päteväksi tavaksi arvioida palveluiden vaikuttavuutta. Terveyskorttiprojektin suurimmat kustannussäästöt, verrattuna perinteiseen vastaanotto-malliin, muodostuivat verkkopalvelun seulontavaiheessa. Terveyden edistämisen osa-alueisiin painonhallinta, liikunta ja ravitsemus palvelu soveltui hyvin. Palvelun käytettävyyden kehittämishaasteiksi muodostuivat tulosten perusteella tekniset ongelmat, vuoro-vaikutuksen puute ja asiakkaan oman motivaation löytyminen.

Deinking sludge utilization possibilities: technical, economic, and environmental assessments

This report introduces the ENPI project called “EMIR - Exploitation of Municipal and Industrial Residues” which was executed in a co-operation between Lappeenranta University of Technology (LUT), Saint Petersburg State University of Economics (SPbSUE), Saint Petersburg State Technical University of Plant Polymers (SPbSTUPP) and industrial partners from both Leningrad Region (LR), Russia and Finland. The main targets of the research were to identify the possibilities for deinking sludge management scenarios in co-operation with partner companies, to compare the sustainability of the alternatives, and to provide recommendations for the companies in the Leningrad Region on how to best manage deinking sludge. During the literature review, 24 deinking sludge utilization possibilities were identified, the majority falling under material recovery. Furthermore, 11 potential utilizers of deinking sludge were found within the search area determined by the transportation cost. Each potential utilizer was directly contacted in order to establish cooperation for deinking sludge utilization. Finally, four companies, namely, “Finnsementti” – a cement plant in Finland (S1), “St.Gobian Weber” – a light-weight aggregate plant in Finland (S2), “LSR-Cement” – a cement plant in LR (S3), and “Rockwool” – a stone wool plant in LR (S4) were seen as the most promising partners and were included in the economic and environmental assessments. Economic assessment using cost-benefit analysis (CBA) indicated that substitution of heavy fuel oil with dry deinking sludge in S2 was the most feasible option with a benefit/cost ratio (BCR) of 3.6 when all the sludge was utilized. At the same time, the use of 15% of the total sludge amount (the amount that could potentially be treated in the scenario) resulted in a BCR of only 0.16. The use of dry deinking sludge in the production of cement (S3) is a slightly more feasible option with a BCR of 1.1. The use of sludge in stone wool production is feasible only when all the deinking sludge is used and burned in an existing incineration plant. The least economically feasible utilization possibility is the use of sludge in cement production in Finland (S1) due to the high gate fee charged. Environmental assessment was performed applying internationally recognized life cycle assessment (LCA) methodologies: ISO 14040 and ISO 14044. The results of a consequential LCA stated that only S1 and S2 lead to a reduction of all environmental impacts within the impact categories chosen compared to the baseline scenario where deinking sludge is landfilled. Considering S1, the largest reduction of 13% was achieved for the global warming potential (GWP), whereas for S2, the largest decrease of abiotic depletion potential (ADP) was by 1.7%, the eutrophication potential (EP) by 1.8%, and a GWP of 2.1% was documented. In S3, the most notable increase of ADP and acidification potential (AP) by 2.6 and 1.5% was indicated, while the GWP was reduced by 12%, the largest out of all the impact categories. In S4, ADP and AP increased by 2.3 and 2.1% respectively, whereas ODP was reduced by 25%. During LCA, it was noticed that substitution of fuels causes a greater reduction of environmental impact (S1 and S2) than substitution of raw materials (S3 and S4). Despite a number of economically and environmentally acceptable deinking sludge utilization methods being assessed in the research, evaluation of bottlenecks and communications with companies’ representatives uncovered the fact that the availability of the raw materials consumed, and the risks associated with technological problems resulting from the sludge utilization, limited the willingness of industrial partners to start deinking sludge utilization. The research results are of high value for decision-makers at already existing paper mills since the result provide insights regarding alternatives to the deinking sludge utilization possibilities already applied. Thus, the research results support the maximum economic and environmental value recovery from waste paper utilization.

Toimittajaverkoston ja päähankkijan rajapintojen yhdistäminen

Kansainvälisen kaupan ja kanssakäymisen lisääntyminen onpakottanut veturiyritykset verkostoitumaan toisten yritysten kanssa, joustavuuden, tehokkuuden ja kilpailukyvyn parantamiseksi. Tällöin tarvitaan nopeita sähköisen tiedonsiirronvälineitä tilaus- ja toimitusprosesseissa. Tutkimuksen tavoitteena oli saada kehitysmalli kansainvälisen päähankkijan, järjestelmätoimittajan ja toimittajaverkoston välille sähköisen tiedonsiirron kehittämiseksi sellaiselle tasolle, missä voidaan saavuttaa kokonaiskustannushyöty koko toimittajaketjulle. Tutkimuksen mukaan järjestelmätoimittajan ja päähankkijan sähköinen tiedonsiirto oli valtaosassa tutkituista järjestelmätoimittajista hyvällä tasolla. Monessa verkoston yrityksessä sähköisen tiedonsiirron kehitys oli pysähtynyt järjestelmätoimittajatasolle, eikä sitä ole kehitetty edelleen toimittajaverkostoon päin. Ainoastaan yhden tutkimuksessa mukana olleen järjestelmätoimittajan kehityssuunnitelma vastaa päähankkijan asettamia lähitulevaisuuden tavoitteita sähköisen tiedonsiirron kehittämisestä toimittajaverkostossa. Tutkimuksessa havaittiin, ettei sähköinen tiedonsiirtokehity toimittajaverkostossa, elleivät järjestelmätoimittajat ota suurempaa vastuuta sen kehittämiseksi omassa toimittajaverkostossa. Tutkimustulosten perusteella kaikkien osapuolien päähankkijan, järjestelmätoimittajan ja toimittajaverkoston aktiivinen tuki sähköisen tiedonsiirron kehittämiselle parantaa kokonaiskustannusten hallinnan ja imuohjauksen kautta kilpailukykyä.

Monivaiheisen höyryturbiinin optimointi

Tässä diplomityössä optimoitiin nelivaiheinen 1 MWe höyryturbiinin prototyyppimalli evoluutioalgoritmien avulla sekä tutkittiin optimoinnista saatuja kustannushyötyjä. Optimoinnissa käytettiin DE – algoritmia. Optimointi saatiin toimimaan, mutta optimoinnissa käytetyn laskentasovelluksen (semiempiirisiin yhtälöihin perustuvat mallit) luonteesta johtuen optimoinnin tarkkuus CFD – laskennalla suoritettuun tarkastusmallinnukseen verrattuna oli jonkin verran toivottua pienempi. Tulosten em. epätarkkuus olisi tuskin ollut vältettävissä, sillä ongelma johtui puoliempiirisiin laskentamalleihin liittyvistä lähtöoletusongelmista sekä epävarmuudesta sovitteiden absoluuttisista pätevyysalueista. Optimoinnin onnistumisen kannalta tällainen algebrallinen mallinnus oli kuitenkin välttämätöntä, koska esim. CFD-laskentaa ei olisi mitenkään voitu tehdä jokaisella optimointiaskeleella. Optimoinnin aikana ongelmia esiintyi silti konetehojen riittävyydessä sekä sellaisen sopivan rankaisumallin löytämisessä, joka pitäisi algoritmin matemaattisesti sallitulla alueella, muttei rajoittaisi liikaa optimoinnin edistymistä. Loput ongelmat johtuivat sovelluksen uutuudesta sekä täsmällisyysongelmista sovitteiden pätevyysalueiden käsittelyssä. Vaikka optimoinnista saatujen tulosten tarkkuus ei ollut aivan tavoitteen mukainen, oli niillä kuitenkin koneensuunnittelua edullisesti ohjaava vaikutus. DE – algoritmin avulla suoritetulla optimoinnilla saatiin turbiinista noin 2,2 % enemmän tehoja, joka tarkoittaa noin 15 000 € konekohtaista kustannushyötyä. Tämä on yritykselle erittäin merkittävä konekohtainen kustannushyöty. Loppujen lopuksi voitaneen sanoa, etteivät evoluutioalgoritmit olleet parhaimmillaan prototyyppituotteen optimoinnissa. Evoluutioalgoritmeilla teknisten laitteiden optimoinnissa piilee valtavasti mahdollisuuksia, mutta se vaatii kypsän sovelluskohteen, joka tunnetaan jo entuudestaan erinomaisesti tai on yksinkertainen ja aukottomasti laskettavissa.

Enhancing the efficiency of freight transport by using simulation

The role of transport in the economy is twofold. As a sector of economic activity it contributes to a share of national income. On the other hand, improvements in transport infrastructure create room for accelerated economic growth. As a means to support railways as a safe and environmentally friendly transportation mode, the EU legislation has required the opening of domestic railway freight for competition from beginning of year 2007. The importance of railways as a mode of transport has been great in Finland, as a larger share of freight has been carried on rails than in Europe on average. In this thesis it is claimed that the efficiency of goods transport can be enhanced by service specific investments. Furthermore, it is stressed that simulation can and should be used to evaluate the cost-efficiency of transport systems on operational level, as well as to assess transportation infrastructure investments. In all the studied cases notable efficiency improvements were found. For example in distribution, home delivery of groceries can be almost twice as cost efficient as the current practice of visiting the store. The majority of the cases concentrated on railway freight. In timber transportation, the item with the largest annual transport volume in domestic railway freight in Finland, the transportation cost could be reduced most substantially. Also in international timber procurement, the utilization of railway wagons could be improved by combining complementary flows. The efficiency improvements also have positive environmental effects; a large part of road transit could be moved to rails annually. If impacts of freight transport are included in cost-benefit analysis of railway investments, up to 50 % increase in the net benefits of the evaluated alternatives can be experienced, avoiding a possible inbuilt bias in the assessment framework, and thus increasing the efficiency of national investments in transportation infrastructure. Transportation systems are a typical example of complex real world systems that cannot be analysed realistically by analytical methods, whereas simulation allows inclusion of dynamics and the level of detail required. Regarding simulation as a viable tool for assessing the efficiency of transportation systems finds support also in the international survey conducted for railway freight operators; operators use operations research methods widely for planning purposes, while simulation is applied only by the larger operators.

Costs and Benefits of a Shared Digital Long-Term Preservation System

Paper presented at the 40th Annual Conference of LIBER (Ligue des Bibliothèques Européennes de Recherche - Association of European Research Libraries) on July 1st, 2011; with the slides used at the presentation.

Costs and Benefits of a Shared Digital Long-Term Preservation System

This paper describes the cost-benefit analysis of digital long-term preservation (LTP) that was carried out in the context of the Finnish National Digital Library Project (NDL) in 2010. The analysis was based on the assumption that as many as 200 archives, libraries, and museums will share an LTP system. The term ‘system’ shall be understood as encompassing not only information technology, but also human resources, organizational structures, policies and funding mechanisms. The cost analysis shows that an LTP system will incur, over the first 12 years, cumulative costs of €42 million, i.e. an average of €3.5 million per annum. Human resources and investments in information technology are the major cost factors. After the initial stages, the analysis predicts annual costs of circa €4 million. The analysis compared scenarios with and without a shared LTP system. The results indicate that a shared system will have remarkable benefits. At the development and implementation stages, a shared system shows an advantage of €30 million against the alternative scenario consisting of five independent LTP solutions. During the later stages, the advantage is estimated at €10 million per annum. The cumulative cost benefit over the first 12 years would amount to circa €100 million.

Kunnossapidon kustannusmalli: riskit ja hyödyt yritysverkostossa

Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli yhdistää riski- ja hyötykomponentit aiemmassa tutkimuksessa rakennettuun kunnossapidon kustannusmalliin. Jotta tämä voitiin tehdä, täytyi ensiksi määrittää mitä riskejä ja hyötyjä esiintyy kunnossapidon yritysverkostossa laitekohtaisella tasolla eri toimijoiden näkökulmista.Tutkimuksen metodologian perusta oli konstruktiivinen tutkimus. Lähdeaineisto koostui teollisuuden kunnossapitoa, verkostoitumista, elinkaariajattelua, riskienhallintaa sekä hyötyjä käsittelevistä oppikirjoista, tieteellisistä julkaisuista, artikkeleista ja opinnäytetöistä. Empiriaosan materiaalina käytettiin valittujen yritysten julkisia aineistoja. Työn keskeiset tulokset liittyvät uuteen kunnossapidon kustannusmalliin, joka ottaa huomioon riski- ja hyötykomponentit laitekohtaisella tasolla sekä myös verkosto- ja elinkaarinäkökulman. Kustannusmallissa esiintyvien hyötyjen oli katsottu saavutettavan riskienhallinnan kautta. Riskienhallinnalla voidaan vaikuttaa kunnossapidon kustannuksiin. Kustannusmallia voidaan hyödyntää kustannusten, riskien ja hyötyjen tasapuoliseen jakoon yritysverkostossa. Kustannusmallin empiirinen testaus rajattiin tämän tutkielman ulkopuolelle.

Salon keskusta-alueen tulvasuojelu : Tulvasuojelutoimenpiteiden mitoitus ja arviointi

Uskelanjoki virtaa Salon kaupungin läpi ja varsinkin jääpato tulvatilanteissa tulvavedenkorkeudet uhkaavat nousta maa-alueille. Tässä työssä tutkittiin valittujen tulvasuojelutoimenpiteiden vaikutuksia tulvavedenkorkeuksiin Uskelanjoessa sekä Salon kaupungin keskusta-alueella. Tavoitteena oli löytää Uskelanjoen tulvimisen ehkäisyyn kustannustehokas ratkaisu. Työssä mallinnettiin Uskelanjoen vedenkorkeuksia yksidimensionaalisesti käyttäen HEC-RAS -mallia. Mallinnus suoritettiin mitoitustulvalla tulvasuojelutoimenpiteille, jotka olivat jäidenpidätysrakennelmien rakentaminen, ruoppaus, pengerrys sekä näiden vaihtoehtojen yhdistelmät. Mallinnuksesta saatujen tulvavedenkorkeuksien avulla laadittiin tarkastellulta uomaosuudelta tulvavaarakartat sekä tulvavahinkoarviot. Näiden tietojen pohjalta voitiin vaihtoehtojen hyötyjä vertailla käyttämällä kustannus-hyötyanalyysia. Kustannus-hyötyanalyysin tuloksista havaittiin, että jäidenpidätysrakennelmat osoittautuivat parhaaksi tulvasuojeluvaihtoehdoksi Uskelanjoessa. Muutkin työssä tutkitut vaihtoehdot osoittautuivat kannattaviksi. Epävarmuuden kumuloituminen vedenkorkeuksien mallinnuksesta hyötyjen ja haittojen arviointiin luo oman epävarmuutensa tässä työssä laskettuihin arvoihin. Tätä epävarmuutta on tutkittu työssä käyttämällä herkkyysanalyysia. Herkkyysanalyysin tuloksia tarkastelemalla jäidenpidätysrakennelmien rakentaminen osoittautui kaikkein riskivapaimmaksi vaihtoehdoksi Uskelanjoen tulvasuojelussa.

Ampumaratojen kunnostustarpeen selvittäminen

Suomessa arvioidaan olevan kaikkiaan 2000 - 2500 ampumarataa joista aktiivisessa käytössä on noin 1000 kpl. Useimmat ulkoradat on perustettu paljon ennen nykyisten ympäristölakien voimaantuloa. Tästä syystä ammunnan ympäristövaikutukset melua lukuun ottamatta, eivät varmaan ole olleet tarkasteltavien asioiden listan kärjessä ampumaratoja suunniteltaessa. Sopivan maa alueen saatavuus sopivalla paikalla rakennuskustannusten minimoimiseksi on täytynyt olla yksi tärkeimmistä kriteereistä. Joissakin tapauksissa tämä valitettavasti on johtanut siihen, että ratojen paikoiksi on valittu sellaisia, mitä tämän päivän tietämyksellä ei suositeltaisi, kuten esimerkiksi pohjaveden muodostumisalueet. Ampumaratojen, etenkin haulikkoratojen, on todettu aiheuttaneen paikallisesti varsin laajaa maaperän pilaantumista. Toiminnan jatkuessa, runsaasti raskasmetalleja kertyy maahan ja taustapenkkoihin josta se rapautuu ja kulkeutuu alueelta pohjavesiin. Pohjaveden mukana haitta-aineet saattavat kulkeutua vedenpuhdistamoihin muodostaen riskiä paikallisasukkaiden terveydelle sekä jossain määrin alueen kasvillisuudelle ja faunalle. Vuoden 2007 valtioneuvoston PIMA-asetus muutti joitakin ohje-arvoja, joten näitä uusia arvoja on otettavaa huomioon niin riskiarvioinnissa kuin alueen käyttömahdollisuuksien kannalta tulevaisuudessa. Asetuksen voimaantulo edellyttää tapauskohtaisten riskiarviointien tekemistä ampumarata-alueiden kunnostuksen yhteydessä jolloin saavutetaan mahdollisemman tehokasta hyöty-kustannustasoa. Tutkimuksen tarkoituksena on kartoittaa uuden asetuksen mukaisesti ampumaratojen muodostamaa riskiä sekä rajata kunnostettavat alueet ja valita sopivammat kunnostusvaihtoehdot. Esimerkkitapauksina käytetään Kokkolan kaupungin alueella sijaitsevaa ampumarata-aluetta.

Optimal Recycling Combination of Ash in South-East Finland

The present world energy production is heavily relying on the combustion of solid fuels like coals, peat, biomass, municipal solid waste, whereas the share of renewable fuels is anticipated to increase in the future to mitigate climate change. In Finland, peat and wood are widely used for energy production. In any case, the combustion of solid fuels results in generation of several types of thermal conversion residues, such as bottom ash, fly ash, and boiler slag. The predominant residue type is determined by the incineration technology applied, while its composition is primarily relevant to the composition of fuels combusted. An extensive research has been conducted on technical suitability of ash for multiple recycling methods. Most of attention was drawn to the recycling of the coal combustion residues, as coal is the primary solid fuel consumed globally. The recycling methods of coal residues include utilization in a cement industry, in concrete manufacturing, and mine backfilling, to name few. Biomass combustion residues were also studied to some extent with forest fertilization, road construction, and road stabilization being the predominant utilization options. Lastly, residues form municipal solid waste incineration attracted more attention recently following the growing number of waste incineration plants globally. The recycling methods of waste incineration residues are the most limited due to its hazardous nature and varying composition, and include, among others, landfill construction, road construction, mine backfilling. In the study, environmental and economic aspects of multiple recycling options of thermal conversion residues generated within a case-study area were studied. The case-study area was South-East Finland. The environmental analysis was performed using an internationally recognized methodology — life cycle assessment. Economic assessment was conducted applying a widely used methodology — cost-benefit analysis. Finally, the results of the analyses were combined to enable easier comparison of the recycling methods. The recycling methods included the use of ash in forest fertilization, road construction, road stabilization, and landfill construction. Ash landfilling was set as a baseline scenario. Quantitative data about the amounts of ash generated and its composition was obtained from companies, their environmental reports, technical reports and other previously published literature. Overall, the amount of ash in the case-study area was 101 700 t. However, the data about 58 400 t of fly ash and 35 100 t of bottom ash and boiler slag were included in the study due to lack of data about leaching of heavy metals in some cases. The recycling methods were modelled according to the scientific studies published previously. Overall, the results of the study indicated that ash utilization for fertilization and neutralization of 17 600 ha of forest was the most economically beneficial method, which resulted in the net present value increase by 58% compared to ash landfilling. Regarding the environmental impact, the use of ash in the construction of 11 km of roads was the most attractive method with decreased environmental impact of 13% compared to ash landfilling. The least preferred method was the use of ash for landfill construction since it only enabled 11% increase of net present value, while inducing additional 1% of negative impact on the environment. Therefore, a following recycling route was proposed in the study. Where possible and legally acceptable, recycle fly and bottom ash for forest fertilization, which has strictest requirements out of all studied methods. If the quality of fly ash is not suitable for forest fertilization, then it should be utilized, first, in paved road construction, second, in road stabilization. Bottom ash not suitable for forest fertilization, as well as boiler slag, should be used in landfill construction. Landfilling should only be practiced when recycling by either of the methods is not possible due to legal requirements or there is not enough demand on the market. Current demand on ash and possible changes in the future were assessed in the study. Currently, the area of forest fertilized in the case-study are is only 451 ha, whereas about 17 600 ha of forest could be fertilized with ash generated in the region. Provided that the average forest fertilizing values in Finland are higher and the area treated with fellings is about 40 000 ha, the amount of ash utilized in forest fertilization could be increased. Regarding road construction, no new projects launched by the Center of Economic Development, Transport and the Environment in the case-study area were identified. A potential application can be found in the construction of private roads. However, no centralized data about such projects is available. The use of ash in stabilization of forest roads is not expected to increased in the future with a current downwards trend in the length of forest roads built. Finally, the use of ash in landfill construction is not a promising option due to the reducing number of landfills in operation in Finland.

Performance Degradation Modelling and Techno-Economic Analysis of Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems

Transmission system operators and distribution system operators are experiencing new challenges in terms of reliability, power quality, and cost efficiency. Although the potential of energy storages to face those challenges is recognized, the economic implications are still obscure, which introduce the risk into the business models. This thesis aims to investigate the technical and economic value indicators of lithium-ion battery energy storage systems (BESS) in grid-scale applications. In order to do that, a comprehensive performance lithium-ion BESS model with degradation effects estimation is developed. The model development process implies literature review on lifetime modelling, use, and modification of previous study progress, building the additional system parts and integrating it into a complete tool. The constructed model is capable of describing the dynamic behavior of the BESS voltage, state of charge, temperature and capacity loss. Five control strategies for BESS unit providing primary frequency regulation are implemented, in addition to the model. The questions related to BESS dimensioning and the end of life (EoL) criterion are addressed. Simulations are performed with one-month real frequency data acquired from Fingrid. The lifetime and cost-benefit analysis of the simulation results allow to compare and determine the preferable control strategy. Finally, the study performs the sensitivity analysis of economic profitability with variable size, EoL and system price. The research reports that BESS can be profitable in certain cases and presents the recommendations.