Optimization of energy consumption in wastewater pumping

Pumppauksessa arvioidaan olevan niin teknisesti kuin taloudellisestikin huomattavia mahdollisuuksia säästää energiaa. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa lähes 22 % sähkö-moottorien energiantarpeesta. Tietyillä teollisuudenaloilla jopa yli 50 % moottorien käyttämästä sähköenergiasta voi kulua pumppaukseen. Jäteveden pumppauksessa pumppujen toiminta perustuu tyypillisesti on-off käyntiin, jolloin pumpun ollessa päällä se käy täydellä teholla. Monissa tapauksissa pumput ovat myös ylimitoitettuja. Yhdessä nämä seikat johtavat kasvaneeseen energian kulutukseen. Työn teoriaosassa esitellään perusteet jätevesihuollosta ja jäteveden käsittelystä sekä pumppaussysteemin pääkomponentit: pumppu, putkisto, moottori ja taajuusmuuttaja. Työn empiirisessä osassa esitellään työn aikana kehitetty laskuri, jonka avulla voidaan arvioida energiansäästöpotentiaalia jäteveden pumppaussysteemeissä. Laskurilla on mandollista laskea energiansäästöpotentiaali käytettäessä pumpun tuoton ohjaustapana pyörimisnopeuden säätöä taajuusmuuttajalla on-off säädön sijasta. Laskuri ilmoittaa optimaalisimmanpumpun pyörimisnopeuden sekä ominaisenergiankulutuksen. Perustuen laskuriin, kolme kunnallista jätevedenpumppaamoa tutkittiin. Myös laboratorio-testitsuoritettiin laskurin simuloimiseksi sekä energiansäästöpotentiaalin arvioimiseksi. Tutkimukset osoittavat, että jätevedenpumppauksessa on huomattavia mandollisuuksia säästää energiaa pumpun pyörimisnopeutta pienentämällä. Geodeettisen nostokorkeuden ollessa pieni, voidaan energiaa säästää jopa 50 % ja pitkällä aikavälillä säästö voi olla merkittävä. Tulokset vahvistavat myös tarpeen jätevedenpumppaussysteemien toiminnan optimoimiseksi.

Reduction of specific energy consumption of a thermomechanical pulping plant

Kuumahiertoprosessi on erittäin energiaintensiivinen prosessi, jonka energianominaiskulutus (EOK) on yleisesti 2–3.5 MWh/bdt. Noin 93 % energiasta kuluu jauhatuksessa jakautuen niin, että kaksi kolmasosaa kuluu päälinjan ja yksi kolmasosa rejektijauhatuksessa. Siksi myös tämän työn tavoite asetettiin vähentämään energian kulutusta juuri pää- ja rejektijauhatuksessa. Päälinjan jauhatuksessa tutkimuskohteiksi valittiin terityksen, tehojaon ja tuotantotason vaikutus EOK:een. Rejektijauhatuksen tehostamiseen pyrittiin yrittämällä vähentää rejektivirtaamaa painelajittelun keinoin. Koska TMP3 laitoksen jauhatuskapasiteettia on nostettu 25 %, tavoite oli nostaa päälinjan lajittelun kapasiteettia saman verran. Toisena tavoitteena oli pienentää rejektisuhdetta pää- ja rejektilajittelussa ja siten vähentää energiankulutusta rejektijauhatuksessa. Näitä tavoitteita lähestyttiin vaihtamalla päälinjan lajittimiin TamScreen-roottorit ja rejektilajittimiin Metso ProFoil-roottorit ja optimoimalla kuitufraktiot sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Syöttävällä terätyypillä pystyttiin vähentämään EOK:ta 100 kWh/bdt, mutta korkeampi jauhatusintensiteetti johti myös alempiin lujuusominaisuuksiin, korkeampaan ilmanläpäisyyn ja korkeampaan opasiteettiin. Myös tehojaolla voitiin vaikuttaa EOK:een. Kun ensimmäisen vaiheen jauhinta kuormitettiin enemmän, saavutettiin korkeimmillaan 70 kWh/bdt EOK-vähennys. Tuotantotason mittaamisongelmat heikensivät tuotantotasokoeajojen tuloksia siinä määrin, että näiden tulosten perusteella ei voida päätellä, onko EOK tuotantotasoriippuvainen vai ei. Päälinjan lajittelun kapasiteettia pystyttiin nostamaan TS-roottorilla vain 18 % jääden hieman tavoitetasosta. Rejektilajittelussa pystyttiin vähentämään rejektimäärää huomattavasti Metso ProFoil-roottorilla sekä sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Lajittamokehityksellä saavutettu EOK-vähennys arvioitiin massarejektisuhteen pienentymisen ja rejektijauhatuksessa käytetyn EOK:n avulla olevan noin 130 kWh/bdt. Yhteenvetona voidaan todeta, että tavoite 300 kWh/bdt EOK-vähennyksestä voidaan saavuttaa työssä käytetyillä tavoilla, mikäli niiden täysi potentiaali hyödynnetään tuotannossa.

Energy Consumption of Applications on Mobile Phones

Battery consumption in mobile applications development is a very important aspect and has to be considered by all the developers in their applications. This study will present an analysis of different relevant concepts and parameters that may have impact on energy consumption of Windows Phone applications. This operating system was chosen because there is limited research even though there are related studies for Android an iOS operating systems. Furthermore, another reason is the increasing number of Windows Phone users. The objective of this research is to categorise the energy consumption parameters (e.g. use of one thread or several thread for the same output). The result for each group of experiment will be analyzed and a rule will be derived. The set of derived rules will serve as a guide for developers who intend to develop energy efficient Windows Phone applications. For each experiment, one application is created for each concept and the results are presented in two ways: a table and a chart. The table presents the duration of the experiment, the battery consumed by the experiment, the expected battery lifetime and the energy consumption, while the charts display the energy distribution based on the main threads: UI thread, application thread and network thread.

Modelling Energy Consumption of a Switch using Fuzzy-Rule Classifier

The energy consumption of IT equipments is becoming an issue of increasing importance. In particular, network equipments such as routers and switches are major contributors to the energy consumption of internet. Therefore it is important to understand how the relationship between input parameters such as bandwidth, number of active ports, traffic-load, hibernation-mode and their impact on energy consumption of a switch. In this paper, the energy consumption of a switch is analyzed in extensive experiments. A fuzzy rule-based model of energy consumption of a switch is proposed based on the result of experiments. The model can be used to predict the energy saving when deploying new switches by controlling the parameters to achieve desired energy consumption and subsequent performance. Furthermore, the model can also be used for further researches on energy saving techniques such as energy-efficient routing protocol, dynamic link shutdown, etc.

Climate change and global responsibility - the role of energy consumption, GDP and CO2 emissions

Climate change is one of the biggest challenges faced by this generation. Despite being the single most important environmental challenge facing the planet and despite over two decades of international climate negotiations, global greenhouse gas (GHG) emissions continue to rise. By the middle of this century, GHGs must be reduced by as much as 40-70% if dangerous climate change is to be avoided. In the Kyoto Protocol no quantitative emission limitation and reduction commitments were placed on the developing countries. For the planning of the future commitments period and possible participation of developing countries, information of the functioning of the energy systems, CO2 emissions development in different sectors, energy use and technological development in developing countries is essential. In addition to the per capita emissions, the efficiency of the energy system in relation to GHG emissions is crucial for the decision of future long-term burden sharing between countries. Country’s future development of CO2 emissions can be defined by the estimated CO2 intensity of the future and the estimated GDP growth. The changes in CO2 intensity depend on several factors, but generally developed countries’ intensity has been increasing in the industrialization phase and decreasing when their economy shifts more towards the system dominated by the service sector. The level of the CO2 intensity depends by a large extent on the production structure and the energy sources that are used. Currently one of the most urgent issues regarding global climate change is to decide the future of the Kyoto Protocol. Negotiations on this topic have already been initiated, with the aim of being finalised by the 2015. This thesis provides insights into the various approaches that can be used to characterise the concept of comparable efforts for developing countries in a future international climate agreement. The thesis examines the post-Kyoto burden sharing questions for developing countries using the contraction and convergence model, which is one approach that has been proposed to allocate commitments regarding future GHG emissions mitigation. This new approach is a practical tool for the evaluation of the Kyoto climate policy process and global climate change negotiations from the perspective of the developing countries.

Using ICT Energy consumption for monitoring ICT architecture

Energy efficient policies are being applied to network protocols, devices and classical network management systems. Researchers have already studied in depth each of those fields, including for instance a long monitoring processes of various number of individual ICT equipment from where power models are constructed. With the development of smart meters and emerging protocols such as SNMP and NETCONF, currently there is an open field to couple the power models, translated to the expected behavior, with the realtime energy measurements. The goal is to derive a comparison on the power data between both of the processes in the direction of detection for possible deviations on the expected results. The logical assumption is that a fault in the usage of a particular device will not only increase its own energy usage, but also may cause additional consumption on the other devices part of the network. A platform is developed to monitor and analyze the retrieved power data of a simulated enterprise ICT infrastructure. Moreover, smart algorithms are developed which are aware of the different states that are occurring on each device during their typical use phase, as well as to detect and isolate possible anomalies. The produced results are obtained and validated with the use of Cisco switches and routers, Dell Precision stations and Raritan PDU as part of the monitored infrastructure.

Energy and raw material consumption analysis of powder bed fusion: case study: CNC machining and laser additive manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, is a powder bed fusion (PBF) type of additive manufacturing (AM) technology used to manufacture metal parts layer by layer by assist of laser beam. The development of the technology from building just prototype parts to functional parts is due to design flexibility. And also possibility to manufacture tailored and optimised components in terms of performance and strength to weight ratio of final parts. The study of energy and raw material consumption in LAM is essential as it might facilitate the adoption and usage of the technique in manufacturing industries. The objective this thesis was find the impact of LAM on environmental and economic aspects and to conduct life cycle inventory of CNC machining and LAM in terms of energy and raw material consumption at production phases. Literature overview in this thesis include sustainability issues in manufacturing industries with focus on environmental and economic aspects. Also life cycle assessment and its applicability in manufacturing industry were studied. UPLCI-CO2PE! Initiative was identified as mostly applied exiting methodology to conduct LCI analysis in discrete manufacturing process like LAM. Many of the reviewed literature had focused to PBF of polymeric material and only few had considered metallic materials. The studies that had included metallic materials had only measured input and output energy or materials of the process and compared to different AM systems without comparing to any competitive process. Neither did any include effect of process variation when building metallic parts with LAM. Experimental testing were carried out to make dissimilar samples with CNC machining and LAM in this thesis. Test samples were designed to include part complexity and weight reductions. PUMA 2500Y lathe machine was used in the CNC machining whereas a modified research machine representing EOSINT M-series was used for the LAM. The raw material used for making the test pieces were stainless steel 316L bar (CNC machined parts) and stainless steel 316L powder (LAM built parts). An analysis of power, time, and the energy consumed in each of the manufacturing processes on production phase showed that LAM utilises more energy than CNC machining. The high energy consumption was as result of duration of production. Energy consumption profiles in CNC machining showed fluctuations with high and low power ranges. LAM energy usage within specific mode (standby, heating, process, sawing) remained relatively constant through the production. CNC machining was limited in terms of manufacturing freedom as it was not possible to manufacture all the designed sample by machining. And the one which was possible was aided with large amount of material removed as waste. Planning phase in LAM was shorter than in CNC machining as the latter required many preparation steps. Specific energy consumption (SEC) were estimated in LAM based on the practical results and assumed platform utilisation. The estimated platform utilisation showed SEC could reduce when more parts were placed in one build than it was in with the empirical results in this thesis (six parts).

Power Consumption Measurement and Scenario Based Energy Model in Wearable Computing Applications

The power is still today an issue in wearable computing applications. The aim of the present paper is to raise awareness of the power consumption of wearable computing devices in specific scenarios to be able in the future to design energy efficient wireless sensors for context recognition in wearable computing applications. The approach is based on a hardware study. The objective of this paper is to analyze and compare the total power consumption of three representative wearable computing devices in realistic scenarios such as Display, Speaker, Camera and microphone, Transfer by Wi-Fi, Monitoring outdoor physical activity and Pedometer. A scenario based energy model is also developed. The Samsung Galaxy Nexus I9250 smartphone, the Vuzix M100 Smart Glasses and the SimValley Smartwatch AW-420.RX are the three devices representative of their form factors. The power consumption is measured using PowerTutor, an android energy profiler application with logging option and using unknown parameters so it is adjusted with the USB meter. The result shows that the screen size is the main parameter influencing the power consumption. The power consumption for an identical scenario varies depending on the wearable devices meaning that others components, parameters or processes might impact on the power consumption and further study is needed to explain these variations. This paper also shows that different inputs (touchscreen is more efficient than buttons controls) and outputs (speaker sensor is more efficient than display sensor) impact the energy consumption in different way. This paper gives recommendations to reduce the energy consumption in healthcare wearable computing application using the energy model.

Uusien energianormien vaikutus pientalojen rakenteisiin ympäristön kannalta

Tehokkaimpia keinoja vähentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta ja lämmityksen aiheuttavia hiilidioksidi- ja happamoitavia päästöjä on tiukentaa rakentamismääräysten lämmöneristysvaatimuksia. Hyvin lämmöneristetyissä, tiiveissä ja ilmanvaihdoltaan optimoiduissa taloissa on pienet lämpöhäviöt. Näin ympäristöä kuormittava vaikutus saadaan paljon vähemmäksi kuin nykynormien mukaisissa asuinrakennuksissa. Johtumislämpöhäviö pienenee suoraan eristekerroksia paksuntamalla ja siihen on helpointa vaikuttaa. Mitä suurempiin eristepaksuuksiin mennään sen suuremmaksi tulee konvektion osuus kokonaislämpöhäviöstä. Tulevaisuudessa parempia ratkaisuja haetaan erityisesti konvektiosta ja säteilystä aiheutuvien lämpöhäviöiden pienentämiseksi. Eristeen osastointi ilmanpitävillä, vesihöyryä diffuusisesti läpäisevillä pystysuuntaisilla konvektiokatkoilla vähentää tehokkaasti paksun seinäeristeen kuljettumis-ilmavirtauksia. Katkoina käytetään erilaisia kalvoja ja rakennuspapereita, joilla on pieni emissiviteetti. Katkojen merkitys kasvaa, kun mennään uusien normien mukaisiin eristepaksuuksiin. Lämmöneriste voidaan toteuttaa myös kokoamalla ohuita kalvoja paketiksi, jotka jakavat ilmatilan ja siis eristeelle varatun paksuuden suljettuihin ilmaväleihin. Kun kalvoiksi valitaan pieniemissiviteettisiä pintoja, saadaan säteilylämmönsiirto lähes eliminoiduksi. Tällaisen ilmatilan lämmönjohtumisluku lähestyy paikallaan pysyvän ilman lämmönjohtumislukua, l = 0,025 W/Km, eli tällä rakennesysteemillä on mahdollista toteuttaa ohuempia rakenteita kuin perinteisillä eristeillä. Hygroskooppisen massan käyttö sisäilman kosteutta tasaavana rakenteena voi olla tulevaisuutta. Kehitystyö tuottaa uusia, kosteusteknisesti toimivia sovelluksia. Toisaalta palomääräykset tulevat kehitystyötä vastaan. Hygroskooppinen pintamateriaali on kevyt (pieni tiheys) ja paloteknisesti arka. Suoraa sähkölämmitystä ei voida pitää ympäristöystävällisenä. Sen jalostusketju on pitkä ja monivaiheinen. Millä peruspolttoaineella sähköä tuotetaan, vaikuttaa asiaan luonnollisestikin. Suoraa sähkölämmitystä voidaan suositella vain yksinäisen ihmisen taloudessa lämmitysmuotona taloudellisista syistä. Halvan polttoaineen säästöllä ei voida maksaa suuria laiteinvestointeja. Aurinkoenergian hyvä hyödyntäminen edellyttää hyvää säätöä, joka kytkee lämmityksen pois päältä silloin, kun aurinko lämmittää. Auringon hetkelliset säteilytehot ovat suuria verrattuna rakenteen lämpöhäviöihin ja huonetilojen lämmöntarpeeseen. Ratkaisu aurinkoenergian hetkellisyyteen ja paikallisuuteen on energian siirtäminen lämmöntarpeen mukaan rakennuksen eri osiin ja sen varastoiminen päivätasolla. Kun varastoivasta massasta ei ole suoraa yhteyttä ulos, voidaan kerääjäeristeeltä saatu lämpö käyttää häviöttömästi huonetilojen lämmittämiseen. Vaikka lämmitysenergian käytössä päästään 30 % vähennyksiin uudisrakennusten osalta, ei kokonaisenergian käyttö merkittävästi pienene, jos taloussähkön kulutus pysyy vakiona. Sama pätee myös CO2 -päästöihin. Saavutettava etu lämmitys-energian kulutuksessa voidaan hukata yhä suurenevaksi taloussähkön käytöksi, mikä olisi erityisen huono asia ympäristön kannalta.

Sähkölieden paistouunin energiatalouden analysointi ja parannusehdotusten kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli selvittää nykyisen sähkölieden paistouunin energiankulutuksen kriittisimmät kohteet sekä pohtia tulevaisuuden liesissä mahdollisesti käyttöön otettavia uusia, lieden energiatalouden kannalta edullisia ratkaisuja. Työn keskeisenä osana oli tutustua kotitalousliesien energiankulutuksen CENELEC:n EN 50304 standardiin, jonka perusteella uuneja tullaan tulevaisuudessa testaamaan energiamerkkiä varten. Standardin mukaisia kokeita tehtiin useilla nykytuotannossa olevilla sähköliesillä sekä lisäksi joillakin protomalleilla. Lisäksi diplomityössä määritettiin kokeellisesti uunin luukun osuus energiankulutuksesta, uunin lämpökapasiteetin pienentämisen vaikutus energiankulutukseen sekä vertailtiin eri eristemateriaaleja. Sähköliesien kilpailutilanne markkinoilla on kiristynyt vuosi vuodelta. Näin ollen pienet valmistuskustannukset ovat liesien kannattavan tuotannon edellytys. Onkin vaikea tehtävä määrittää uunin energiataloutta parantavia kehitysratkaisuja, jotka olisivat myös taloudellisesti kannattavia.

Calculation analysis of energy saving tools for fan and pump applications

This thesis analyses the calculation of FanSave and PumpSave energy saving tools calculation. With these programs energy consumption of variable speed drive control for fans and pumps can be compared to other control methods. With FanSave centrifugal and axial fans can be examined and PumpSave deals with centrifugal pumps. By means of these programs also suitable frequency converter can be chosen from the ABB collection. Programs need as initial values information about the appliances like amount of flow and efficiencies. Operation time is important factor when calculating the annual energy consumption and information about it are the length and profile. Basic theory related to fans and pumps is introduced without more precise instructions for dimensioning. FanSave and PumpSave contain various methods for flow control. These control methods are introduced in the thesis based on their operational principles and suitability. Also squirrel cage motor and frequency converter are introduced because of their close involvement to fans and pumps. Second part of the thesis contains comparison between results of FanSave’s and PumpSave’s calculation and performance curve based calculation. Also laboratory tests were made with centrifugal and axial fan and also with centrifugal pump. With the results from this thesis the calculation of these programs can be adjusted to be more accurate and also some new features can be added.

Supplier Energy Audits in Thermal Power Plants

This master’s thesis handles an operating model for an electric equipment supplier conducted sale oriented energy audit for pumping, fan and other motor applications at power plants. The study goes through the largest factors affecting internal electricity use at a power plant, finds an energy audit –like approach for the basis of information gathering and presents the information needed for conducting the analysis. The model is tested in practice at a kraft recovery boiler of a chemical pulping mill. Targets chosen represent some of the largest electric motor applications in the boiler itself and in its fuel handling. The energy saving potential of the chosen targets is calculated by simulating the energy consumption of the alternatives for controlling the targets, and thereafter combining the information with the volume flow duration curve. Results of the research are somewhat divaricated, as all the information needed is not available in the automation system. Some of the targets could be simulated and their energy saving potential calculated quite easily. At some of the targets chosen the monitoring was not sufficient enough for this and additional measurements would have been needed to base the calculations on. In traditional energy audits, energy efficiency of pump and fan applications is not necessarily examined. This means that there are good possibilities for developing the now presented targeted energy audit procedure basis further.

Optimization of energy in a pulp mill

This study presents examination of ways to increase power generation in pulp mills. The main purpose was to identify and verify the best ways of power generation growth. The literature part of this study presented operation of energy pulp mill departments, energy consumption and generation by the recovery and power boilers. The second chapter of this part described the main directions for increase of electricity generation rise of black liquor dry solid content, increase of main steam parameters, flue gas heat recovery technologies, feed water and combustion air preheating. The third chapter of the literature part presented possible technical, environment and corrosion risks appeared from described alternatives. In the experimental part of this study, calculations and results of possible models with alternatives was presented. The possible combinations of alternatives were generated in 44 `models of energy pulp mill. The target of this part was define extra electricity generation after alternatives using and estimate profitability of generated models. The calculations were made by computer programme PROSIM. In the conclusions, the results were estimated on the basis of extra electricity generation and equipment design data of models. The profitability of cases was verified by their payback periods and additional incomes.

Energiansäästö kotitalouksien valaistuksessa Suomessa

Tässä työssä arvioidaan kotitalouksien energiansäästöpotentiaalia valaistuksen osalta Suomessa. Euroopan Unioni on ratifioinut päästövähennystavoitteen 20 % koskien kaikkia primäärienergiantuotantomuotoja. Päästövähennystavoite on tarkoitus toteuttaa vuoteen 2020 mennessä. Tässä kandidaatintyössä arvioidaan saavutettavissa olevaa energiansäästöpotentiaalia Suomessa kotitalouksissa laitesähkön osalta. Energiansäästöpotentiaalin arviointi perustuu hehkulampun korvaamismahdollisuuksien vertailuun. Valaistuksessa voidaan saavuttaa jopa 75 % sähkönsäästö, kun korvataan yksi 60 W hehkulamppu vastaavan valomäärän tuottavalla energiansäästölampulla. Kokonaisuudessa kotitalouksien valaistuksessa on tehostamispotentiaalia noin 60 %. Valaistuksen tehostamisella saavutetaan noin 1,5 TWh säästö Suomen kokonaissähkökulutuksessa. Saavutettavat säästöt voivat olla jopa suuremmatkin, jos käytetään lisäksi älykästä valonohjausta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että tehostamispotentiaalia on merkittävästi ja tehostaminen on yksittäiselle kotitaloudelle taloudellisesti kannattavaa. Energiansäästöpotentiaalin toteuttamisen vaikutuksia kansantalouteen ei ole arvioitu.

Choosing the optimal energy system for buildings and districts

The purpose of this master’s thesis was to develop a method to be used in the selection of an optimal energy system for buildings and districts. The term optimal energy system was defined as the energy system which best fulfils the requirements of the stakeholder on whose preferences the energy systems are evaluated. The most influential stakeholder in the process of selecting an energy system was considered to be the district developer. The selection method consisted of several steps: Definition of the district, calculating the energy consumption of the district and buildings within the district, defining suitable energy system alternatives for the district, definition of the comparing criteria, calculating the parameters of the comparing criteria for each energy system alternative and finally using a multi-criteria decision method to rank the alternatives. For the purposes of the selection method, the factors affecting the energy consumption of buildings and districts and technologies enabling the use of renewable energy were reviewed. The key element of the selection method was a multi-criteria decision making method, PROMETHEE II. In order to compare the energy system alternatives with the developed method, the comparing criteria were defined in the study. The criteria included costs, environmental impacts and technological and technical characteristics of the energy systems. Each criterion was given an importance, based on a questionnaire which was sent for the steering groups of two district development projects. The selection method was applied in two case study analyses. The results indicate that the selection method provides a viable and easy way to provide the decision makers alternatives and recommendations regarding the selection of an energy system. Since the comparison is carried out by changing the alternatives into numeric form, the presented selection method was found to exclude any unjustified preferences over certain energy systems alternatives which would affect the selection.