Techno-Economic Feasibility of Novel On-Line Condition Monitoring Methods in Low Voltage Distribution Networks

The focus in this thesis is to study both technical and economical possibilities of novel on-line condition monitoring techniques in underground low voltage distribution cable networks. This thesis consists of literature study about fault progression mechanisms in modern low voltage cables, laboratory measurements to determine the base and restrictions of novel on-line condition monitoring methods, and economic evaluation, based on fault statistics and information gathered from Finnish distribution system operators. This thesis is closely related to master’s thesis “Channel Estimation and On-line Diagnosis of LV Distribution Cabling”, which focuses more on the actual condition monitoring methods and signal theory behind them.

Assessment of techno-economic use cases for small-scale island grids

The main objective of the study was to define the methodology for assessing the limits for application island grids instead of interconnecting with existing grid infrastructure. The model for simulation of grid extension distance and levelised cost of electricity has been developed and validated by the case study in Finland. Thereafter, sensitivities of the application limits were examined with the respect to operational environment, load conditions, supply security and geographical location. Finally, recommendations for the small-scale rural electrification projects in the market economy environment have been proposed.

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.

Techno-Economic Assessment of LNG and Diesel Production and Global Trading Based on Hybrid PV-Wind Power Plants and PtG, GtL and PtL Technologies

With growing demand for liquefied natural gas (LNG) and liquid transportation fuels, and concerns about climate change and causes of greenhouse gas emissions, this master’s thesis introduces a new value chain design for LNG and transportation fuels and respective fundamental business cases based on hybrid PV-Wind power plants. The value chains are composed of renewable electricity (RE) converted by power-to-gas (PtG), gas-to-liquids (GtL) or power-to-liquids (PtL) facilities into SNG (which is finally liquefied into LNG) or synthetic liquid fuels, mainly diesel, respectively. The RE-LNG or RE-diesel are drop-in fuels to the current energy system and can be traded everywhere in the world. The calculations for the hybrid PV-Wind power plants, electrolysis, methanation (H2tSNG), hydrogen-to-liquids (H2tL), GtL and LNG value chain are performed based on both annual full load hours (FLh) and hourly analysis. Results show that the proposed RE-LNG produced in Patagonia, as the study case, is competitive with conventional LNG in Japan for crude oil prices within a minimum price range of about 87 - 145 USD/barrel (20 – 26 USD/MBtu of LNG production cost) and the proposed RE-diesel is competitive with conventional diesel in the European Union (EU) for crude oil prices within a minimum price range of about 79 - 135 USD/barrel (0.44 – 0.75 €/l of diesel production cost), depending on the chosen specific value chain and assumptions for cost of capital, available oxygen sales and CO2 emission costs. RE-LNG or RE-diesel could become competitive with conventional fuels from an economic perspective, while removing environmental concerns. The RE-PtX value chain needs to be located at the best complementing solar and wind sites in the world combined with a de-risking strategy. This could be an opportunity for many countries to satisfy their fuel demand locally. It is also a specific business case for countries with excellent solar and wind resources to export carbon-neutral hydrocarbons, when the decrease in production cost is considerably more than the shipping cost. This is a unique opportunity to export carbon-neutral hydrocarbons around the world where the environmental limitations on conventional hydrocarbons are getting tighter.

Tasasähkön hyödyntämismahdollisuudet sähkönjakelussa

Tässä työssä on tutkittu tasasähkönsiirron tuomia mahdollisuuksia sähkönjakelussa, kun pienjännitedirektiivin pienjännitemäärittelyn soveltamista laajennetaan koskemaan vaihtojännitteen lisäksi myös tasajännitettä. Aiemmin tasasähköjärjestelmiä on käytetty ainoastaan sähköistymisen alkuaikoina 1900-luvun alussa. Viime vuosikymmeninä on sähkönjakelussa käytetty pelkästään vaihtosähköverkkoja, koska tehoelektronisten laitteiden korkea hintataso ja tekniset ominaisuudet ovat mahdollistaneet tasasähkön käytön vain suurjännitteellä. Suomalaisten sähkönkäyttö on lisääntynyt muutamalla prosenttiyksiköllä vuosittain ja kasvun taantumista ei ole odotettavissa lähiaikoina. Samaan aikaan yhteiskunta muuttuu jatkuvasti yhä riippuvaisemmaksi sähköstä ja odotukset toteutuvasta sähkönlaadusta ovat jatkuvasti korkeammat. Sähkönlaadun näkökulmasta ilmasto on tuonut aiempia suurempia haasteita sähkön toimitusvarmuudelle, kun myrskyjen aiheuttamat tuhot ovat olleet yhä entisiä suurempia. Toimitusvarmuuden parantamiseksi ovat muutamat vuosikymmenen alun rajut myrskyt johtaneet pohdintaan tulevien haasteiden hoitamiseksi ja edelleen uuden 3-portaiseen 20/1/0,4 kV vaihtosähköjärjestelmän kehittämiseen. Tasasähkönsiirron avulla halutaan tuoda käyttöön niitä hyötyjä, joita järjestelmän vaihdolla on saavutettavissa. Täysimääräisellä tasajännitteen hyödyntämisellä voidaan saavuttaa mm. aiempaa edullisempia investointivaihtoehtoja,parempi sähkönlaatu, parempi hajautetun tuotannon liitettävyys verkkoon ja erilaisten asiakaskohtaisten laitteiden helppo integroitavuus osaksi jakelujärjestelmää. Tämän työn puitteissa on pohdittu sekä teknisiä ratkaisuja että järjestelmän teknistaloudellista käyttöaluetta. Lisäksi on pyritty hahmottamaan eri tekijöiden vaikutuksia sähkönjakeluun.

A Feasibility Study of a Pelleting Plant as an Option for By Product Upgrading in Wood-Processing Industry

Tämän kannattavuustutkimuksen lähtökohtana oli se, että Yhtyneet Sahat Oy:n Kaukaan sahalla ja Luumäen jatkojalostuslaitoksella haluttiin selvittää pellettitehtaan kannattavuus nykyisessä markkinatilanteessa. Tämä työon luonteeltaan teknis-taloudellinen selvitys eli ns. feasibility study. Pelletöintiprosessi on tekniikaltaan yksinkertainen eikä edellytä korkea teknologian laitteita. Toimiala on maailmanlaajuisesti varsin uusi. Suomessa pellettimarkkinat ovat vielä pienet ja kehittymättömät, mutta kasvua on viime vuosina tapahtunut. Valtaosa kotimaan tuotannosta menee vientiin. Investoinnin laskentaprosessissa saadut tuotannon alkuarvot sekä kustannusrakenteen määrittelyt ovat perustana varsinaisille kannattavuuslaskelmille. Laskelmista on selvitetty investointeihin liittyvät yleisimmät taloudelliset tunnusluvut ja herkimpiä muuttujia on tutkittu ja pohdittu herkkyysanalyysiä apuna käyttäen.

Tasasähkönjakelun käyttöpotentiaalin määrittäminen

Sähkönjakeluverkkojen kehittäminen nykyistä käyttövarmemmiksi ja taloudellisemmiksi vaatii jatkuvasti uusia ratkaisumalleja. Lupaavaksi tekniikaksi sähkönjakeluverkkojen kehittämisessä on osoittautumassa tasasähkönjakelu tehoelektronisten komponenttien kehittyessä ja hintojen laskiessa samanaikaisesti. Pienjännitedirektiivi mahdollistaa tasajännitteen myötä aiempaa suurempien jännitteiden käytön pienjänniteverkoissa. Tasajännitteen käytöllä voidaan saavuttaa etuja mm. tehonsiirtokyvyssä, sähkönlaadussa, käyttövarmuudessa sekä kustannuksissa. Työssä tehdään yksityiskohtaisia teknistaloudellisia tarkasteluja perinteistä 20/0,4 kV tekniikkaa, 1000 V sähkönjakelua sekä tasasähköjärjestelmiä hyödyntäen ja verrataan näiden järjestelmien kustannuksia ja ominaisuuksia toisiinsa. Tutkimusalueet on valittu Fortum Sähkönsiirto Oy:n maaseutu- ja taajamaverkoista. Työssä pyritään hahmotta-maan teknistaloudellista käyttöaluetta eri tasasähkönjakelujärjestelmille sekä määrittä-mään tasasähkönjakelun käyttöpotentiaali tutkimuskohteena olleissa verkoissa. Lisäksi tutkitaan eri tekijöiden vaikutuksia tasasähköjakelun kannattavuuteen ja käyttövarmuu-teen sekä pyritään tuomaan esiin muitakin tasasähkönjakelujärjestelmien ominaisuuksia.

Sellutehtaan varavoimajärjestelmän mitoitus ja teknistaloudellinen vertailu 400 ja 690 voltin jännitteillä

Tämän diplomityön tarkoitus on selvittää pienjakelujännitteen nostosta aiheutuvia vaikutuksia sellutehtaan varavoimaverkossa. Työn alussa esitellään varavoimaverkkoon kuuluvia osia, selvitetään erilaisten kuormien vaikutusta varavoimaverkon sähkön laatuun sekä kuormien jakoa varmennettuihin verkkoihin. Seuraavaksi suunnitellaan kaksi keskitettyä varavoimaverkkomallia eri pienjakelujännitteillä. Mallien nimellisjännitteet ovat 400 V ja 690 V. Varavoimaverkkomallien kuormat ja osastojen väliset etäisyydet on otettu valmiista sellutehtaista. Tässä diplomityössä painotutaan erityisesti varavoimaverkkomallien mitoitukseen ja jakelujännitteen nostosta aiheutuvien vaikutusten teknistaloudelliseen vertailuun. Vertailu tehdään keskijännitekojeiston ja varavoimakeskusten välisellä alueella, johon kuu-luvat jakelumuuntaja, varavoimakone, varavoimapääkeskus, kiskosillat, jakelukaapelit, kytkinvaroke- ja katkaisijalähdöt sekä mahdolliset välimuuntajat. Varavoimaverkkojen välisessä kustannusvertailussa käytetään nykyarvomenetelmää.

Tietämysperustainen aluenäkemys: Case Kanta-Häme

Tutkimuksen tavoitteena oli arvioida alueellista kehitystä tietämysperustaisesta aluenäkemyksestä käsin Kanta-Hämeen maakunnassa. Tarkoituksena oli myös selvittää millaisia resursseja alueella on tai tulisi olla tulevaisuuden kestävää kilpailukykyä ajatellen. Tietämysperustaisen aluenäkemyksen mukaan kaikista alueella käytettävissä olevista resursseista alueen kestävän kilpailukyvyn lähteenä on tieto, erityisesti hiljainen tieto. Kirjallisuus korostaa myös innovaatioiden merkitystä kilpailukyvyn lähteenä. Työssä käytetystä näkökulmasta katsoen innovaatiot ovat epälineaarisia ja vuorovaikutteisia oppimisprosesseja, joissa sosiaaliset tekijät, kuten yhteistyö ja oppiminen ovat tärkeitä. Työn empiirinen osuus koostuu ryhmähaastatteluista ja yrityskyselystä. Ryhmähaastatteluja käytettiin alueen nykyisen teknotaloudellisen tilanteen ymmärtämiseksi. Ryhmä koostui viidestätoista alueen kehittäjäorganisaatioihin kuuluneesta toimijasta. Ryhmähaastattelujen perusteella yhteistyö, vuorovaikutus ja sosiaalinen pääoma olivat niiden tekijöiden joukossa, jotka vaikuttavat alueen pitkän aikavälin kehittämiseen. Ryhmähaastattelujen avulla oli myös mahdollista muodostaa joitakin ehdotuksia alueen kilpailukykyä koskevista kehittämisen edellytyksistä. Nämä ehdotukset täytyy testata tulevaisuudessa. Tarvitaan myös tarkempaa tutkimusta esimerkiksi sen ymmärtämiseksi, mitkä tekijät vaikuttavat sosiaalisen pääoman muotoutumiseen alueen eri toimijoiden välillä. Yrityskysely koostui 86 yrityksen tiedoista. Kysely toteutettiin kesällä 2004. Tuote- ja palveluinnovaatioilla ja innovaatiotoimintaan tehdyillä tutkimus- ja kehittämispanostuksilla mitaten alueen yrityksissä on innovaatiotoimintaa. Kyselyn perusteella oli myös mahdollista saada selville joitain yritysten innovaatioympäristön kannalta tärkeitä tekijöitä. Toisaalta eräät tulokset olivat osittain ristiriitaisia. Tämän vuoksi esimerkiksi alueen yritysten innovaatiokyvykkyyteen on lähitulevaisuudessa kiinnitettävä enemmän huomiota.

Abnormal Returns of Dividend Announcements during a Boom and a Recession. Empirical Evidence from U.S. from the years of 2000 - 2002 and 2005 - 2007, including Finnish Extra Dividends

This study examines the short time price effect of dividend announcements during a boom and a recession. The data being used here is gathered from the years of 2000 - 2002 when it was a recession after the techno bubble burst and from the years 2005 - 2007 when investors experienced large capital gains all around the world. The data consists of dividend increases and intact observations. The aim is to find out differences in abnormal returns between a boom and a recession. Second, the study examines differences between different dividend yield brackets. Third, Finnish extra dividends, mainly being delivered to shareholders in 2004 are included to the empirical test. Generally stated, the aim is to find out do investors respect dividends more during a recession than a boom and can this be proved by using dividend yield brackets. The empirical results from U.S shows that the abnormal returns of dividend increase announcements during the recession in the beginning of this decade were larger than during the boom. Thus, investors seem to respect dividend increases more when stock prices are falling. Substantial abnormal returns of dividend increases during the time period of 2005 - 2007 could not be found. The results from the overall samples state that the abnormal returns during the recession were positively slightly higher than during the boom. No clear and strong evidence was found between different dividend yield brackets. In Finland, there were substantial abnormal returns on the announcement day of the extra dividends. Thus, indicating that investors saw the extra dividends as a good thing for shareholders' value. This paper is mostly in line with the theory that investors respect dividends more during bad times than good times.

Abnormal Return of Dividend Announcements during a Boom and a Recession. Empirical evidence from the years of 2002 - 2002 and 2005 - 2007, including the Finnish extra dividends

Tutkimuksen tavoitteena on tutkia epänormaalien tuottojen esiintymistä nousu- ja laskusuhdanteen aikana osingonilmoituspäivän ympärillä. Osinkoilmoitukset ovat kerätty Yhdysvaltojen markkinalta (NYSE) ajanjaksoilta 2000 - 2002, jolloin pörssit laskivat teknokuplan jälkeen ja 2005 - 2007, jolloin sijoittajat kokivat suuria kurssivoittoja. Osinkoilmoitushavainnot koostuvat yhtiöistä, jotka nostivat tai pitivät osinko per osake paikallaan. Tavoitteena on tutkia eroja epänormaaleissa tuotoissa näiden kahden ajanjakson välillä. Toiseksi, tavoitteena on tutkia miten epänormaalit tuotot poikkeavat toisistaan eri osinkotuottoluokissa. Kolmanneksi, tavoitteena on tutkia esiintyikö markkinoilla epänormaaleja tuottoja kun suomalaiset yritykset ilmoittivat ylimääräisistä osingoista, pääasiassa vuonna 2004. Yksinkertaisesti ja lyhyesti sanottuna tavoitteena on tutkia arvostavatko sijoittajat osinkoja enemmän laskukauden vai nousukauden aikana. Rahoitusteorian mukaan sijoittajien tulisi arvostaa laskukauden aikana enemmän yhtiöitä, jotka pystyvät maksamaan huonosta taloustilanteesta huolimatta hyvää osinkoa. Empiiriset testit Yhdysvalloista osoittavat, että osingon nostamisesta johtuvat epänormaalit tuotot olivat suuremmat laskusuhdanteen aikana kuin noususuhdanteen aikana. Tämä on linjassa teorian kanssa. Osingon-nostot aiheuttivat nousukauden aikana vähäisiä epänormaaleja tuottoja. Selviä eroja eri osingontuottoluokkien välillä ei pystytty havaitsemaan. Tulokset yhdistetystä aineistosta osoittavat, että sijoittajat kokivat vähäisiä positiivisia epänormaaleja tuottoja laskukauden aikana. Nousukautena tuotot olivat lähellä nollaa. Suomen markkinoilla havaittiin selvä epänormaalituotto osingonilmoituspäivänä. Tulokset ovat pääpiirteittäin linjassa teorian kanssa. Sijoittajat arvostavat osinkoja hieman enemmän lasku- kuin noususuhdanteen aikana.

Strategic Development of Electricity Distribution Networks – Concept and Methods

Strategic development of distribution networks plays a key role in the asset management in electricity distribution companies. Owing to the capital-intensive nature of the field and longspan operations of companies, the significance of a strategy is emphasised. A well-devised strategy combines awareness of challenges posed by the operating environment and the future targets of the distribution company. Economic regulation, ageing infrastructure, scarcity of resources and tightening supply requirements with challenges created by the climate change put a pressure on the strategy work. On the other hand, technology development related to network automation and underground cabling assists in answering these challenges. This dissertation aims at developing process knowledge and establishing a methodological framework by which key issues related to network development can be addressed. Moreover, the work develops tools by which the effects of changes in the operating environment on the distribution business can be analysed in the strategy work. To this end, the work discusses certain characteristics of the distribution business and describes the strategy process at a principle level. Further, the work defines the subtasks in the strategy process and presents the key elements in the strategy work and long-term network planning. The work delineates the factors having either a direct or indirect effect on strategic planning and development needs in the networks; in particular, outage costs constitute an important part of the economic regulation of the distribution business, reliability being thus a key driver in network planning. The dissertation describes the methodology and tools applied to cost and reliability analyses in the strategy work. The work focuses on determination of the techno-economic feasibility of different network development technologies; these feasibility surveys are linked to the economic regulation model of the distribution business, in particular from the viewpoint of reliability of electricity supply and allowed return. The work introduces the asset management system developed for research purposes and to support the strategy work, the calculation elements of the system and initial data used in the network analysis. The key elements of this asset management system are utilised in the dissertation. Finally, the study addresses the stages of strategic decision-making and compilation of investment strategies. Further, the work illustrates implementation of strategic planning in an actual distribution company environment.

1000 V jakelujännitteen käyttömahdollisuudet Kymenlaakson Sähköverkko Oy:ssä

Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n 20/0,4 kV tekniikalla toteutettu sähkönjakeluverkko on monin paikoin saavuttamassa pitoaikansa loppua. Sähkönjakeluverkko sijaitsee pääasiassa haja-asutusalueilla ja on pääosin avojohtotekniikalla rakennettua. Haja-asutusalueilla 20 kV sähköverkko sisältää paljon lyhyitä 1–5 km pituisia johtohaaroja. Tässä diplomityössä selvitettiin 20/1/0,4 kV sähkönjakelujärjestelmän käyttömahdollisuuksia Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n sähkönjakeluverkossa. Työssä vertailtiin erilaisilla verkostoratkaisuilla saatavia elinkaarikustannuksia perusparannus- ja uudisrakennuskohteissa. Tutkimuksen perusteella Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n sähkönjakeluverkossa on potentiaalia 1000 V jakelujännitteen käytölle. Työssä perehdyttiin myös 1000 V verkostokomponenttien merkitsemiseen ja verkkoyhtiön tekemiin 1000 V verkon tarkastuksiin.

Kuivurin pölynhallintajärjestelmä

Lämminilmakuivaus on viljan kuivaamisen menetelmistä ylivoimaisesti käytetyin. Siinä kuivurissa olevan viljakerroksen läpi puhalletaan lämmintä ilmaa, kunnes viljan kosteuspitoisuus laskee tavoitetasoon. Viljan jyvistä irtoaa aina pölyä niiden hangatessa toisiaan vasten. Viljankuivaamoiden pölyisyyttä on normaalisti pyritty vähentämään poistamalla leijuvaa pölyä viljan liikkeen epäjatkuvuuskohdista. Pölyä kulkeutuu kuitenkin kuivaamon ulkopuolelle myös kuivaukseen käytetyn ilman mukana. Poistoilman pölypitoisuus ei tavallisesti ole korkea, mutta kuivaamiseen käytetyistä suurista ilmamääristä johtuen pölyä voi kertyä poistoilmakanavan ympäristöön huomattavia määriä. Tämän diplomityön tavoitteena onkin viljankuivurin poistoilman pölypitoisuuden vähentämiseen soveltuvan pölynhallintajärjestelmän kehittäminen. Selvityksessä tarkasteltiin ensinnäkin kuivurin poistoilman pölypitoisuuteen liittyvää kansallista ja kansainvälistä lainsäädäntöä sekä raja-arvoja. Lähdemateriaalin perusteella kartoitettiin pölypitoisuuden vähentämiseen soveltuvia menetelmiä sekä kilpailijoiden toteuttamia ratkaisuja. Myös muita pölynhallintajärjestelmän edellytyksiä selvitettiin. Teoreettisessa tarkastelussa teknistaloudellisesti parhaaksi osoittautunut pölynhallintaratkaisu jalostettiin prototyypiksi. Sen toimintakykyä testattiin erotustehokkuuden mittaamiseen soveltuvan koelaitteiston avulla. Testitulosten perusteella kyseinen pölynhallintajärjestelmä todettiin toimivaksi ja pienellä jatkokehittelyllä myös kaupalliseen käyttöön soveltuvaksi. Testitulosten hyödyntämismahdollisuuksien lisäksi diplomityössä esitetään myös muutamia jatkokehitysehdotuksia.

Bracke- ja M-Planter-istutuslaitteiden teknis-taloudellinen vertailu

Seloste artikkelista: Rantala, J., Harstela, P., Saarinen, V.-M. & Tervo, L. 2009. A techno-economic evaluation of Bracke and M-planter tree planting devices. Silva Fennica 43 (4) : 659– 667.