Biovoimalaitoksen energiatehokkuuden parantaminen ja osakuorma-ajon optimointi

Energiatehokkuus on nykyaikana yksi tärkeimmistä energiataloudellisista tekijöistä voimalaitosten sähköntuotannossa. Varsinkin yhteistuotantolaitoksissa joissa sähkö on lämpöenergian lisänä saatava sivutuote, sähkön tuotannon optimointi voi merkitä laitostalouden ja yrityksen kannalta huomattavia lisätuloja tai -säästöjä. Kaukaan Voima Oy:n biovoimalaitos on vuonna 2009 kaupalliseen käyttöön valmistunut moderni yhteistuotantolaitos, joka sijaitsee Lappeenrannassa UPM Kaukas sellutehtaan tehdasalueella. Voimalaitos tuottaa kaukolämpöä ja sähköä Lappeenrannan kaupungille sekä prosessihöyryä ja sähköä UPM Kaukaan tehtaille. Tämän työn tavoitteena on tarkastella biovoimalaitoksen omakäyttösähkön kulutusta kuukausitasolla verrattuna laitoksella tuotettavan höyryn määrään sekä etsiä voimalaitokselta kohteita, joiden omakäyttösähkön kulutusta voidaan vähentää vaikuttamatta höyryntuotantoon ja näin parantaa laitoksen energiatehokkuutta ja hyötysuhdetta. Työ rajataan käsittelemään voimalaitoksen apulaitteiden ja -järjestelmien omakäyttösähkön kulutusta. Työssä tarkastellaan vuodenaikojen vaihtelun ja kaukolämmön sekä prosessihöyryn tarpeen muutoksen vaikutusta voimalaitoksen ajomalliin sekä höyryntuotannon ja omakäyttösähkön kulutuksen suhteisiin. Työssä esiin nousseiden kohteiden potentiaaliset sähköenergian säästöt ovat noin 2500 MWh vuodessa joka tarkoittaa keskimäärin 3,7 % vähennystä voimalaitoksen kuukausittaiseen omakäyttösähkön kulutukseen. Kohteet eivät käytännössä vaadi minkaanlaista investointirahaa, vaan uusia ajojärjestelyitä. Keskeisimmiksi säästökohteiksi valikoitui laitoksen pumppausjärjestelmien paineenalennukset.

Sähköverkon säävarmuuden kehittäminen verkkoliiketoiminnan valvontamallin näkökulmasta

Sähkömarkkinalain uudistuminen syksyllä 2013 aiheutti sähköverkkoyhtiöille velvoitteen parantaa sähköverkkoja siten, että ne täyttävät uuden lain mukaiset keskeytysaikavaatimukset. Laissa asemakaava-alueilla sallitaan enintään 6 tunnin mittainen sähkönjakelunkeskeytys ja haja-asutusalueella 36 tunnin keskeytys. Diplomityössä kehitetään ElMil Oy:lle palvelumalli, jonka avulla pyritään parantamaan sähköverkkojen säävarmuutta ja arvioimaan parannuksien aiheuttamia taloudellisia vaikutuksia verkkoyhtiön kannattavuuteen verkkoliiketoiminnan valvontamallin kautta. Työn teoriaosiossa käydään läpi uuden sähkömarkkinalain muutoksia toimitusvarmuuden kannalta sekä avataan verkkoliiketoiminnan valvontamallin komponentteja ja sitä kuinka niitä on hyödynnetty tässä työssä. Kyseisiä tietoja hyödynnetään case-tarkastelussa, jossa testataan kehitetyn palvelumallin toimivuutta Järvi-Suomen Energia Oy:n sähkönjakeluverkon kahden sähköaseman jakeluverkkojen kokoisella alueella. Tarkastelualueen sähkönjakeluverkolle tehdään suurhäiriömalli, jonka perusteella arvioidaan vaadittavaa säävarman verkon osuutta, jotta sähkömarkkinalain vaatimukset täyttyvät. Alueen investointikohteet optimoidaan kannattavuuden perusteella, jolloin saadaan kustannustehokas investointiohjelma tiettyjen reunaehtojen puitteissa. Lisäksi suurhäiriömallin parametreja varioidaan herkkyystarkasteluissa. Työn lopputuloksena saadaan ElMil Oy:lle kehitettyä palvelumalli. Case-tarkasteluissa havaitaan, että investointikustannukset nousevat merkittävästi. Verkkoliiketoiminnan valvontamallin kannustinvaikutuksista ja sallitusta tuotosta saadaan hyvä näkemys. Herkkyystarkasteluista nähdään, että suurhäiriömalli on hyvin riippuvainen valituista parametreista, jolloin niiden valintaan tulee kiinnittää huomiota

Towards sustainable Iron- and steelmaking with economic optimization

The iron and steelmaking industry is among the major contributors to the anthropogenic emissions of carbon dioxide in the world. The rising levels of CO2 in the atmosphere and the global concern about the greenhouse effect and climate change have brought about considerable investigations on how to reduce the energy intensity and CO2 emissions of this industrial sector. In this thesis the problem is tackled by mathematical modeling and optimization using three different approaches. The possibility to use biomass in the integrated steel plant, particularly as an auxiliary reductant in the blast furnace, is investigated. By pre-processing the biomass its heating value and carbon content can be increased at the same time as the oxygen content is decreased. As the compression strength of the preprocessed biomass is lower than that of coke, it is not suitable for replacing a major part of the coke in the blast furnace burden. Therefore the biomass is assumed to be injected at the tuyere level of the blast furnace. Carbon capture and storage is, nowadays, mostly associated with power plants but it can also be used to reduce the CO2 emissions of an integrated steel plant. In the case of a blast furnace, the effect of CCS can be further increased by recycling the carbon dioxide stripped top gas back into the process. However, this affects the economy of the integrated steel plant, as the amount of top gases available, e.g., for power and heat production is decreased. High quality raw materials are a prerequisite for smooth blast furnace operation. High quality coal is especially needed to produce coke with sufficient properties to ensure proper gas permeability and smooth burden descent. Lower quality coals as well as natural gas, which some countries have in great volumes, can be utilized with various direct and smelting reduction processes. The DRI produced with a direct reduction process can be utilized as a feed material for blast furnace, basic oxygen furnace or electric arc furnace. The liquid hot metal from a smelting reduction process can in turn be used in basic oxygen furnace or electric arc furnace. The unit sizes and investment costs of an alternative ironmaking process are also lower than those of a blast furnace. In this study, the economy of an integrated steel plant is investigated by simulation and optimization. The studied system consists of linearly described unit processes from coke plant to steel making units, with a more detailed thermodynamical model of the blast furnace. The results from the blast furnace operation with biomass injection revealed the importance of proper pre-processing of the raw biomass as the composition of the biomass as well as the heating value and the yield are all affected by the pyrolysis temperature. As for recycling of CO2 stripped blast furnace top gas, substantial reductions in the emission rates are achieved if the stripped CO2 can be stored. However, the optimal recycling degree together with other operation conditions is heavily dependent on the cost structure of CO2 emissions and stripping/storage. The economical feasibility related to the use of DRI in the blast furnace depends on the price ratio between the DRI pellets and the BF pellets. The high amount of energy needed in the rotary hearth furnace to reduce the iron ore leads to increased CO2 emissions.

The effect of environmentally differentiated port fees to shipping companies’ environmental investments

The pressure has grown to develop cost-effective emission reduction strategies in the Baltic Sea. The forthcoming stringent regulations of the International Maritime Organization for reducing harmful emissions of shipping in the Baltic Sea are causing increasing expenses for the operators. A market-based attitude towards pricing of economic incentives could be seen as a new approach for a successful application for the additional emission reduction of nitrogen oxides (NOx). In this study the aim is to understand the phenomenon of environmentally differentiated port fees and its effects on shipping companies’ emission reduction investments. The goal is to examine empirically the real-life effects of the possible environmental differentiated port fee system and the effect of environmentally differentiated port fees on NOx reduction investments in the Baltic Sea. The research approach of this study is nomothetical. In this study research questions are answered by analyzing the broad database of the Baltic Sea fleet. Also the framework of theory is confirmed and plays an important role in analyzing the research problem. Existing investment costs of NOx emission reduction technology to ship owners are estimated and compared to investment costs with granted discounts added to the cash flows. The statistical analysis in this study is descriptive. The major statistic examination of this study is the calculation of the net present values of investments with different port fee scenarios. This is done to investigate if the NOx technology investments could be economically reasonable. Based on calculations it is clear that the effect of environmentally differentiated port fees is not adequate to compensate the total investment costs for NOx reduction. If the investment decision is made only with profitability considerations, sources will prefer to emission abatement as long as incomes from the given subsidy exceeds their abatement costs. Despite of the results, evidence was found that shipping companies are nevertheless willing to invest on voluntary emission abatement technology. In that case, investment decision could be made with criteria of, for example, sustainable strategy or brand image. Combined fairway and port fee system or governmental regulations and recommendation could also function as additional incentives to compensate the investment costs. Also, the results imply that the use of NPV is not necessarily the best method to evaluate environmental investments. If the calculations would be done with more environmental methods the results would probably be different.

Container logistic innovations in forest-energy sector: Markets, future service concepts and technical improvements

The report presents the results of the commercialization project called the Container logistic services for forest bioenergy. The project promotes new business that is emerging around overall container logistic services in the bioenergy sector. The results assess the European markets of the container logistics for biomass, enablers for new business creation and required service bundles for the concept. We also demonstrate the customer value of the container logistic services for different market segments. The concept analysis is based on concept mapping, quality function deployment process (QFD) and business network analysis. The business network analysis assesses key shareholders and their mutual connections. The performance of the roadside chipping chain is analysed by the logistic cost simulation, RFID system demonstration and freezing tests. The EU has set the renewable energy target to 20 % in 2020 of which Biomass could account for two-thirds. In the Europe, the production of wood fuels was 132.9 million solid-m3 in 2012 and production of wood chips and particles was 69.0 million solidm3. The wood-based chips and particle flows are suitable for container transportation providing market of 180.6 million loose- m3 which mean 4.5 million container loads per year. The intermodal logistics of trucks and trains are promising for the composite containers because the biomass does not freeze onto the inner surfaces in the unloading situations. The overall service concept includes several packages: container rental, container maintenance, terminal services, RFID-tracking service, and simulation and ERP-integration service. The container rental and maintenance would provide transportation entrepreneurs a way to increase the capacity without high investment costs. The RFID-concept would lead to better work planning improving profitability throughout the logistic chain and simulation supports fuel supply optimization.

IT-yrityksen etabloituminen Keski-Eurooppaan

Kansainvälistyminen on yksi avaintekijä pienelle kasvua tavoittelevalle IT-yritykselle. Tämän diplomityön tavoitteena oli tehdä case -yritykselle kansainvälistymissuunnitelma ensimmäisten ulkomaan toimintojen aloittamiseksi. Tutkimuksessa selvitetään kansainvälistymismalleja, kohdemarkkinan valintamalleja sekä operaatiomuotoja pk-yrityksen näkökulmasta. Tässä työssä käsitellään malleja, joilla pk-yrityksen tulisi valita kohdemarkkinansa ja operaatiomuoto huomioiden pk-yrityksen usein rajalliset resurssit. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa tutustuttiin eri kansainvälistymismalleihin, kansainvälistymisen motiiveihin ja esteisiin. Toisessa vaiheessa käytiin läpi kohdemarkkinan valintamalleja sekä eri operaatiomuotoja. Tutkimuksen viimeisessä vaiheessa vertailtiin annettuja kohdemarkkinoita ja tehtiin case-yritykselle kansainvälistymissuunnitelma pohjautuen aiempaan tutkimukseen. Tutkimuksen tuloksena syntyneessä kansainvälistymissuunnitelmassa suositellaan potentiaalisinta kohdemarkkinaa ja operaatiomuotoa, sekä lasketaan investointikustannus etabloitumiselle.

Concentration of hydrogen peroxide and improving its energy efficiency

Distillation is a unit operation of process industry, which is used to separate a liquid mixture into two or more products and to concentrate liquid mixtures. A drawback of the distillation is its high energy consumption. An increase in energy and raw material prices has led to seeking ways to improve the energy efficiency of distillation. In this Master's Thesis, these ways are studied in connection with the concentration of hydrogen peroxide at the Solvay Voikkaa Plant. The aim of this thesis is to improve the energy efficiency of the concentration of the Voikkaa Plant. The work includes a review of hydrogen peroxide and its manufacturing. In addition, the fundamentals of distillation and its energy efficiency are reviewed. An energy analysis of the concentration unit of Solvay Voikkaa Plant is presented in the process development study part. It consists of the current and past information of energy and utility consumptions, balances, and costs. After that, the potential ways to improve the energy efficiency of the distillation unit at the factory are considered and their feasibility is evaluated technically and economically. Finally, proposals to improve the energy efficiency are suggested. Advanced process control, heat integration and energy efficient equipment are the most potential ways to carry out the energy efficient improvements of the concentration at the Solvay Voikkaa factory. Optimization of the reflux flow and the temperatures of the overhead condensers can offer immediate savings in the energy and utility costs without investments. Replacing the steam ejector system with a vacuum pump would result in savings of tens of thousands of euros per year. The heat pump solutions, such as utilizing a mechanical vapor recompression or thermal vapor recompression, are not feasible due to the high investment costs and long pay back times.

Siirtohinnoittelun kehittäminen etäluettavilta mittareilta saatavan datan avulla sähkönjakeluyhtiö Mäntsälän Sähkö Oy:lle

Sähkönsiirtomaksuilla katetaan luonnollisena alueellisena monopolina toimivan paikallisen sähkönjakeluyhtiön toiminta. Koska sähköverkkoyhtiöt toimivat monopoliasemassa, niiden toimintaa valvoo Energiavirasto. Energiavirasto valvoo pääasiassa verkkoyhtiöiden liikevaihtoa ja toiminnan tehokkuutta. Verkkoyhtiöiden toimintaa säätää Suomessa sähkömarkkinalaki. Verkkoyhtiöiden kustannusrakenne on hyvin sidottu verkoston kustannuksiin. Koska sähköverkoston kustannukset ovat pitkän käyttöiän ja suurien alkuinvestointien vuoksi vuosittain kiinteät ja merkittävän suuret, olisi verkkoyhtiön kannalta tärkeää, että vuosittaiset tulot eivät suuresti vaihtelisi. Nykyisellä hinnoittelumallilla kuitenkin verkkoyhtiöiden tulot jäävät hyvin riippuvaisiksi talven kylmyydestä. Nykyisin Suomessa yleisesti käytettävässä siirtohinnoittelun hinnoittelumallissa ei huomioida myöskään sitä, että verkkoyhtiön kustannukset ovat enemmän riippuvaisia verkossa siirretyistä tehoista kuin energioista. Siirtohinnoittelun kannalta on tapahtunut ja on tapahtumassa merkittäviä muutoksia. Etäluettavien sähkönkulutusmittarien käyttöönoton myötä asiakkaiden kulutuksesta saadaan huomattavasti entistä enemmän tietoa, mikä auttaa kustannusvastaavien hintojen määrittämisessä. Samaan aikaan asiakkaiden sähkön käyttö voi muuttua huomattavasti varsinkin sähköautojen ja lämpöpumppujen yleistymisen myötä. Tämän työn tarkoituksena on luoda Mäntsälän Sähkö Oy:lle sähkönsiirtohinnoittelun kustannuksia vastaavien hintojen määrittämiseksi laskentasovellus sekä selvittää tulevaisuuden siirtohinnoittelun toteuttamismahdollisuuksia. Lyhyen aikavälin suunnittelussa keskitytään kustannusvastaavien hintojen määrittämiseen keskihintaperiaatteen avulla ja pidemmän aikavälin suunnittelussa asiakkaiden huipputehoihin perustuvan hinnoittelun toteuttamisen vaikutuksiin sekä verkkoyhtiön että asiakkaan näkökulmasta.

Lumen varastointi ja hyödyntäminen tilojen jäähdytykseen, Case: Kone Oyj

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää mahdollisuutta hyödyntää lunta tilojen jäähdytykseen Koneen Hyvinkään tehdasalueella. Työssä kerrotaan myös yleisesti eri jäähdytysmuodoista ja tuotantotavoista. Eri kirjallisuuslähteiden pohjalta tutkittiin erilaisia lumijäähdytysjärjestelmiä, joiden energiataseiden pohjalta tehtiin sopiva malli kohdealueelle. Mallin avulla selvitettiin lumesta hyödynnettävä jäähdytysenergian määrä. Esitetylle varastolle hahmoteltiin investointi- ja käyttökustannukset kirjallisuuslähteiden ja asiantuntijoiden avulla. Kustannuksien ja jäähdytysenergiamäärien avulla laskettiin lumijäähdytyksen tuotantokustannukset, joita verrattiin perinteiseen kompressorijäähdyttimeen. Lopuksi pohdittiin vielä takaisinmaksuaikoja lumivaraston liittyessä nykyisiin jäähdytysjärjestelmiin ja kokonaan uuteen jäähdytysverkostoon. Tuloksien mukaan lumijäähdytys ei ole taloudellisesti kannattavaa Koneen Hyvinkään tehdasalueella. Ongelmaksi muodostui investointikustannusten suuruus verrattuna saatuihin säästöihin. Ympäristöllisesti ja yrityksellisesti hanketta voidaan pitää kannattavana. Lumijäähdytyksestä voidaan saada kannattavampi suuremmilla lumimäärillä, mikä vaatisi myös suuremmat jäähdytysenergiankulutukset kuin Koneella on. Myös hyödyntämällä luonnon omia rakenteita voidaan parantaa kannattavuutta.

Koneinvestointien elinkaarikustannusmalli

Työn tavoitteena oli rakentaa käyttökelpoinen elinkaarikustannusmalli, jonka avulla voidaan arvioida investoitavien uusien koneiden elinkaaren aikaisia kustannuksia. Elinkaarikustannusmalli on rakennettu Microsoft Excel -ohjelman avulla. Mallin tavoitteena oli saada tarkempaa tietoa koneiden aiheuttamista elinkaarikustannuksista. Aiemmin tällaista mallia ei ole ollut käytössä, vaan investointien paremmuutta on paljolti verrattu takaisinmaksuajan ja hankintahinnan perusteella. Työssä hyödynnetään investointi- ja elinkaarilaskennan teorioita elinkaarikustannusmallin rakentamiseen. Työn empiirisessä osiossa käydään läpi, miten elinkaarikustannusmalli on rakennettu ja millaisia ominaisuuksia malli sisältää. Empiirisessä osassa myös testataan rakennetun mallin toimivuutta ja lasketaan elinkaarikustannukset yhdelle koneinvestoinnille. Teoriaosuudessa käsiteltiin myös elinkaarituottoja mallin jatkokehityksen kannalta. Työn tuloksena saatiin rakennettua käyttökelpoinen elinkaarikustannusmalli, jonka ominaisuuksina ovat sen helppo käyttö ja yksinkertaisuus. Mallia voidaan käyttää useammalle koneinvestointivaihtoehdolle samanaikaisesti ja sitä voidaan helposti laajentaa tulevaisuudessa.

Jätevesien puhdistus jätevesialtaissa jäädyttämällä - Kartoitus potentiaalisista sovellutuksista Suomessa

Uusia jäteveden puhdistusprosesseja kartoitetaan Suomessakin esimerkiksi kiristyvien päästömääräyksien vuoksi sekä parempia kustannus- ja energiatehokkuuksia tavoiteltaessa. Jätevesien puhdistus on Suomessa jo nykyään hyvällä tasolla, mutta muun muassa raskasmetallien, torjunta-aineiden, hormonien ja lääkeaineiden pitoisuuksien kasvut jätevesissä asettavat haasteita nykyisin käytössä oleville jäteveden puhdistusmenetelmille, sillä niitä ei ole suunniteltu näiden aineiden talteenottoon ja suurin osa aineista jää veteen. Lisäksi jätevedet halutaan nähdä enemmänkin resurssina kuin jätteenä, josta voidaan ottaa talteen hyödyllisiä komponentteja, kuten suoloja. Alueilla, joissa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee edes osan vuodesta pakkasella, veden luonnollista jäätymisprosessia voidaan käyttää hyväksi jäteveden puhdistuksessa. Tässä työssä selvitettiin kiteytymisen teorian ja aikaisempien tutkimusten avulla, millaisten jätevesien puhdistukseen jäädytyskiteytys sopii sekä pohdittiin menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita Suomessa. Jäädytyskiteytyksen todettiin olevan turvallinen ja energiatehokas ratkaisu monien koostumukseltaan erilaisien jätevesien puhdistukseen. Menetelmällä voitaneen puhdistaa öljyisiä, orgaanisia ja/tai epäorgaanisia epäpuhtauksia tai raskasmetalleja sisältäviä sekä myrkyllisiä jätevesiä. Olosuhteet prosessille ovat parhaat Pohjois-Suomessa, jossa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee nollan alapuolella noin seitsemän kuukautta vuodesta. Etelä-Suomessa vastaava luku on kolme. Menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita ovat esimerkiksi kaivosteollisuuden ja kaatopaikkojen jätevedet, joiden puhdistukseen jäädytyskiteytys saattaisi soveltua erinomaisesti. Jäädyttämällä voitaisiin myös puhdistaa tekstiili- ja nahkateollisuuden jätevesiä, sillä niiden sisältämien väriaineiden erottaminen vedestä on perinteisillä jäteveden puhdistusmenetelmillä usein vaikeaa tai jopa mahdotonta. Suolojen kiteyttämiseen vaadittavia korkeampia suolapitoisuuksia todettiin löytyvän lähinnä membraaniprosessien, kuten käänteisosmoosin, rejektivesistä. Sopivimmat eutektiset olosuhteet kiteyttämiseen ovat natriumsulfaatilla, kaliumsulfaatilla ja natriumkarbonaatilla. Veden luonnollisen jäätymisprosessin hyödyntäminen jätevedenpuhdistuksessa on huomionarvoinen idea. Prosessin käyttöönottoa haittaavat esimerkiksi korkeat investointikustannukset, mutta ne tulevat todennäköisesti ajan myötä teknologian kehittyessä laskemaan. Lisäksi monet prosessiin liittyvät käytännön asiat ovat vielä tutkimuksen alla. On myös huomattava, että Suomessakaan lämpötila ei pysyttele koko vuotta pakkasella, joten jäädytyksen rinnalla on oltava jokin toinen prosessi, jolla jätevedet puhdistetaan lämpötilan ollessa nollan yläpuolella.

Sustainable urban metabolism as a link between bio-physical sciences and urban planning: the BRIDGE project

Urban metabolism considers a city as a system with flows of energy and material between it and the environment. Recent advances in bio-physical sciences provide methods and models to estimate local scale energy, water, carbon and pollutant fluxes. However, good communication is required to provide this new knowledge and its implications to endusers (such as urban planners, architects and engineers). The FP7 project BRIDGE (sustainaBle uRban plannIng Decision support accountinG for urban mEtabolism) aimed to address this gap by illustrating the advantages of considering these issues in urban planning. The BRIDGE Decision Support System (DSS) aids the evaluation of the sustainability of urban planning interventions. The Multi Criteria Analysis approach adopted provides a method to cope with the complexity of urban metabolism. In consultation with targeted end-users, objectives were defined in relation to the interactions between the environmental elements (fluxes of energy, water, carbon and pollutants) and socioeconomic components (investment costs, housing, employment, etc.) of urban sustainability. The tool was tested in five case study cities: Helsinki, Athens, London, Florence and Gliwice; and sub-models were evaluated using flux data selected. This overview of the BRIDGE project covers the methods and tools used to measure and model the physical flows, the selected set of sustainability indicators, the methodological framework for evaluating urban planning alternatives and the resulting DSS prototype.

Road Design for Future Maintenance : Life-cycle Cost Analyses for Road Barriers

The cost of a road construction over its service life is a function of design, quality of construction as well as maintenance strategies and operations. An optimal life-cycle cost for a road requires evaluations of the above mentioned components. Unfortunately, road designers often neglect a very important aspect, namely, the possibility to perform future maintenance activities. Focus is mainly directed towards other aspects such as investment costs, traffic safety, aesthetic appearance, regional development and environmental effects. This doctoral thesis presents the results of a research project aimed to increase consideration of road maintenance aspects in the planning and design process. The following subgoals were established: Identify the obstacles that prevent adequate consideration of future maintenance during the road planning and design process; and Examine optimisation of life-cycle costs as an approach towards increased efficiency during the road planning and design process. The research project started with a literature review aimed at evaluating the extent to which maintenance aspects are considered during road planning and design as an improvement potential for maintenance efficiency. Efforts made by road authorities to increase efficiency, especially maintenance efficiency, were evaluated. The results indicated that all the evaluated efforts had one thing in common, namely ignorance of the interrelationship between geometrical road design and maintenance as an effective tool to increase maintenance efficiency. Focus has mainly been on improving operating practises and maintenance procedures. This fact might also explain why some efforts to increase maintenance efficiency have been less successful. An investigation was conducted to identify the problems and difficulties, which obstruct due consideration of maintainability during the road planning and design process. A method called “Change Analysis” was used to analyse data collected during interviews with experts in road design and maintenance. The study indicated a complex combination of problems which result in inadequate consideration of maintenance aspects when planning and designing roads. The identified problems were classified into six categories: insufficient consulting, insufficient knowledge, regulations and specifications without consideration of maintenance aspects, insufficient planning and design activities, inadequate organisation and demands from other authorities. Several urgent needs for changes to eliminate these problems were identified. One of the problems identified in the above mentioned study as an obstacle for due consideration of maintenance aspects during road design was the absence of a model for calculating life-cycle costs for roads. Because of this lack of knowledge, the research project focused on implementing a new approach for calculating and analysing life-cycle costs for roads with emphasis on the relationship between road design and road maintainability. Road barriers were chosen as an example. The ambition is to develop this approach to cover other road components at a later stage. A study was conducted to quantify repair rates for barriers and associated repair costs as one of the major maintenance costs for road barriers. A method called “Case Study Research Method” was used to analyse the effect of several factors on barrier repairs costs, such as barrier type, road type, posted speed and seasonal effect. The analyses were based on documented data associated with 1625 repairs conducted in four different geographical regions in Sweden during 2006. A model for calculation of average repair costs per vehicle kilometres was created. Significant differences in the barrier repair costs were found between the studied barrier types. In another study, the injuries associated with road barrier collisions and the corresponding influencing factors were analysed. The analyses in this study were based on documented data from actual barrier collisions between 2005 and 2008 in Sweden. The result was used to calculate the cost for injuries associated with barrier collisions as a part of the socio-economic cost for road barriers. The results showed significant differences in the number of injuries associated with collisions with different barrier types. To calculate and analyse life-cycle costs for road barriers a new approach was developed based on a method called “Activity-based Life-cycle Costing”. By modelling uncertainties, the presented approach gives a possibility to identify and analyse factors crucial for optimising life-cycle costs. The study showed a great potential to increase road maintenance efficiency through road design. It also showed that road components with low investment costs might not be the best choice when including maintenance and socio-economic aspects. The difficulties and problems faced during the collection of data for calculating life-cycle costs for road barriers indicated a great need for improving current data collecting and archiving procedures. The research focused on Swedish road planning and design. However, the conclusions can be applied to other Nordic countries, where weather conditions and road design practices are similar. The general methodological approaches used in this research project may be applied also to other studies.

Experimental and computational investigation of the roll forming process

One of the first questions to consider when designing a new roll forming line is the number of forming steps required to produce a profile. The number depends on material properties, the cross-section geometry and tolerance requirements, but the tool designer also wants to minimize the number of forming steps in order to reduce the investment costs for the customer. There are several computer aided engineering systems on the market that can assist the tool designing process. These include more or less simple formulas to predict deformation during forming as well as the number of forming steps. In recent years it has also become possible to use finite element analysis for the design of roll forming processes. The objective of the work presented in this thesis was to answer the following question: How should the roll forming process be designed for complex geometries and/or high strength steels? The work approach included both literature studies as well as experimental and modelling work. The experimental part gave direct insight into the process and was also used to develop and validate models of the process. Starting with simple geometries and standard steels the work progressed to more complex profiles of variable depth and width, made of high strength steels. The results obtained are published in seven papers appended to this thesis. In the first study (see paper 1) a finite element model for investigating the roll forming of a U-profile was built. It was used to investigate the effect on longitudinal peak membrane strain and deformation length when yield strength increases, see paper 2 and 3. The simulations showed that the peak strain decreases whereas the deformation length increases when the yield strength increases. The studies described in paper 4 and 5 measured roll load, roll torque, springback and strain history during the U-profile forming process. The measurement results were used to validate the finite element model in paper 1. The results presented in paper 6 shows that the formability of stainless steel (e.g. AISI 301), that in the cold rolled condition has a large martensite fraction, can be substantially increased by heating the bending zone. The heated area will then become austenitic and ductile before the roll forming. Thanks to the phenomenon of strain induced martensite formation, the steel will regain the martensite content and its strength during the subsequent plastic straining. Finally, a new tooling concept for profiles with variable cross-sections is presented in paper 7. The overall conclusions of the present work are that today, it is possible to successfully develop profiles of complex geometries (3D roll forming) in high strength steels and that finite element simulation can be a useful tool in the design of the roll forming process.

Hydrodynamic Simulations Of Vacuum-Driven Storage Tanks

As a result of urbanization, stormwater runoff flow rates and volumes are significantly increased due to increasing impervious land cover and the decreased availability of depression storage. Storage tanks are the basic devices to efficiently control the flow rate in drainage systems during wet weather. Presented in the paper conception of vacuum-driven detention tanks allows to increase the storage capacity by usage of space above the free surface water elevation at the inlet channel. Partial vacuum storage makes possible to gain cost savings by reduction of both the horizontal area of the detention tank and necessary depth of foundations. Simulation model of vacuum-driven storage tank has been developed to estimate potential profits of its application in urban drainage system. Although SWMM5 has no direct options for vacuum tanks an existing functions (i.e. control rules) have been used to reflect its operation phases. Rainfall data used in simulations were recorded at raingage in Czestochowa during years 2010÷2012 with time interval of 10minutes. Simulation results gives overview to practical operation and maintenance cost (energy demand) of vacuum driven storage tanks depending of the ratio: vacuum-driven volume to total storage capacity. The following conclusion can be drawn from this investigations: vacuum-driven storage tanks are characterized by uncomplicated construction and control systems, thus can be applied in newly developed as well as in the existing urban drainage systems. the application of vacuum in underground detention facilities makes possible to increase of the storage capacity of existing reservoirs by usage the space above the maximum depth. Possible increase of storage capacity can achieve even a few dozen percent at relatively low investment costs. vacuum driven storage tanks can be included in existing simulation software (i.e. SWMM) using options intended for pumping stations (including control and action rules ).