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.

Kaukolämpölaitoksen kunnossapitosuunnitelma

Työssä on esitetty pääpiirteissään Joutsenon Energia Oy:n kaukolämpöjärjestelmä lämpökeskuksineen ja kaukolämpöverkkoineen sekä toimintaa ohjaava lainsäädäntö. Kunnossapitoa on käsitelty ensin teoreettisesti yleisellä tasolla, keskittyen kunnossapitostrategioihin ja niiden valintaan, kunnossapitotiedon hallintaan sekä kunnossapidon organisointiin. Työn puitteissa otettiin käyttöön myös Komartekin kaukolämmön kunnossapito-ohjelma Lämpökunto sekä graafinen informaatiojärjestelmä MAP, johon mallinnettiin mm. Joutsenon kaukolämpöverkkojen johdot ja kaivot. Tutkimustuloksina on esitelty mahdollisuuksia tehostaa kaukolämpöverkkojen ja –keskusten kunnossapitoa ja käyttää Lämpökuntoa tässä apuvälineenä. Kaukolämpöverkoille tehtiin perusparannustarpeen kartoitus sekä keskustaajaman kaukolämpöverkon uusimiselle aikatauluehdotus. Lämpökeskuksia tarkasteltiin niiden energiataloudellisuuden ja käyttöluotettavuuden kannalta ja pyrittiin löytämään keinoja näiden tekijöiden parantamiseksi.

Soodakattilan energiatehokkuuden ja -taseen laskenta

Tämä diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oy:n Tervasaaren tehtaalle. Työn tavoitteena oli määrittää soodakattilan energiatase. Määritellyn taseen avulla voitiin tutkia kattilan energiatehokkuutta. Soodakattilan savukaasupuolen ja vesihöyrypiirin energiataseet mallinnettiin taulukkolaskentaohjelmaan. Lähtöarvojen selvittämiseksi suoritettiin yksi mittausjakso. Laskettujen savukaasupuolen ja vesihöyrypiirin tasetulosten ero oli vain 0,4 % hyödyksi saatavien lämpöenergioiden suhteen. Savukaasupuolen energiataseessa käytettiin polttoaineiden tehollisia lämpöarvoja. Lisäksi lipeän määritettyä tehollista lämpöarvoa korjattiin erillisellä kertoimella. Kattilan energiatehokkuuden tarkasteluun valittiin muuttujiksi poltettavan lipeän laatu ja lipeän kuiva-aine sekä nuohoushöyrymäärä ja ilmakerroin. Lasketuista tuloksista voitiin havaita, että siirryttäessä nykyisestä polttolipeän poltosta pelkään sulfaattipohjaisen lipeän polttoon, saavutetaan säästöjä 2,33…3,10 milj.€/a. Myös nuohoushöyrymäärän ja ilmakertoimen muutoksilla todettiin saavutettavan säästöjä.

A System-Level Simulation Model for a Protocol Processor

As the development of integrated circuit technology continues to follow Moore’s law the complexity of circuits increases exponentially. Traditional hardware description languages such as VHDL and Verilog are no longer powerful enough to cope with this level of complexity and do not provide facilities for hardware/software codesign. Languages such as SystemC are intended to solve these problems by combining the powerful expression of high level programming languages and hardware oriented facilities of hardware description languages. To fully replace older languages in the desing flow of digital systems SystemC should also be synthesizable. The devices required by modern high speed networks often share the same tight constraints for e.g. size, power consumption and price with embedded systems but have also very demanding real time and quality of service requirements that are difficult to satisfy with general purpose processors. Dedicated hardware blocks of an application specific instruction set processor are one way to combine fast processing speed, energy efficiency, flexibility and relatively low time-to-market. Common features can be identified in the network processing domain making it possible to develop specialized but configurable processor architectures. One such architecture is the TACO which is based on transport triggered architecture. The architecture offers a high degree of parallelism and modularity and greatly simplified instruction decoding. For this M.Sc.(Tech) thesis, a simulation environment for the TACO architecture was developed with SystemC 2.2 using an old version written with SystemC 1.0 as a starting point. The environment enables rapid design space exploration by providing facilities for hw/sw codesign and simulation and an extendable library of automatically configured reusable hardware blocks. Other topics that are covered are the differences between SystemC 1.0 and 2.2 from the viewpoint of hardware modeling, and compilation of a SystemC model into synthesizable VHDL with Celoxica Agility SystemC Compiler. A simulation model for a processor for TCP/IP packet validation was designed and tested as a test case for the environment.

Competitor comparison: variable speed drives in pumping applications

As the world’s energy demand is increasing, a durable solution to control it is to improve the energy efficiency of the processes. It has been estimated that pumping applications have a significant potential for energy savings trough equipment or control system changes. For many pumping application the use of a variable speed drive as a process control element is the most energy efficient solution. The main target of this study is to examine the energy efficiency of a drive system that moves the pump. In a larger scale the purpose of this study is to examine how the different manufacturers’ variable speed drives are functioning as a control device of a pumping process. The idea is to compare the drives from a normal pump user’s point of view. The things that are mattering for the pump user are the efficiency gained in the process and the easiness of the use of the VSD. So some thought is given also on valuating the user-friendliness of the VSDs. The VSDs are compared to each other also on the basis of their life cycle energy costs in different kind of pumping cases. The comparison is made between ACS800 from ABB, VLT AQUA Drive from Danfoss, NX-drive from Vacon and Micromaster 430 from Siemens. The efficiencies are measured in power electronics laboratory in the Lappeenranta University of Technology with a system that consists of a variable speed drive, an induction motor with dc-machine, two power analyzers and a torque transducer. The efficiencies are measured as a function of a load at different frequencies. According to measurement results the differences between the measured system efficiencies on the actual working area of pumping are on average few percent units. When examining efficiencies at the whole range of different loads and frequencies, the differences get bigger. At low frequencies and loads the differences between the most efficient and the least efficient systems are at the most about ten percent units. At the most of the tested points ABB’s drive seem to have slightly better efficiencies than the other drives.

Energiaa säästävä uusi viemäriveden pumppausteknologia

Pumppaaminen kuluttaa teollisuudessa huomattavan osan energiasta, joten siellä on myös merkittäviä säästömahdollisuuksia. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa noin viidenneksen sähkömoottorien energiantarpeesta, ja tietyillä teollisuudentoimialoilla jopa yli 50%. Jätevedenpumppaus perustuu edelleenkin pääosin 50- ja 60- luvuilla kehitettyyn tekniikkaan, merkittäviä energiansäästöjä on mahdollista saavuttaa suhteellisen pienillä investoinneilla. Työn teoriaosassa käsitellään perusteet jätevedenkäsittelystä, ja viemäriputkiston rakenteesta. Pumppuja, sähkömoottoreita ja taajuusmuuttajia käsitellään laajemmin keskittyen niiden toimintaan ja toimintaa ohjaaviin teorioihin. Empiirisessä osassa tutkitaan uuden teknologian energiansäästöpotentiaalia erilaisilla mittauksilla, sekä mittausten pohjalta tehdyillä case-analyyseillä. Näitä analyysejä varten työn aikana kehiteltiin laskin, jolla voidaan arvioida energian kulutusta tunnetulle pumpulle, kun tiedetään haluttu toimintapiste. Työssä käsitelty uusi teknologia on mahdollisesti merkittävin uudistus viemäriveden pumppausteknologiaan taajuusmuuttajien käyttöönoton jälkeen. Teknologialla päästään eroon imukaivoista liki täysin, ja sitä kautta saadaan paremmin hallittua monia ongelmia kuten hajuhaittoja. Teknologian merkittävin hyöty on kuitenkin energiansäästö. Perinteisessä teknologiassa taajuusmuuttajat ovat olleet kannattavia, mikäli geodeettisen nostokorkeuden osuus on mahdollisimman pieni. Tyypillisessä uuden teknologian sovelluskohteissa geodeettinen nostokorkeus tulee yleensä olemaan pieni, joten uuden teknologian käyttöönoton kannattavuus on näissä kohteissa erityisen hyvä.

Life cycle costs in heating, ventilation and air-conditioning systems with drive

Energy consumption and energy efficiency have become an issue. Energy consumption is rising all over the world and because of that, and the climate change, energy is becoming more and more expensive. Buildings are major consumers of energy, and inside the buildings the major consumers are heating, ventilation and air-conditioning systems. They usually run at constant speed without efficient control. In most cases HVAC equipment is also oversized. Traditionally heating, ventilation and air-conditioning systems have been sized to meet conditions that rarely occur. The theory part in this thesis represents the basics of life cycle costs and calculations for the whole life cycle of a system. It also represents HVAC systems, equipment, systems controls and ways to save energy in these systems. The empirical part of this thesis represents life cycle cost calculations for HVAC systems. With these calculations it is possible to compute costs for the whole life cycle for the wanted variables. Life cycle costs make it possible to compare which variable causes most of the costs from the whole life point of view. Life cycle costs were studied through two real life cases which were focused on two different kinds of HVAC systems. In both of these cases the renovations were already made, so that the comparison between the old and the new, now existing system would be easier. The study indicates that energy can be saved in HVAC systems by using variable speed drive as a control method.

Energiansiirtoketjun energiatehokkuus

Tämän työn tavoitteena oli tarkastella energiansiirtoketjun kokonaisenergiatehokkuutta, alkaen polttoaineesta ja päättyen sähköenergian loppukäyttäjään. Tarkasteltava energiansiirtoketju alkaa polttoaineen tuotannosta ja siirrosta. Tämän jälkeen tulee sähköenergian tuottaminen, siirtäminen, jakelu ja loppukäyttö. Sähköntuotannon osalta tarkasteltiin myös vesivoimaa ja tuulivoimaa, jolloin energiansiirtoketjusta jää polttoaineen tuotannon ja siirron häviöt pois. Työn pääpaino kohdistui sähköenergian tuotannon, siirron, jakelun ja loppukäytön energiatehokkuuksien tarkastelemiseen. Työssä selvitettiin myös tulevaisuuden näkymiä, miten hyötysuhteita saataisiin parannettua eri osa-alueilla uusilla tekniikoilla ja käyttötottumuksilla. Loppukäyttäjä saa polttoaineen energiasta hyödyksi noin neljänneksen. Suurimmat häviöt syntyvät sähköenergian tuotannossa, lukuun ottamatta vesivoimalaitoksia, joiden hyötysuhde on erittäin korkea.

Assessment of Environmental Impacts of Power Generation

Through indisputable evidence of climate change and its link to the greenhouse gas emissions comes the necessity for change in energy production infrastructure during the coming decades. Through political conventions and restrictions energy industry is pushed toward using bigger share of renewable energy sources as energy supply. In addition to climate change, sustainable energy supply is another major issue for future development plans, but neither of these should come with unbearable price. All the power production types have environmental effects as well as strengths and weaknesses. Although each change comes with a price, right track in minimising the environmental impacts and energy supply security can be found by combining all possible low-carbon technologies and by improving energy efficiency in all sectors, for creating a new power production infrastructure of tolerable energy price and of minor environmental effects. GEMIS-Global Emission Model for Integrated Systems is a life-cycle analysis program which was used in this thesis to make indicative energy models for Finland’s future energy supply. Results indicate that the energy supply must comprise both high capacity nuclear power as well as large variation of renewable energy sources for minimization of all environmental effects and keeping energy price reasonable.

Adaptive optimization schemes for mobile VoIP applications Battery life and call quality aspects

In this thesis programmatic, application-layer means for better energy-efficiency in the VoIP application domain are studied. The work presented concentrates on optimizations which are suitable for VoIP-implementations utilizing SIP and IEEE 802.11 technologies. Energy-saving optimizations can have an impact on perceived call quality, and thus energy-saving means are studied together with those factors affecting perceived call quality. In this thesis a general view on a topic is given. Based on theory, adaptive optimization schemes for dynamic controlling of application's operation are proposed. A runtime quality model, capable of being integrated into optimization schemes, is developed for VoIP call quality estimation. Based on proposed optimization schemes, some power consumption measurements are done to find out achievable advantages. Measurement results show that a reduction in power consumption is possible to achieve with the help of adaptive optimization schemes.

Taajuusmuuttajaohjatun pumppukäytön simulointimallin kehittäminen ja testaus

Pumppukäytöt vastaavat noin neljänneksestä Euroopan sähkömoottoreissa kulutettavasta sähkötehosta. Energian kallistumisen vuoksi energian säästämisestä ja energiatehokkuudesta on tullut yhä tärkeämpää. Taajuusmuuttajat ovat tuoneet yksinkertaisen säätötavan, jolla suurimmassa osassa pumppukäyttöjä voidaan saada huomattavia energiasäästöjä. Koko energiansäästöpotentiaalin hyödyntämiseksi täytyy kuitenkin pumppujen toimintaa tarkkailla. Tarkkailu voidaan toteuttaa käyttämällä taajuusmuuttajan sisäisiä mittauksia pumpun toimintapisteen määrittämiseen. Tässä työssä muodostetaan kaksi simulointimallia, joilla voidaan tutkia pumppukäytön toimintapistettä ja energiatehokkuutta. Pumpattavan nesteen ominaisuuksien vaikutusta malleihin tutkitaan ja tapoja korjata virhettä selvitetään. Mallien tuottamia estimaatteja verrataan laboratorio ja pilot-kohteiden mittauksiin. Pilot-kohteiden avulla tutkitaan voidaanko simulointimalleja käyttää teollisuuden energiansäästöpotentiaalia omaavien pumppukäyttöjen havaitsemiseen.

Sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien elinkaarianalyysi

Tässä työssä on tarkasteltu sähkönjakeluverkon primäärikomponenttien elinkaaria niiden energiankulutuksen näkökulmasta. Työssä kerrotaan elinkaarianalyysin käyttämisestä tutkimusmenetelmänä erityisesti sähkönjakeluverkkojen tarkastelussa. Tarkasteltaviksi komponenteiksi on valittu 110 kV/20 kV sähköasemalta päämuuntajat ja keskijännitepuolen kojeistot, keskijännitejohtolähdön maakaapeli ja ilmajohtorakenteet sekä jake-lumuuntajat, pienjännitemaakaapelit ja -avojohdot. Työssä esitetään yksinkertainen menetelmä komponenttien elinkaarien aikana kuluvan energiamäärän ja siitä aiheutuvien CO2-päästöjen arviointiin. Lisäksi esitetään tuloksia tehdyistä esimerkkitarkasteluista ja analyysin lähtötietojen määrittämisestä. Työn tarkoitus on auttaa verkkoyhtiöitä arvioimaan komponentti-investointien kannattavuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Energiahäviöt ovat usein verkkoyhtiön suurin asiakas ja päästökaupan myötä myös CO2-päästöillä on hintansa. Energiatehokkaiden ratkaisujen käyttäminen on tullut entistä tärkeämmäksi komponentteja uusittaessa.

Sustainability of palm oil production and opportunities for Finnish technology and know-how transfer

The global demand for palm oil is growing, thus prompting an increase in the global production particularly in Malaysia and Indonesia. Such increasing demand for palm oil is due to palm oil’s relatively cheap price and versatile advantage both in edible and non-edible applications. Along with the increasing demand for palm oil, particularly for the production of biofuel, is a heated debate on its sustainability. Ecological degradation, climate change and social issues are among the main sustainability issues pressing the whole palm oil industry today. Clean Development Mechanism (CDM) projects fulfilling the imperatives of the Kyoto Protocol are starting to gain momentum in Malaysia as reflected by the increasing registration of CDM projects in the palm oil mills. Most CDM projects in palm oil mills are on waste-to-energy, cocomposting, and methane recovery with the latter being the most common. The study on greenhouse gases (GHG) in the milling process points that biogas collection and energy utilisation has the greatest positive effect on GHG balance. On the other hand, empty fruit bunches (EFB) end-use as energy and high energy efficiency of the mill have the least effect on GHG balance of the mill. The range of direct GHG emissions from the palm oil mill is from 2.5 to 27 gCO2e/MJCPO, while the range of GHG emissions with all indirect and avoided emissions included is from -9 to 29 gCO2e/MJCPO. Comparing this GHG balance result with that of the EU RES-Directive suggests a further check on the values and emissions consideration of the latter.

Energiatehokkuuden merkitys Suomen energiapolitiikassa

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää Suomen poliittisten päättäjien sekä heidän sidosryhmien mielipiteitä energiatehokkuuden lisäämisestä erityisesti yritysten näkökulmasta. Tämän lisäksi työssä selvitetään poliittisten päättäjien tärkeimpiä sidosryhmiä energiapoliittisia asioita käsiteltäessä. Tutkimuksen teoriaosassa keskitytään energiatehokkuuden kehittymiseen, energiatehokkuuden hyötyihin, keinoihin energiatehokkuuden edistämiseksi sekä uusimpiin energiatehokkuutta koskeviin strategioihin, lainsäädäntöihin ja sopimuksiin. Tutkimusaineisto kerätään laadullisella ja määrällisellä tutkimusmenetelmällä. Tarvittavan informaation saamiseksi suoritetaan eduskunnan talous-, tulevaisuus- ja ympäristövaliokunnalle kysely, joka toteutetaan Internetin välityksellä. Sidosryhmiltä tieto kerätään haastatteluilla. Tutkimustuloksien mukaan energiatehokkuuteen ei ole panostettu tarpeeksi Suomessa ja se on yksi keskeisimmistä keinoista torjua ilmastonmuutos. Yleisesti ottaen asenteet energiatehokkuuden lisäämiseksi ovat selvästi parantuneet viimevuosien aikana. Tärkeimmäksi sidosryhmäksi nousi selkeästi Työ- ja elinkeinoministeriö, mutta myös Energiateollisuus ry sekä kansalais- ja ympäristöjärjestöt koettiin tärkeiksi.

Interaktiivisen asiakasrajapinnan mahdollistamat energiatehokkuutta tukevat toiminnot ja niiden kannattavuus

Automaattisen mittarinluvun yleistyminen ja asiakkaan verkkoliitynnässä käytettävän tekniikan kehittyminen luovat pohjan uudentyyppisen interaktiivisen asiakasrajanpinnan synnylle. Se voi osaltaan mahdollistaa asiakkaan entistä joustavamman sähköverkkoon liitynnän sekä nykyistä reaaliaikaisemmat ja tarkemmat mittaukset. Näiden pohjalle on mahdollista kehittää erilaisia energiatehokkuutta tukevia toimintoja ja niihin perustuvia palveluita. Tämän työn tarkoituksena on tutkia interaktiivisen asiakasrajapinnan mahdollistamia energiatehokkuutta tukevia toimintoja. Lupaavimpia toimintoja, niiden kannattavuutta ja potentiaalia energiatehokkuuden parantamisessa analysoidaan tarkemmin. Lisäksi tarkastellaan niihin tarvittavaa tekniikkaa, mittaustietoja ja tiedonsiirtoa. Nykyinen tekniikka mahdollistaa useiden erilaisten energiatehokkuutta tukevien toimintojen toteuttamisen. Tässä työssä käsiteltiin tarkemmin energiayhtiön AMR-pohjaista tasehallintaa ja sähkön pienkuluttajien hintaohjausta. AMR-pohjaisen tasehallinnan havaittiin olevan oikein kohdennettuna kannattavaa. Sähkön hintaohjaus voi laajassa mittakaavassa toteutettuna olla kannattavaa, mutta yksittäiskohteissa sen toteutuksen kustannukset ovat liian suuret. Suurimpia ongelmia energiatehokkuutta tukevien toimintojen toteutuksen kannalta muodostavat usein kiinteät kustannukset sekä yleisten rajapin-tavaatimusten ja toimintamallien puute. Tuotteiden standardointi, sarjatuotanto sekä tekniikan kehittyminen voivat mahdollistaa kiinteiden kustannusten huomattavan pienenemisen ja tätä kautta toimintojen kustannustehokkuuden paranemisen. Kehittämällä uusia yhteisiä toimintamalleja ja tuotteita voidaan käytettävissä olevaa tekniikkaa hyödyntää tehokkaammin. Myös uudet näköpiirissä olevat nopeammat ja luotettavammat tiedonsiirtotekniikat voivat mahdollistaa reaaliaikaisemmat mittaustietojen ja signaalien välitykset, mikä usein parantaa toimintojen tehokkuutta ja kannattavuutta.