Lämmöntuotanto älykkäässä energiaverkossa

Energiaverkon edistäminen tulee olemaan tulevaisuudessa suuressa roolissa niin Suomessa kuin maailmalla. Tällöin yhtenä vaihtoehtona on älykkyyden tuominen koko energiajärjestelmään niin sähkön kuin lämmönkin osalta. Tällöin voidaan vähentää kulutushuippujen aikaista energian käyttöä ja saada koko verkoston energiankulutus profiili tasaiseksi. Tässä työssä tarkastellaan spot-sähkön hyödyntämismahdollisuuksia lämmöntuotannossa. Työssä kehitetyn mallinnustyökalun avulla tutkittiin erilaisia ajotapoja ja erilaisten järjestelmien kokonaiskustannuksia. Työssä esitellään esimerkkilaskennan avulla spot-sähkön käytöstä syntyviä kustannuksia ja keinoja vaikuttaa niihin eri järjestelmä muutoksin. Malli mahdollistaa erilaisten järjestelmien ja niiden ajotapojen tutkimista. Mallilla voidaan myös tutkia erilaisten alueiden kulutuskäyttäytymistä ja hyödyntää sitä kustannuslaskelmiin. Voidaan todeta, että työssä muodostunut malli on toimiva ja sitä voidaan hyödyntää alueellisten lämmöntuotantojärjestelmien ajotapojen optimointiin.

Kriteeristö energiatehokkuuden toteutumiseksi kaupungin julkisissa rakennushankkeissa

Työssä esitetään kriteeristö tehostamaan energiatehokkuuden toteutumista kaupungin julkisissa rakennushankkeissa. Kriteeristön tarkoituksena on edistää julkisen uudisrakennushankkeen energiatehokkuutta, ottaen huomioon hankkeen kokonaistaloudellisuus. Energiatehokkuutta ja kokonaistaloudellisuutta kunnallisessa rakentamisessa stimuloivat mm. kansainvälisten ja kansallisten sopimusten energiansäästötavoitteet, sekä kuntien tiukka budjettitilanne. Jotta kokonaistaloudellisuustavoitteet täyttyisivät, työssä käytettiin hyväksi elinkaariajattelutapaa. Työssä selvitettiin kirjallisuuden ja ammattilaisten haastattelujen tarjoaman tiedon pohjalta, mitkä näkökohdat vaikuttavat julkisen palvelurakennuksen energiatehokkuuteen sen elinkaaren eri vaiheissa. Hankitun tiedon avulla luotiin kaupungin rakennusinvestointien hankinnasta vastaavien tahojen käyttöön tarkoitettu kriteeristö, joka auttaa tunnistamaan ja valitsemaan energiatehokkuuden ja kokonaistaloudellisuuden kannalta parhaimmat hankkeen toteutustavat. Jatkotoimenpiteenä työssä laadittua kriteeristöä tullaan kehittämään edelleen case-kohteista saatavien kokemusten perusteella. Tutkimus osoitti, että uudisrakentamisen energiataloudellisuuden lisäksi on panostettava energiataloudelliseen korjausrakentamiseen, koska olemassa oleva rakennuskanta muodostaa merkittävän osan kaupungin energiankulutuksesta.

Comparison of sustainability of technologies for water desalination

The aim of this work is to perform an in-depth overview on the sustainability of several major commercialized technologies for water desalination and to identify the challenges and propose suggestions for the development of water desalination technologies. The overview of those technologies mainly focuses on the sustainability from the viewpoint of total capital investment, total product cost, energy consumption and global warming index. Additionally, a systematic sustainability assessment methodology has been introduced to validate the assessment process. Conclusions are:1) Reverse osmosis desalination (RO) plants are better than multi-stage flash distillation (MSF) desalination plants and multiple-effect distillation (MED) desalination plants from the viewpoint of energy consumption, global warming index and total production cost; 2)Though energy intensive, MSF plants and MED plants secure their advantages over RO plants by lower total capital investment, wider applicability and purer water desalted and they are still likely to flourish in energy-rich area;3) Water production stage and wastewater disposal stage are the two stages during which most pollutant gases are emitted. The water production stage alone contributes approximately 80~90% of the total pollutant gases emission during its life cycle; 4)The total capital cost per m3 desalted water decreases remarkably with the increasing of plant capacity. The differences between the capital cost per m3 desalted water of RO and other desalination plants will decrease as the capacity increases; 5) It is found that utilities costs serve as the major part of the total product cost, and they account for 91.16%, 85.55% and 71.26% of the total product cost for MSF, MED and RO plants, respectively; 6) The absolute superiority of given technology depends on the actual social-economic situation (energy prices, social policies, technology advancements).

Aurinkosähkön kannattavuustarkastelu jäähallilla

Tässä kandidaatintyössä selvitetään aurinkosähkön kannattavuutta jäähallissa. Tutkimuksessa huomioidaan paikallisten olosuhteiden kuten auringon säteilynmäärän, lämpötilan ja paneelien asennussuunnan vaikutus tuotetun aurinkosähkön määrään. Tuotannon soveltuvuutta arvioidaan vertaamalla simuloituja aurinkosähkön tuotantolukemia jäähallin sähkönkulutusprofiiliin. Sähkönkulutustiedot perustuvat etäluettavan sähkömittarin tunnittaisiin mittaustuloksiin. Investoinnin kannattavuutta arvioidaan yleisesti käytettyjen tunnuslukujen valossa, jotka lasketaan yksityiskohtaisen tarkastelun avulla. Lisäksi tunnuslukuja analysoidaan herkkyysanalyysiin avulla.

Effect of trolox C on cardiac contracture induced by hydrogen peroxide

Hydrogen peroxide (H2O2) perfused into the aorta of the isolated rat heart induces a positive inotropic effect, with cardiac arrhythmia such as extrasystolic potentiation or cardiac contractures, depending on the dose. The last effect is similar to the "stone heart" observed in reperfusion injury and may be ascribed to lipoperoxidation (LPO) of the membrane lipids, to protein damage, to reduction of the ATP level, to enzymatic alterations and to cardioactive compounds liberated by LPO. These effects may result in calcium overload of the cardiac fibers and contracture ("stone heart"). Hearts from male Wistar rats (300-350 g) were perfused at 31oC with Tyrode, 0.2 mM trolox C, 256 mM H2O2 or trolox C + H2O2. Cardiac contractures (baseline elevation of the myograms obtained) were observed when hearts were perfused with H2O2 (Tyrode: 5.9 ± 3.2; H2O2: 60.5 ± 13.9% of the initial value); perfusion with H2O2 increased the LPO of rat heart homogenates measured by chemiluminescence (Tyrode: 3,199 ± 259; H2O2: 5,304 ± 133 cps mg protein-1 60 min-1), oxygen uptake (Tyrode: 0.44 ± 0.1; H2O2: 3.2 ± 0.8 nmol min-1 mg protein-1) and malonaldehyde (TBARS) formation (Tyrode: 0.12 ± 0; H2O2: 0.37 ± 0.1 nmol/ml). Previous perfusion with 0.2 mM trolox C reduced the LPO (chemiluminescence: 4,098 ± 531), oxygen uptake (0.51 ± 0) and TBARS (0.13 ± 0) but did not prevent the H2O2-induced contractures (33.3 ± 16%). ATP (Tyrode: 2.84 ± 0; H2O2: 0.57 ± 0) and glycogen levels (Tyrode: 0.46 ± 0; H2O2: 0.26 ± 0) were reduced by H2O2. Trolox did not prevent these effects (ATP: 0.84 ± 0 and glycogen: 0.27 ± 0). Trolox C is known to be more effective than a -tocopherol or g -tocopherol in reducing LPO though it lacks the phytol portion of vitamin E to be fixed to the cell membranes. Trolox C, unlike vitamin A, did not prevent the glycogen reduction induced by H2O2. Trolox C induced a positive chronotropic effect that resulted in higher energy consumption. The reduction of energy level seemed to be more important than LPO in the mechanism of H2O2-induced contracture

Potential for Greenhouse Gas Emission Reductions by Using Biomethane as a Road Transportation Fuel

The aim of this thesis is to study whether the use of biomethane as a transportation fuel is reasonable from climate change perspective. In order to identify potentials and challenges for the reduction of greenhouse gas (GHG) emissions, this dissertation focuses on GHG emission comparisons, on feasibility studies and on the effects of various calculation methodologies. The GHG emissions calculations are carried out by using life cycle assessment (LCA) methodologies. The aim of these LCA studies is to figure out the key parameters affecting the GHG emission saving potential of biomethane production and use and to give recommendations related to methodological choices. The feasibility studies are also carried out from the life cycle perspective by dividing the biomethane production chain for various operators along the life cycle of biomethane in order to recognize economic bottlenecks. Biomethane use in the transportation sector leads to GHG emission reductions compared to fossil transportation fuels in most cases. In addition, electricity and heat production from landfill gas, biogas or biomethane leads to GHG reductions as well. Electricity production for electric vehicles is also a potential route to direct biogas or biomethane energy to transportation sector. However, various factors along the life cycle of biomethane affect the GHG reduction potentials. Furthermore, the methodological selections have significant effects on the results. From economic perspective, there are factors related to different operators along the life cycle of biomethane, which are not encouraging biomethane use in the transportation sector. To minimize the greenhouse gas emissions from the life cycle of biomethane, waste feedstock should be preferred. In addition, energy consumption, methane leakages, digestate utilization and the current use of feedstock or biogas are also key factors. To increase the use of biomethane in the transportation sector, political steering is needed to improve the feasibility for the operators. From methodological perspective, it is important to recognize the aim of the life cycle assessment study. The life cycle assessment studies can be divided into two categories: 1.) To produce average GHG information of biomethane to evaluate the acceptability of biomethane use compared to fossil transportation fuels. 2.) To produce GHG information of biomethane related to actual decision-making situations. This helps to figure out the actual GHG emission changes in cases when feedstock, biogas or biomethane are already in other use. For example directing biogas from electricity production to transportation use does not necessarily lead to additional GHG emission reductions. The use of biomethane seems to have a lot of potential for the reduction of greenhouse gas emissions as a transportation fuel. However, there are various aspects related to production processes, to the current use of feedstock or biogas and to the feasibility that have to be taken into account.

Kiinteistöautomaatio osana älykkäitä sähköjärjestelmiä

Työssä tarkasteltiin älykkäiden sähköverkkojen näkökulmasta, millaisia toiminnallisuuksia kiinteistöautomaatiojärjestelmiltä odotetaan ja miten markkinoilla olevat järjestelmät vastaavat näihin odotuksiin. Lisäksi arvioitiin, kuinka taloudellisesti kannattavia valittuihin automaatiojärjestelmiin kuuluvat energian käytön hallintaan liittyvät toiminnallisuudet ovat sähkönkäyttäjien näkökulmasta. Lopuksi tehtiin lyhyt katsaus kiinteistöautomaatiojärjestelmien tulevaisuuden näkymiin. Kiinteistöautomaatiolla voidaan vaikuttaa energian käytön tehokkuuteen ohjaamalla esimerkiksi valaistusta, ilmanvaihtoa, ilmastointia, lämmitystä ja sähkölaitteita. Eräs vaihtoehto on toteuttaa ohjauksen avulla markkinapohjaista kysyntäjoustoa, jossa kiinteistön sähköjärjestelmän toimintaa säädetään sähkön hinnan perusteella. Kiinteistössä tulee myös voida tehdä laitekohtaisia energiankulutuksen mittauksia, jotka antavat tietoa sähkönkäyttäjille eri laitteiden sähkönkulutuksesta. Kiinteistöautomaation ja sähkön pientuotannon yleistymisen myötä on myös etähallittavien virtuaalivoimaloiden toteuttaminen tulossa mahdolliseksi. Lisäksi laskettiin sähkönkäyttäjän kannalta lämmityksen, valaistuksen ja ilmanvaihdon ohjauksen kannattavuutta ja selvitettiin, että tutkituissa esimerkkijärjestelmissä suurin säästöpotentiaali on lämmityksen ohjauksessa.

Pohjapaperin kustannusrakenteen optimointi

Kilpailulliset tekijät ovat johtaneet paperin valmistajat miettimään keinoja valmistuskustannusten leikkaamiseksi. Yksi keino on optimoida raaka-aineiden käyttöä, jota on tehty tässä diplomityössä. Työn tarkoitus on selvittää koeajoin mahdollisuudet kalliimpien raaka-aineiden korvaamiseen edullisemmilla, säilyttäen kuitenkin pohjapaperin laadulliset ominaisuudet. Työ on toteutettu UPM Kymmene Oyj:n Jokilaakson tehtailla, Jämsänkosken paperitehtaan Tarrapaperit-osastolla. Työssä on käytetty apuna tietokoneohjelmia mallintamaan ja simuloimaan paperissa ja paperin kustannusrakenteessa tapahtuvia muutoksia, mutta merkittävimmässä asemassa ovat olleet koeajot ja erilaisten näytteiden käsittely. Raaka-aineina käytettävien massojen osuuksien optimoinnilla on saatu aikaiseksi merkittäviä kustannussäästöjä, mutta työn yhteydessä on löydetty myös keinoja säästöjen saavuttamiseksi energiankulutusta järkevöittämällä. Luotu malli auttaa jatkossa kustannusrakenteen seurannassa. Mäntysellun osuuden laskulla ja täyteaineen osuuden nostolla saavutetaan merkittävimmät kustannussäästöt, kemihierteellä vaikutus kustannuksiin on vähäisempi. Sähköenergiaa vievä kuitujen jauhatus on järjestetty paperikone 3:lla uudella tavalla, jolla on paitsi saavutettu säästöä energiassa, parannettu myös paperin lujuutta.

Esikäsittelyn vaikutus sahajauhon jauhautumiseen sekä energiankulutukseen vasaramyllyllä

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli perehtyä bioetanolin eri valmistusvaiheisiin ja sen valmistuksessa käytettäviin raaka-aineisiin sekä myöskin tutkia eri esikäsittelymenetelmien vaikutusta sahajauhojen jauhautumiseen sekä energiankulutukseen, kun niitä jauhetaan vasaramyllyllä. Kirjallisuusosassa keskityttiin paljon aineksen hienonnukseen, sillä varsinkin biomassat tulee hienontaa, jotta halutut kemialliset reaktiot saataisiin tapahtumaan riittävän tehokkaasti. Kokeellisessa osassa tutkittiin eripituisien vesiliotuksien sekä emäs-käsittelyn vaikutusta sahajauhon jauhautumiseen sekä jauhautumisen energiankulutukseen, kun niitä jauhettiin vasaramyllyllä. Tutkimuskysymyksinä tässä työssä oli: Miten vesiliotus sekä liotus emäksisessä liuoksessa vaikuttaa eri sahajauhojen jauhautumiseen vasaramyllyllä?, Millaisia vaikutuksia esikäsittelyillä on myllyn energiankulutukseen?, Miten esikäsittelyt vaikuttavat jauhautumistuotteiden partikkelikokoihin?. Tuloksista käy ilmi, että 1. ja 3. tunnin vesiliotukset eivät olleet riittäviä sillä mylly ei jaksanut jauhaa minkään puulaadun sahajauhoja näillä ajoilla. Yleisesti tuloksista huomattiin, että haapajauhon jauhamiseen kului kaikkein eniten energiaa, riippumatta esikäsittelytekniikasta, mutta haapa myös jauhautui parhaiten pH-esikäsittelyn tuloksena.  

Kaksivaiheisen lämmöntalteenottoprosessin soveltuvuus poistoilmanvaihtoiseen kerrostaloon

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella perinteistä poistoilmanvaihtoa käyttävän kerrostalon lämmöntalteenottoa menetelmällä, joka yhdistää poistoilmalämpöpumpun ja maalämpöpumpun toiminnat. Nostamalla maalämpöpumpulle tulevan veden lämpötilaa saadaan nostettua järjestelmän COP-arvoa, jolla on suuri merkitys laitteen energiateknisen toiminnan kannalta. Laskelmat tehtiin Suomen rakennusmääräyskokoelman ohjeiden mukaisesti käyttämällä MX6- energiaohjelmaa sekä simuloimalla kylmäprosessia. Tulokset yhdistettiin taulukkolaskentaohjelmassa, ja näin saatiin teoreettinen säästölaskelma, joka perustuu arvioituun kuukausittaiseen energian keskikulutukseen, ts. taseeseen. Työssä todettiin, että poistoilmalämpöpumppu saattaisi kuluttaa poistoilman lämmöntalteenotossa liikaa sähköä, työssä tarkoitetulla tavalla. Kulutus olisi enemmän kuin maalämpöpumpun COP-arvon parantamisella saatava rahallinen hyöty. Koneellisen poistoilman välittämän energian tehokas käyttö on kuitenkin yksi mahdollisuus säästää maalämpöreikien poraamisessa, jos kerrostalossa harkittaisiin kokonaan maalämpöön siirtymistä.

Viilun kuivauksen energiatehokkuuden parantaminen

Tämän työn tavoitteena on parantaa viilun kuivauksen energiatehokkuutta. Työssä käsitellään puun rakennetta kuivauksen kannalta, kuivumiseen liittyviä lämmönja massansiirron ilmiöitä ja nykyisiä viilun kuivaus koneita. Viilun kuivaamisen energiansäästö mahdollisuuksissa keskitytään pääasiassa kuivaajan lämmön talteenottoon ja kiertopuhaltimien sähkötehon pienentämiseen. Työn tulosten perusteella viilun kuivauksen energiatehokkuutta voidaan parantaa huomattavasti.

Lämpövuoanturin mittauselektroniikan suunnittelu ja toteutus

Energian kulutuksen vähentäminen ja sen tutkiminen on kasvavan kiinnostuksen kohteena. Syntyneen lämmön mittaaminen on yksi tapa mitata energian siirtymistä. Lämpötilan mittaaminen on yleistä, vaikka usein on merkittävämpää selvittää missä ja miten lämpöenergia on siirtynyt. Tästä syystä tarvitaan lämpövuoantureita, jotka reagoivat suoraan lämpövuohon eli lämpöenergian siirtymiseen. Tässä tutkimuksessa suunnitellaan ja toteutetaan lämpövuoanturin mittauselektroniikka vaativaan käyttöympäristöön. Työssä käytettävän gradienttilämpövuoanturin tuottama jännitesignaali on mikrovolttiluokkaa ja ympäristön aiheuttama kohina voi olla huomattavasti suurempi. Tämän takia anturin tuottamaa signaalia on vahvistettava, jotta sitä voidaan mitata luotettavasti. Tutkimuksessa keskitytään vahvistimen suunnitteluun, mutta suunnittelussa on otettava huomioon koko järjestelmä. Anturin sähköiset ominaisuudet ja ympäristö asettavat rajoitteita vahvistimelle. Tavoitteena on selvittää miten voidaan mitata mikrovolttien jännitesignaalia mahdollisimman suurella taajuuskaistalla vaativassa käyttöympäristössä. Työn tuloksena syntyi mittalaite, jota voidaan käyttää vaativassa ympäristössä lämpövuon mittaamiseen. Suunnitteluparametrien mukainen vahvistus ja päästökaista sekä offset-jännitteen ryömintä saavutettiin suunnitellulla mittalaitteella, mutta offsetjännite ja kohina olivat hieman suunniteltua suuremmat. Mittalaitteella ja lämpövuoanturilla havaittiin selvästi lämpövuon muutoksia keinotekoisilla herätteillä.

Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.

Foreign Direct Investment, Clean Development Mechanism, and Environmental Management: A case of Sub-Saharan Africa

This doctoral dissertation explores the contribution of environmental management practices, the so-called clean development mechanism (CDM) projects, and foreign direct investment (FDI) in achieving sustainable development in developing countries, particularly in Sub- Saharan Africa. Because the climate change caused by greenhouse gas emissions is one of the most serious global environmental challenges, the main focus is on the causal links between carbon dioxide (CO2) emissions, energy consumption, and economic development in Sub-Saharan Africa. In addition, the dissertation investigates the factors that have affected the distribution of CDM projects in developing countries and the relationships between FDI and other macroeconomic variables of interest. The main contribution of the dissertation is empirical. One of the publications uses crosssectional data and Tobit and Poisson regressions. Three of the studies use time-series data and vector autoregressive and vector error correction models, while two publications use panel data and panel data estimation methods. One of the publications uses thus both timeseries and panel data. The concept of Granger causality is utilized in four of the publications. The results indicate that there are significant differences in the Granger causality relationships between CO2 emissions, energy consumption, economic growth, and FDI in different countries. It appears also that the causality relationships change over time. Furthermore, the results support the environmental Kuznets curve hypothesis but only for some of the countries. As to CDM activities, past emission levels, institutional quality, and the size of the host country appear to be among the significant determinants of the distribution of CDM projects. FDI and exports are also found to be significant determinants of economic growth.

Sähkön laadun tutkimus hypermarketin pysäköintihallin valaistustekniikkamuutoksessa

Talotekniikan alalla valaistusmuutoksissa LED-valaistus on nykypäivää. Valaistuksen käyttöominaisuudet ja hyödyt tekevät siitä perustellun valinnan myös suurissa kohteissa. Näistä laajemmista valaistuksen muutoksista ja niiden vaikutuksista sähkön laatuun ei ole yleisesti mittaustietoa. Tämä tutkimus perustui sähkön laadun käytännön mittauksiin valaistusmuutoksessa, jossa elohopeahöyrylampuilla toteutettu valaistus vaihdettiin LED-valaistukseen hypermarketin pysäköintihallissa. Valaistusjärjestelmän muutoksen vaikutusta sähkön laatuun tutkittiin vertailemalla mittaustuloksia vanhan ja uuden järjestelmän välillä. Tutkimuksen tarkoituksena oli osoittaa miten LED-valaistukseen siirtyminen vaikuttaa sähkön laatuun valitussa tutkimuskohteessa. Tutkimuksessa tuotettu tieto on hyödynnettävissä vastaavissa kohteissa LED-valaistukseen siirryttäessä sekä valaistuksen käyttöönoton suunnittelussa ja toteuttamisessa. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää myös kustannusten arvioimisessa valaistavan tilan sähkönkulutuksen osalta. Tutkimus toteutettiin käyttämällä triangulaatiomenetelmää eli teemahaastattelulla, kirjallisuuskatsauksella ja käytännön mittauksilla. Näiden menetelmien tulokset tukivat tutkimukselle asetettuja hypoteeseja. Valitulla tutkimusmenetelmällä saatiin selville, että LED-valaistukseen siirtymisellä ei ollut heikentäviä vaikutuksia sähkön laatuun tutkitun kohteen valaistusjärjestelmässä. Toisaalta positiivisina vaikutuksina huomioitiin muun muassa merkittävä energian säästö, virran harmonisten häiriöiden väheneminen sekä kokonaistehokertoimen parantuminen.