Sähkön ja lämmön yhteistuotanto biopolttoaineilla, alueellinen selvitys - Tutkimusraportti

Globaali ilmaston lämpeneminen ja tunnettujen energiavarojen ehtyminen ovat lisääntyvässä määrin maailmanlaajuisia huolenaiheita. Tietoisuus kulutuksen kasvun ja fossiilisten polttoaineiden käytön aiheuttamasta ympäristönmuutoksesta on merkittävästi kasvanut, ja osana kestävää kehitystä Euroopan Unionin vuoden 2020 välitavoitteena on vähentää kasvihuonepäästöjä 20 prosentilla vuoden 1990 tasosta, parantaa energiatehokkuutta 20 prosentilla, ja lisätä uusiutuvien energialähteiden osuus 20 prosenttiin. Suomen sitovaksi tavoitteeksi EU on määritellyt uusiutuvan energian osuudeksi 38 % kokonaisenergian kulutuksesta vuoteen 2020 mennessä. Suomen tavoitetta voi pitää varsin haasteellisena ja näin ollen tavoitteiden saavuttaminen edellyttää myös, että Suomessa käyttöönotetaan monipuolisia energiatehokkuutta parantavia ja erilaista tuotantoteknologiaa hyödyntäviä ratkaisuja. Biopolttoaineita käyttävä pienen kokoluokan yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto (CHP) voi osaltaan tarjota yhden ratkaisun varmistaa kestävä kehitys. Hajautetusti toimivat kiinteää biopolttoainetta, kuten metsätähdehaketta esimerkiksi maatiloilla, kasvihuoneilla ja pkteollisuudessa käyttävät pien-CHP laitokset lisäävät energiaomavaraisuutta, työllisyyttä ja maaseudun elinvoimaa. Sähkön ja lämmön yhteistuotanto – hankekokonaisuus sisälsi kolme erillistä projektia; (1) Bio-CHP tutkimus- ja opetuslaboratorion kehittäminen, (2) Biovoima Innoverkko, ja (3) Sähkön ja lämmön yhteistuotanto biopolttoaineilla, alueellinen selvitys. Näissä projekteissa on (1) tutkittu, koekäytetty, testattu ja mallinnettu pienen kokoluokan (laitoksen polttoaineteho alle 3 MW) CHP-laitteistoa laboratorio-olosuhteissa, (2) koulutettu ja konsultoitu potentiaalisia asiakkaita, laitevalmistajia ja energiayrityksiä sekä (3) kartoitettu markkinapotentiaalia, potentiaalisia asiakkaita ja alan toimijoita sekä tehty esiselvityksiä käyttökohteiden kannattavuudesta. Hankekokonaisuuden yhteydessä Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa laboratoriossa koekäytössä oleva CHPratkaisu perustuu Stirling-moottorin tai vaihtoehtoisesti mikroturbiinin käyttöön hakelämmityskattilalaitoksen yhteydessä. Kaupalliseen vaiheeseen edetessään pienen kokoluokan CHP-tuotanto voidaan arvioida kannattavaksi, koska sen avulla voidaan muun muassa saavuttaa kustannussäästöjä, vähentää päästöjä, ja lisätä sähköntuotannon omavaraisuutta sekä tukea alueellista työllisyyttä. Tässä hankkeessa (3) tutkittiin pienen kokoluokan hajautetun CHP-teknologian markkinapotentiaalia yleisesti Suomessa ja Kaakkois-Suomessa, tarkasteltiin alueellisia primäärienergialähteitä, ja tutkittiin laitetoimittajia, energiayrityksiä sekä niiden liiketoimintaverkostoja. Alueellisen selvityksen tueksi tutkittavia asioita tarkasteltiin osittain myös laajemmin muun muassa vertaisarvioinnin ja riittävän suuren otoskoon varmistamiseksi. Hankkeessa konsultoitiin potentiaalisia CHP-käyttökohteita ja tehtiin esiselvitykset kahdeksan kohteen teknis-taloudellisesta kannattavuudesta. Konsultoinneissa ja esiselvityksissä hyödynnettiin kehitettyä teknis-taloudellista laskentamallia. Hankkeen tulosten pohjalta laadittiin yleisohje soveltuvuusselvitysten tekemiseksi sekä suositus bioenergian alueelliseksi kehittämiseksi hajautetussa CHP-tuotannossa. Vuoden 2011 alussa voimaan tullut laki uusiutuvilla energialähteillä tuotetun sähkön tuotantotuesta on tarkoitettu tukemaan tuulivoimalla, biokaasulla ja puupolttoaineella tuotettua sähkön tuotantoa. Syöttötariffijärjestelmään hyväksytty sähkön tuottaja osallistuisi sähkömarkkinoille, ja tuottajalle maksettaisiin määräajan tukea markkinahinnan ja tuotantokustannusten välisen eron kattamiseksi. Jotta metsähakevoimala yleisten kelpoisuusehtojen täytyttyä voitaisiin hyväksyä syöttötariffin piiriin, pitää lisäksi laitoksen generaattoreiden nimellistehon olla vähintään 100 kW. Nykytekniikalla ja nykyisillä laitosten hyötysuhteilla tämä tarkoittaa sitä, että CHP-laitoksen kokonaistehon tulisi olla suuruusluokaltaan noin 500 kW. Näin ollen syöttötariffijärjestelmä ei kannusta pienimpiä laitoksia bioenergialla tuotetun sähkön myyntiin, ja näissä tapauksissa onkin arvioitava ainoastaan omakäyttösähkön merkitystä. Lämpö- ja CHP-laitosten polttoaineen hankintaketjua tuleva laki pienpuun energiatuesta (Petu) on hyväksytty eduskunnassa ja tulee voimaan asetuksella, mikäli Euroopan komissio hyväksyy uuden valtiontukijärjestelmän. Pienpuun energiatuki korvaa aiemmat Kemera-lain mukaiset korjuu- ja haketustuet. Tukea maksetaan nuoren metsän hoidon tai ensiharvennuksen yhteydessä saatavasta energiapuusta, mutta ei päätehakkuiden energiapuusta. Maa- ja puutarhataloudessa potentiaalisimpia käyttökohteita ovat suurehkot sika- ja siipikarjatilat, joiden lämmön ja sähkön kulutus on jo merkittävää. Kasvihuoneet ovat jo keskikokoisina huomattavia sähkön ja lämmön kuluttajia, ja siten potentiaalisia kohteita. Yleisesti tilojen määrän ennustetaan jo lähivuosien aikana vähenevän ja tilakoon kasvavan merkittävästi. Suurempi yksikkökoko luonnollisesti merkitsee mahdollisesti parantuneesta energiatehokkuudesta huolimatta yleensä suurempaa energian tarvetta ja siten potentiaalista kiinteää biomassaa käyttävää CHP-kohdetta. Pk-teollisuudessa luontevia käyttökohteita ovat esimerkiksi mekaanisen metsäteollisuuden laitokset sekä yleisestikin teollisuuskohteet, joiden energian kulutus on kohtalainen ja suhteellisen tasainen. Niin ikään suurehkot kiinteistöt, kuten esimerkiksi hotellit ja vanhainkodit, ovat potentiaalisia käyttökohteita. Olemassa olevat aluelämpölaitokset voivat ottaa CHP-teknologian käyttöön esimerkiksi laitoksen peruskorjauksen tai uusimisen yhteydessä. Kaiken kaikkiaan Kaakkois-Suomessa voidaan arvioida olevan maatiloilla, kasvihuoneissa, pk-teollisuudessa ja lämpölaitoksissa yhteensä useita kymmeniä potentiaalisia käyttökohteita. Arvioitaessa Kaakkois-Suomen kiinteitä bioenergiapotentiaaleja, keskeisin on metsäenergia, jonka teknistaloudellinen potentiaali on arvioitu olevan alle 2000 GWh, mitä voidaan pitää varsin konservatiivisena arviona. Peltoenergiapotentiaaliksi on arvioitu noin 400 GWh. Metsätähdehaketta kuljetetaan myös maakuntien välillä, vaikka kuljetusmatkat tulisi rajoittaa enintään 50–100 km etäisyydelle käyttöpaikasta kannattavuuden turvaamiseksi. Energiapuun voidaan arvioida riittävän pienen kokoluokan CHPteknologian lisääntyvään tarpeeseen, mutta alueellisesti polttoaineen saatavuuteen ja hintaan vaikuttavat olennaisesti esimerkiksi suurten CHP-laitosten mahdollisesti lisääntyvä metsähakkeen käyttö. Metsäteollisuuden ainespuun käytöllä on keskeinen rooli energiapuun saantoon. Lisäksi metsänomistajien todellinen halukkuus energiapuun myyntiin vaihtelee, ja esimerkiksi kantojen hyödyntäminen biopolttoaineena jakaa mielipiteitä. Hankkeessa tutkittiin ja haastateltiin 26 lämpöyritystä ja 26 lämpölaitostoimittajaa eri puolella Suomea sekä 19 potentiaalista CHP-laitevalmistajaa Kaakkois-Suomessa. Lämpöyrittäjyys on varsin paikallista toimintaa, joka on voimakkaasti kasvamassa. Lämpöyrittäjien hoitamia kohteita on Suomessa tällä hetkellä noin 450. Lämpölaitoksen ja lämpöverkon omistaa usein esimerkiksi kunta, ja lämpöyrittäjä hankkii polttoaineen, huolehtii laitoksen toiminnasta ja saa tuoton myydystä energiasta. Tyypillisesti lämpöyrityksellä ja –yrittäjällä on yhteistyötä paitsi polttoainetoimittajien ja asiakkaidensa kanssa, niin myös erilaisia huolto- ja muita palveluita tarjoavien tahojen, lämpölaitoksen kokonais- ja komponenttitoimittajien, ja muiden lämpöyrittäjien kanssa. Merkittävimmät laitevalmistajat ovat maantieteellisesti painottuneet Länsi- ja Etelä- Suomeen. Valmistajat ovat pääosin pk-yrityksiä, joista muutama on osa isompaa konsernia. Yritykset valmistavat tyypillisesti muun muassa lämpökattiloita, poltinteknologiaa, kuljettimia ja automaatiojärjestelmiä. Harva yritys valmistaa kaikki lämpölaitoksen komponentit itse, mutta useat kykenevät suunnittelemaan ja toimittamaan asiakkaille kokonaisia laitoksia avaimet käteen periaatteella liiketoimintaverkostojaan hyödyntäen. Laajimmillaan yritysten liiketoimintaverkostoihin voi kuulua asiakkaita, alihankkijoita, muita laitevalmistajia, kilpailijoita ja muita palveluiden tarjoajia. Kaakkois-Suomessa on huomattava yrityskanta konepaja-, automaatio-, hydrauliikka-, sähkö- ja LVI-yrityksiä, ja osa näistä yrityksistä on toiminut muun muassa metsäteollisuuden alihankkijoina. Metsäteollisuuden rakennemuutoksen myötä yritykset joutuvat osittain suuntaamaan liiketoimintaansa muualle, ja kyseisillä yrityksillä on perusosaamista ja kyvykkyyttä palvella energia-alaa, kuten esimerkiksi toimittaa komponentteja, laitteita tai palveluita CHP-laitostoimituksiin. Liiketoiminnan suuntaaminen uudelle toimialalle ja mahdollisten omien tuotteiden suunnittelu, valmistus ja markkinointi edellyttää kuitenkin merkittäviä panostuksia ja riskinsietokykyä. Kaiken kaikkiaan tutkitut lämpöyritykset, laitostoimittajat ja potentiaaliset laitetoimittajat suhtautuivat varovaisen positiivisesti pien-CHP:n tarjoamiin mahdollisuuksiin. Pien-CHP teknologian todettiin vielä vaativan kuitenkin kehittämistä, ja toisaalta yhteiskunnan tukitoimenpiteet nähtiin välttämättöminä, jotta bioenergiaa hyödyntävät pien-CHP ratkaisut voisivat yleistyä. Hankkeessa tutkittiin syvällisemmin erityyppisiä potentiaalisia bio-CHP kohteita, joista tehtiin esiselvitystasoiset soveltuvuus- ja kannattavuusarviot. Halukkuutta esiselvitysten tekemiseen olisi potentiaalisilta asiakkailta todennäköisesti löytynyt enemmän, mikäli bioenergiaa hyödyntävät pienen kokoluokan CHP-ratkaisut olisivat olleet lähempänä kaupallista sovellusta ja yhteiskunnan tukijärjestelmät bioenergialle valmiimpia sekä kattaneet paremmin myös pienen kokoluokan laitokset. Käyttökohteet olivat hyvin yksilöllisiä eikä niiden perusteella ollut mahdollista muodostaa yleispätevää mallia soveltuvuuden ja kannattavuuden arvioimiseksi. Teknologisten ratkaisujen vielä kehittyessä tarkkoja arvioita laitekustannuksista ei niin ikään ollut mahdollista esittää. Voidaan kuitenkin arvioida, että laitehinnat tulevat merkittävästi alenemaan kaupallisten ratkaisujen yleistyessä. Käyttökohteen kannattavuutta eivät itsestään selvästi turvaa myöskään yhteiskunnan tukijärjestelmät, vaikka laitos kuuluisikin kyseisten tukien piiriin. Olennaista investoinnin kannattavuuden kannalta on riittävän iso ja tasainen sähkön ja lämmön kulutus käyttökohteessa sekä polttoaineen ja energiahintojen tuleva kehitys. Kiinteitä biopolttoaineita kuten metsähaketta käyttävä pienen kokoluokan hajautettu CHP-teknologia on vielä kehittymässä, ja mennee vielä muutama vuosi ennen kuin kaupalliset ratkaisut yleistyvät merkittävästi. Yhteiskunnan tukimuodot kuten esimerkiksi syöttötariffijärjestelmä eivät niin ikään parhaalla mahdollisella tavalla tue kaikkein pienimmän kokoluokan CHP-investointeja. Pien-CHP ratkaisujen kaupallistumisen myötä Kaakkois-Suomella on yhtäläiset mahdollisuudet yhdessä muun Suomen kanssa kehittyä hajautetun bioenergian entistä kokonaisvaltaisemmaksi hyödyntäjäksi Avainsanat: sähkön ja lämmön yhteistuotanto, combined heat and power (CHP), mikroturbiini, stirling, syöttötariffi, biopolttoaine, metsähake, lämpöyrittäjä, lämpölaitosvalmistaja, maatila

Gene Regulation in The Human Immune System. Gene Expression Signatures of Th2 Cell Differentiation, Type 1 Diabetes, and Intrauterine Immune Adaptation

The human immune system is constantly interacting with the surrounding stimuli and microorganisms. However, when directed against self or harmless antigens, these vital defense mechanisms can cause great damage. In addition, the understanding the underlying mechanism of several human diseases caused by aberrant immune cell functions, for instance type 1 diabetes and allergies, remains far from being complete. In this Ph.D. study these questions were addressed using genome-wide transcriptomic analyses. Asthma and allergies are characterized by a hyperactive response of the T helper 2 (Th2) immune cells. In this study, the target genes of the STAT6 transcription factor in naïve human T cells were identified with RNAi for the first time. STAT6 was shown to act as a central activator of the genes expression upon IL-4 signaling, with both direct and indirect effects on Th2 cell transcriptome. The core transcription factor network induced by IL-4 was identified from a kinetic analysis of the transcriptome. Type 1 diabetes is an autoimmune disease influenced by both the genetic susceptibility of an individual and the disease-triggering environmental factors. To improve understanding of the autoimmune processes driving pathogenesis in the prediabetic phase in humans, a unique series of prospective whole-blood RNA samples collected from HLA-susceptible children in the Finnish Type 1 Diabetes Prediction and Prevention (DIPP) study was studied. Changes in different timewindows of the pathogenesis process were identified, and especially the type 1 interferon response was activated early and throughout the preclinical T1D. The hygiene hypothesis states that allergic diseases, and lately also autoimmune diseases, could be prevented by infections and other microbial contacts acquired in early childhood, or even prenatally. To study the effects of the standard of hygiene on the development of neonatal immune system, cord blood samples from children born in Finland (high standard of living), Estonia (rapid economic growth) and Russian Karelia (low standard of living) were compared. Children born in Russian Karelia deviated from Finnish and Estonian children in many aspects of the neonatal immune system, which was developmentally more mature in Karelia, resembling that of older infants. The results of this thesis offer significant new information on the regulatory networks associated with immune-mediated diseases in human. The results will facilitate understanding and further research on the role of the identified target genes and mechanisms driving the allergic inflammation and type 1 diabetes, hopefully leading to a new era of drug development.

Biogas production in regional integrated biodegradable waste treatment – Possibilities for improving energy performance and reducing GHG emissions

The greatest threat that the biodegradable waste causes on the environment is the methane produced in landfills by the decomposition of this waste. The Landfill Directive (1999/31/EC) aims to reduce the landfilling of biodegradable waste. In Finland, 31% of biodegradable municipal waste ended up into landfills in 2012. The pressure of reducing disposing into landfills is greatly increased by the forthcoming landfill ban on biodegradable waste in Finland. There is a need to discuss the need for increasing the utilization of biodegradable waste in regional renewable energy production to utilize the waste in a way that allows the best possibilities to reduce GHG emissions. The objectives of the thesis are: (1) to find important factors affecting renewable energy recovery possibilities from biodegradable waste, (2) to determine the main factors affecting the GHG balance of biogas production system and how to improve it and (3) to find ways to define energy performance of biogas production systems and what affects it. According to the thesis, the most important factors affecting the regional renewable energy possibilities from biodegradable waste are: the amount of available feedstock, properties of feedstock, selected utilization technologies, demand of energy and material products and the economic situation of utilizing the feedstocks. The biogas production by anaerobic digestion was seen as the main technology for utilizing biodegradable waste in agriculturally dense areas. The main reason for this is that manure was seen as the main feedstock, and it can be best utilized with anaerobic digestion, which can produce renewable energy while maintaining the spreading of nutrients on arable land. Biogas plants should be located close to the heat demand that would be enough to receive the produced heat also in the summer months and located close to the agricultural area where the digestate could be utilized. Another option for biogas use is to upgrade it to biomethane, which would require a location close to the natural gas grid. The most attractive masses for biogas production are municipal and industrial biodegradable waste because of gate fees the plant receives from them can provide over 80% of the income. On the other hand, directing gate fee masses for small-scale biogas plants could make dispersed biogas production more economical. In addition, the combustion of dry agricultural waste such as straw would provide a greater energy amount than utilizing them by anaerobic digestion. The complete energy performance assessment of biogas production system requires the use of more than one system boundary. These can then be used in calculating output–input ratios of biogas production, biogas plant, biogas utilization and biogas production system, which can be used to analyze different parts of the biogas production chain. At the moment, it is difficult to compare different biogas plants since there is a wide variation of definitions for energy performance of biogas production. A more consistent way of analyzing energy performance would allow comparing biogas plants with each other and other recovery systems and finding possible locations for further improvement. Both from the GHG emission balance and energy performance point of view, the energy consumption at the biogas plant was the most significant factor. Renewable energy use to fulfil the parasitic energy demand at the plant would be the most efficient way to reduce the GHG emissions at the plant. The GHG emission reductions could be increased by upgrading biogas to biomethane and displacing natural gas or petrol use in cars when compared to biogas CHP production. The emission reductions from displacing mineral fertilizers with digestate were seen less significant, and the greater N2O emissions from spreading digestate might surpass the emission reductions from displacing mineral fertilizers.

Räjähdyshitsausliitoksen tutkiminen

Työn taustalla on varioitunut sekaliitos Baltic Workboats AS:n aluksessa. Baltic Workboats AS käyttää aluksissaan terästä ja alumiinia, joiden liittäminen keskenään sulahitsauksella on todella hankalaa mm. materiaalien hyvin erilaisten ominaisuuksien vuoksi. Ratkaisuna teräksen ja alumiinin sovittamiseen keskenään yritys käyttää räjähdyshitsattua triplate-tankoa, mikä mahdollistaa sulahitsausprosessien käyttämisen toimien ”siltana” erimateriaalien välillä. Kandidaatintyön tavoitteena on selvittää käytetyn sekaliitoksen hajoamiseen johtaneet virheet, onko hajoamiseen johtanut virhe tapahtunut varsinaisessa räjähdyshitsausvaiheessa, vai onko sekaliitos vaurioitunut jälkeenpäin suoritetun sulahitsausvaiheen ”liian” suuresta lämmöntuonnista. Työ on rajattu käsittelemään räjähdyshitsauksen teoriaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Työssä syvennytään tarkastelemaan vioittunutta liitosta, ja siihen liittyviä hieiden mikro- ja makrokuvia, sekä kovuuskokeita.

Experimental Studies on Non-Metallic Composite Bone Implants With a Special Reference to Staphylococcal Biofilm Infection

Non-metallic implants made of bioresorbable or biostable synthetic polymers are attractive options in many surgical procedures, ranging from bioresorbable suture anchors of arthroscopic surgery to reconstructive skull implants made of biostable fiber-reinforced composites. Among other benefits, non-metallic implants produce less interference in imaging. Bioresorbable polymer implants may be true multifunctional, serving as osteoconductive scaffolds and as matrices for simultaneous delivery of bone enhancement agents. As a major advantage for loading conditions, mechanical properties of biostable fiber-reinforced composites can be matched with those of the bone. Unsolved problems of these biomaterials are related to the risk of staphylococcal biofilm infections and to the low osteoconductivity of contemporary bioresorbable composite implants. This thesis was focused on the research and development of a multifunctional implant model with enhanced osteoconductivity and low susceptibility to infection. In addition, the experimental models for assessment, diagnostics and prophylaxis of biomaterial-related infections were established. The first experiment (Study I) established an in vitro method for simultaneous evaluation of calcium phosphate and biofilm formation on bisphenol-Aglycidyldimethacrylate and triethylenglycoldimethacrylate (BisGMA-TEGDMA) thermosets with different content of bioactive glass 45S5. The second experiment (Study II) showed no significant difference in osteointegration of nanostructured and microsized polylactide-co-glycolide/β-tricalcium phosphate (PLGA /β-TCP) composites in a minipig model. The third experiment (Study III) demonstrated that positron emission tomography (PET) imaging with the novel 68Ga labelled 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA) CD33 related sialic-acid immunoglobulin like lectins (Siglec-9) tracer was able to detect inflammatory response to S. epidermidis and S. aureus peri-implant infections in an intraosseous polytetrafluoroethylene catheter model. In the fourth experiment (Study IV), BisGMATEGDMA thermosets coated with lactose-modified chitosan (Chitlac) and silver nanoparticles exhibited antibacterial activity against S. aureus and P. aeruginosa strains in an in vitro biofilm model and showed in vivo biocompatibility in a minipig model. In the last experiment (Study V), a selective androgen modulator (SARM) released from a poly(lactide)-co-ε-caprolactone (PLCL) polymer matrix failed to produce a dose-dependent enhancement of peri-implant osteogenesis in a bone marrow ablation model.

Henkilö- ja talousriskin yhteys t&k-projektin onnistumiseen

Tämän pro gradu-tutkielman tarkoituksena oli tarkastella henkilö- ja talousriskin yhteyttä tutkimus- ja kehitysprojektin onnistumiseen. Tutkimus toteutettiin toimeksiantona Innovaatiorahoituskeskus Tekesille. Tutkielman teoreettisessa osuudessa tarkasteltiin t&k-projektien ja uuden tuotteen kehitysprojektien onnistumisen määritelmää sekä onnistumis- ja epäonnistumistekijöitä. Teoriaosuus pohjautui aikaisempaan tutkimukseen ja sen pohjalta oli tavoitteena muodostaa käsitys siitä, millaisiin tekijöihin projektin alkuvaiheessa kannattaa kiinnittää huomiota ja kuinka eri tekijät voivat ennakoida projektien onnistumista tai epäonnistumista. Tutkimuksen empiirinen osuus toteutettiin kvantitatiivisena tutkimuksena. Aineisto koostui 4755 mikro- ja pk-yritysten t&k-projektista. Empiirisen osuuden päätarkoituksena oli selvittää, onko projektin henkilö- ja talousriskitasolla vaikutusta siihen, kuinka hyvin projekti onnistuu. Tutkimuksessa selvitettiin myös riskien taustalla vaikuttavien tekijöiden yhteyttä projektin onnistumiseen ja tarkasteltiin yleisimpiä syitä projektien epäonnistumiseen. Tutkimuksen tuloksena havaittiin seuraavaa. Yleisimpiä syitä epäonnistuneisiin hankkeisiin olivat teknologiasyyt, muut syyt sekä henkilö- ja taloussyyt. Tarkasteltaessa talousriskin vaikutusta onnistumiseen hyödynnettiin kolmea erilaista onnistumisen mittaria. Tuloksena havaittiin, että talousriskitason merkittäväkään nousu ei vaikuttanut valtavasti siihen, kuinka hyvin projektit onnistuivat. Sillä, perustuiko kohonnut talousriski hakijan omaan rahoitukseen, ulkopuoliseen rahoitukseen, vai molempiin rahoituksen muotoihin ei ollut suurta vaikutusta projektin onnistumiseen. Hyvin pieni vaikutus näkyi siten, että parhaiten onnistuvien hankkeiden osuus oli hieman suurempi sellaisten hankkeiden joukossa, jossa riski hajaantui molempiin rahoituksen muotoihin. Henkilöriskitasolla havaittiin olevan hieman vaikutusta siihen, kuinka hyvin hanke onnistui, sillä korkeimmassa riskiluokassa havaittiin suhteellisesti enemmän epäonnistuneita projekteja kuin matalammissa riskiluokissa. Erot olivat kuitenkin maltillisia. Tutkimuksessa havaittiin lisäksi, että valittu onnistumisen mittari ja sen moniportaisuus vaikuttivat tulosten tulkintaan, joten on tärkeää tiedostaa, millaista onnistumista projektilla tavoitellaan.

Arduino-pohjainen OBD2-lukija SAE J1850 VPW protokollatuella

Kandidaatintyössä toteutetaan OBD2 (On-Board Diagnostics 2) -lukija ajoneuvon päästöjenhallintajärjestelmän diagnostiikkatiedoille yleiskäyttöisellä mikro-ohjaimella. Lukija tukee tiedonsiirtoprotokollana SAE J1850 VPW protokollaa. Mikro-ohjaimena on Atmel Corporationin AVR ATMega328. Työn tavoitteena on havainnoida vastaantulevia käytännön ongelmia ja haasteita mikro-ohjaimen käytöllä tiedonsiirtoprotokollan toteutukseen, ja verrata toteutettua järjestelmää kaupallisiin OBD2-lukijoihin. Työn johtopäätöksenä havaitaan mikro-ohjaimen suorituskyvyn rajoitteet ja sen tuomat toiminnan epävarmuustekijät. Työssä myös todetaan, että mikro-ohjain soveltuu tiedonsiirtoprotokollan toteutukseen kun rajoitteet otetaan huomioon. Kaupallisiin lukijoihin verrattuna yleiskäyttöiseen mikro-ohjaimeen perustuva toteutettu järjestelmä on kalliimpi ja toiminnoiltaan suppeampi. Mikro-ohjaimeen perustuva järjestelmä on kuitenkin muokattavissa ja laajennettavissa tarvittaessa, jolloin toteutukseen voidaan saada kaupallisista järjestelmistä mahdollisesti puuttuvia ominaisuuksia, kuten valmistajakohtaisia protokollia ja toimintoja, joita ei ole määritelty OBD2:ssa. Yhtenä esimerkkinä tällaisesta toiminnosta voi mainita ajoneuvoissa yleistyvän sähköisen käsijarrun säätöä ohjaavat komennot jarruhuoltoa varten.

Optimization of a dynamic district heating power plant

The purpose of this Thesis is to find the most optimal heat recovery solution for Wärtsilä’s dynamic district heating power plant considering Germany energy markets as in Germany government pays subsidies for CHP plants in order to increase its share of domestic power production to 25 % by 2020. Different heat recovery connections have been simulated dozens to be able to determine the most efficient heat recovery connections. The purpose is also to study feasibility of different heat recovery connections in the dynamic district heating power plant in the Germany markets thus taking into consideration the day ahead electricity prices, district heating network temperatures and CHP subsidies accordingly. The auxiliary cooling, dynamical operation and cost efficiency of the power plant is also investigated.

Integration of biofuel production. How pyrolysis and torrefaction can be integrated

The main goal of this work is to clarify the idea of two thermochemical conversion processes of biomass - pyrolysis and torrefaction and to identify possible ways how and where exactly these processes can be integrated. Integration into CHP power plant process was chosen as one of the most promising ways. Multiple product development was determined by means of this integration concept. The analysis of the possible pros and cons was made based on some experimental data collected from the previous studies related to the topic of my work. In addition, one real integrated case was represented in the last part of the work. Finally, to highlight the main idea brief summarizing was done.

Carbon sources for Power-to-Gas applications in the Finnish energy system

This thesis is done as a part of the NEOCARBON project. The aim of NEOCARBON project is to study a fully renewable energy system utilizing Power-to-Gas or Power-to-Liquid technology for energy storage. Power-to-Gas consists of two main operations: Hydrogen production via electrolysis and methane production via methanation. Methanation requires carbon dioxide and hydrogen as a raw material. This thesis studies the potential carbon dioxide sources within Finland. The different sources are ranked using the cost and energy penalty of the carbon capture, carbon biogenity and compatibility with Power-to-Gas. It can be concluded that in Finland there exists enough CO2 point sources to provide national PtG system with sufficient amounts of carbon. Pulp and paper industry is single largest producer of biogenic CO2 in Finland. It is possible to obtain single unit capable of grid balancing operations and energy transformations via Power-to-Gas and Gas-to-Power by coupling biogas plants with biomethanation and CHP units.

Food webs in the era of molecular revolution – Like resolving the Gordian knot with a tricorder

Living nature consists of countless organisms, which are classified into millions of species. These species interact in many ways; for example predators when foraging on their prey, insect larvae consuming plants, and pathogenic bacteria drifting into humans. In addition, abiotic nature has a great initiative impact on life through many factors (including sunlight, ambient temperature, and water. In my thesis, I have studied interactions among different life forms in multifaceted ways. The webs of these interactions are commonly referred to as food webs, describing feeding relationships between species or energy transfer from one trophic level to another. These ecological interactions – whether they occur between species, between individuals, or between microorganisms within an individual – are among the greatest forces affecting natural communities. Relationships are tightly related to biological diversity, that is, species richness and abundances. A species is called a node in food web vocabulary, and its interactions to other species are called links. Generally, Artic food webs are considered to be loosely linked, simple structures. This conception roots into early modern food webs, where insects and other arthropods, for example, were clumped under one node. However, it has been shown that arthropods form the greatest part of diversity and biomass both in the tropics and in Arctic areas. Earlier challenges of revealing the role of insects and microorganisms in interactions webs have become possible with the help of recent advances in molecular techniques. In the first chapter, I studied the prey diversity of a common bat, Myotis daubentonii, in southwestern Finland. My results proved M. daubentonii being a versatile predator whose diet mainly consists of aquatic insects, such as chironomid midges. In the second chapter, I expanded the view to changes in seasonal and individual-based variation in the diet of M. daubentonii including the relationship between available and observed prey. I found out that chironomids remain the major prey group even though their abundance decreases in proportion to other insect groups. Diet varied a lot between individuals, although the differences were not statistically significant. The third chapter took the study to a large network in Greenland. I showed that Artic food webs are very complex when arthropods are taken into account. In the fourth chapter, I examined the bacterial flora of M. daubentonii and surveyed the zoonotic potential of these bacteria. I found Bartonella bacteria, of which one was described as a new species named after the locality of discovery. I have shown in my thesis that Myotis daubentonii as a predator links many insect species as well as terrestrial and aquatic environments. Moreover, I have exposed that Arctic food webs are complex structures comprising of many densely linked species. Finally, I demonstrated that the bacterial flora of bats includes several previously unknown species, some of which could possibly turn in to zoonosis. To summarize, molecular methods have untied several knots in biological research. I hope that this kind of increasing knowledge of the surrounding nature makes us further value all the life forms on earth.

A high efficiency microturbine concept

There is a growing trend towards decentralized electricity and heat production throughout the world. Reciprocating engines and gas turbines have an essential role in the global decentralized energy markets and any improvement in their electrical efficiency has a significant impact from the environmental and economic viewpoints. This paper introduces an inter-cooled and recuperated two-shaft microturbine at 500 kW electric output range. The microturbine is optimized for a realistic combination of the turbine inlet temperature, the recuperation rate and the pressure ratio. The new microturbine design aims to achieve significantly increased performance within the range of microturbines and even competing with the efficiencies achieved in large industrial gas turbines. The simulated electrical efficiency is 45%. Improving the efficiency of combined heat and power (CHP) systems will significantly decrease the emissions and operating costs of decentralized heat and electricity production. Cost-effective, compact and environmentally friendly micro-and small-scale CHP turbine systems with high electrical efficiency will have an opportunity to successfully compete against reciprocating engines, which today are used in heat and power generation all over the world and manufactured in large production series. This paper presents a small-scale gas turbine process, capable of competing with reciprocating engine in terms of electrical efficiency.

Onko yrityksen taloudellisella tilalla vaikutusta Tekes-rahoitusta saaneen yrityksen menestymiseen

Tämän tutkielman tavoite on yrityksen tulevan menestymisen tai epäonnistumisen ennustaminen. Tutkimuksen kohteena ovat tutkimus ja kehitys rahoitusta vuosina 2007- 2012 Tekesiltä saaneet mikro- ja pk yritykset. Ennustusta pyrittiin tekemään näille yrityksille niiden rahoitusprojektien alkuhetkeltä (hakemushetki). Tutkimus toteutettiin toimeksiantona Tekesille ja se jatkaa aikaisempaa tutkielmaa, ”Onko projektin henkilöriskitasolla tai talousriskitasolla yhteyttä t&k- projektin onnistumiseen?”. Tämän tutkimuksen johtopäätös oli, ettei varsinkaan talousriskillä ja projektin onnistumisella ole yhteyttä ja sen vuoksi niistä tarvittiin lisää tietoa. Teoreettisessa osuudessa käsitellään yrityksen kasvua ja onnistumisen tai epäonnistumisen ennakointia. Teoria pohjautuu aiheen aikaisempaan kirjallisuuteen ja sen tarkoitus on pohjustaa tutkielmassa tehtyjä valintoja yrityksien menestymisen ennustamiseksi. Tutkimus on toteutettu kvantitatiivisena tutkimuksena. Aineisto koostuu 430 Tekesin t&k- rahoitusta saaneista mikro- ja pk yrityksistä. Empiirisen osuuden tarkoitus oli selvittää, voidaanko koko yrityksen, menestystä ennustaa, jotta rahoitus voidaan kohdistaa paremmin, eli selvittää minkälaisia yrityksiä tulisi rahoittaa, jotta rahoitus kohdistuisi menestyjille. Tämän lisäksi tutkimuksessa haluttiin löytää oikeat muuttujat, joiden avulla yrityksen menestymisen ennustaminen on mahdollista. Menestymisen haluttiin kuvaavan koko yrityksen liiketoiminnan menestymistä. Menestymisen mittariksi valittiin liikevaihdon kasvu ja tarkasteltavaksi ajanjaksoksi aika yrityksen t&k- projektin hakemusvaiheesta, kolmen vuoden päähän projektin päättymisestä. Yritykset jaettiin menestyjiin liikevaihdon kasvun mukaan, ja niistä luotiin neljä koria: “Huiput”, “Kasvut”, “Hiipujat” ja “Konkurssit” ja koreja lähdettiin tutkimaan erilaisten mittarien avulla. Valitut mittarit olivat Tekesin riskiarvio (talousriski, henkilöriski, kehitysriski ja markkinariski), tilinpäätöksen tunnusluvuista kannattavuuden, maksuvalmiuden ja vakavaraisuuden tunnusluvut (liikevoittoprosentti ja sijoitetun pääoman tuottoprosentti, quick ratio ja omavaraisuusaste), projektin omarahoitus (yrityksen hakemusvaiheessa ilmoittama muun rahoituksen lähde, joka voi olla vieraanpääoman ehtoista, oman pääomanehtoista tai tulorahoitusta), sekä muut mittarit (uutuusarvo, jalostusarvo, tuottavuus ja lainojen perimättäjättöhakemukset). Riippumattomuutta testattiin ristiintaulukoinnilla, khiin neliötestillä ja kontingenssikerroin C:n avulla omavaraisuusasteen tunnusluvun osalta yhdistämällä ”Huiput”, ”Kasvut” ja ”Hiipujat” yhteen kotiin ja vertaamalla niitä konkurssiin menneisiin yrityksiin. Lopuksi konkurssiennusteista testattiin pienille yrityksille tarkoitettua Laitisen yhdistelmälukua. Tutkimuksessa havaittiin seuraavaa. Parhaiten yrityksen tulevan kasvun tai konkurssin ennakoivat havainnot seuraavissa muuttujissa: onko hanke rahoitettu lainalla vai avustuksella sekä mikä yrityksen hakemusvaiheen omavaraisuusaste, omarahoitusosuus tai tuottavuus on. Yrityksen hyvä rahatilanne projektin hakemusvaiheessa ei ennusta yrityksen liikevaihdon kasvua. Täydellistä ennustetta kasvulle ei voida tehdä. Laitisen yhdistelmäluku koettiin heikoksi tunnusluvuksi konkurssia ennustettaessa. Tämän takia, sitä muokattiin eri tavoin parhaan mahdollisemman ennusteen saamiseksi. Paras lopputulos saatiin muuttamalla tunnusluvun kriittistä arvoa pienemmäksi.

Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.