Digitaalinen kaksonen auttaa matkalla vihreämpään merenkulkuun

 | Tiede vaikuttaa!

Merenkulku aiheuttaa noin 2,5 prosenttia maailman kasvihuonepäästöistä, ja kansainvälinen merenkulkujärjestö IMO on asettanut tavoitteeksi puolittaa päästöt vuoteen 2050 mennessä. Merenkulun uudistaminen digitaalisten ratkaisujen avulla auttaa meitä kohti vihreämpää maailmaa.

Lumi pöllyää jäätyneen merenlahden yllä Vaasan Palosaaren kampuksella. Unescon maailmanperintölistalle päässyt Merenkurkun ainutlaatuinen luonto on pysähtynyt talviteloilleen. Vaskiluodon takana Vaasan satamassa käy kuitenkin normaali kuhina, kun laivat halkovat jäistä merta väylillään kohti Ruotsia, Perämerta tai Suomenlahtea. Tulevaisuudessa tämä laivaliikenne on aiempaa päästöttömämpää ja samalla myös älykkäämpää. Siihen tutkijat ja suomalainen meriteollisuus yhdessä tähtäävät.

Suomi on maailman johtavia maita meriteollisuuden digitalisoimisessa. Digitalisaation avulla voidaan löytää uusia toimintamalleja, jotka mullistavat merenkulkua ja muuttavat sitä kestävämpään suuntaan.

– Yksi keskeinen teema liittyy autonomiseen merenkulkuun, jota on pitkään kehitetty Suomessa ja VTT:llä. Toinen laaja teema koskee alusten energiankulutusta ja päästöjä. VTT:n koordinoima INTENS-hanke tähtää merenkulun aiheuttamien ympäristökuormien vähentämiseen digitalisaation avulla, kertoo Digital engineering -tutkimusalueen päällikkö Johannes Hyrynen Teknologian tutkimuskeskus VTT:ltä.

Energiantuotannon tehostaminen koskee sekä nykyisen laivakannan energiankulutusta että uusien, älykkäiden järjestelmien kehittämistä. Nykyisten alusten kulutusta voidaan vähentää esimerkiksi parantamalla reititystä.

– Tällä hetkellä laivat ajavat täyttä vauhtia määränpäähän, missä ne odottavat lupaa tulla satamaan. Kun reititys optimoidaan, ajonopeutta voidaan vähentää. Tämä pienentää selvästi polttoaineen kulutusta, Hyrynen selvittää.

Myös uudet hybridiratkaisut ja lämmön talteenottojärjestelmät vähentävät polttoaineen kulutusta. Päästöjä voidaan puolestaan pienentää esimerkiksi tehostamalla pakokaasujen jälkikäsittelyä.

Kyse on monimutkaisesta kokonaisuudesta, sillä alusten kaikki koneet, laitteet ja järjestelmät on saatava säästämään energiaa. Juuri tähän VTT, yliopistot ja yritykset nyt yhdessä tähtäävät.

Vaasa Energy Business Innovation Centren eli VEBICin laboratoriossa kerätään tietoa muun muassa laivan moottorin toiminnasta. Kuva: Satu Aaltonen

Digitaalinen kaksonen rakentuu Vaasassa

Meren rannalla Palosaarella sijaitsee Vaasan yliopiston uusi energiaan ja kestävään kehitykseen keskittynyt VEBIC- tutkimuslaboratorio, jossa pitää majaansa keskinopea, nelisylinterinen dieselmoottori 4L20.

Tila-auton kokoinen moottori ei ole kohta enää yksin, vaan sille mallinnetaan seuraksi digital twin, eli digitaalinen kaksonen, jota voidaan hyödyntää energiapihin järjestelmän suunnittelussa.

Moottorilla ja sen digitaalisella kaksosella on oma, tärkeä roolinsa matkalla kohti nollapäästöistä merenkulkua. Yli 95 prosenttia nykyisistä valtamerialuksista käyttää polttomoottoriteknologiaa. On tärkeää ymmärtää, että kun muutosta päästöihin halutaan hyvin pian, on tartuttava myös nykyisten teknologioiden parantamiseen – siis esimerkiksi moottorijärjestelmän optimointiin digitaalisen kaksosen avulla.

”Tutkimus nopeutuu, kustannukset pienentyvät”

Vaasan yliopiston projektitutkija Saana Hautala istuu tietokoneensa äärellä ja suunnittelee moottorin mallintamista virtuaalista kaksosta varten. Mallia varten kerätään kaikki mahdollinen tieto moottorista, myös se tieto, joka saadaan moottorin käytön aikana sensorien ja ohjausjärjestelmän kautta.

– Tarkoituksena on, että kaikki mitä tapahtuu moottorissa, tapahtuu myös digitaalisessa kaksosessa, sanoo Hautala.

Moottorin ympärille rakennetaan hybridiratkaisu, johon kuuluu muun muassa generaattori ja sähkövarasto. Moottorin lisäksi koko laitteisto mallinnetaan digitaaliseksi kaksoseksi, jonka jälkeen toimintaa voidaan tarkastella virtuaalisesti.

Energiatekniikan professori Seppo Niemi näkee, että malleista ja niistä muodostuvista digitaalisista kaksosista on paljon hyötyä tutkimuksessa.

– Laitteiston käyttöä voidaan optimoida ennen ajamista. Toisaalta laitteiston käyttö tuottaa uutta tietoa malliin, ja malli paranee. Järjestelmä on siis vuorovaikutteinen. Tutkimustoiminta nopeutuu. Kustannukset pienentyvät, kun kokeellisen työn osuus vähenee, Niemi sanoo.

Niemen mukaan Vaasan yliopiston VEBIC-moottorilaboratorion monipuolinen energiantuotantokoneisto muodostaa erinomaisen alustan digitaalisen kaksosen rakentamiselle, kokeilulle ja kehittämiselle.

– VEBICin kaltainen laboratorio on maailmankin mittakaavassa harvinainen, Niemi kertoo.

Moottorin optimoinnin lisäksi digitaalista kaksosta käyttämällä voidaan tarkastella päästöjä ja tutkia myös muita laitteistoon liitettyjä teknologioita kuten hukkalämmön talteenottoa.

Tavoitteena on parempi energiatehokkuus ja päästöjen vähentäminen kohti nollaa, sanovat Hautala ja Niemi.

Energiatekniikan professori Seppo Niemen mukaan digitaaliset kaksoset nopeuttavat tutkimusta ja pienentävät kustannuksia, kun kokeellisen työn osuus vähenee. Kuva: Satu Aaltonen

Biokaasu parempi vaihtoehto päästöjen kannalta

Hautalan kanssa huoneen jakava projektitutkija Kirsi Spoof-Tuomi on selvittänyt, miten Vaasa-Uumaja-reitillä seilaavan aluksen päästöjä saataisiin vähennettyä polttoainevalinnalla. Hän on vertaillut nesteytettyä maakaasua, nesteytettyä biokaasua sekä meridieselin ja typenpoistomenetelmän yhdistelmää.

– Selvitin polttoaineiden koko elinkaaren aikaisia kasvihuonekaasupäästöjä. Tämä tarkoittaa sitä, että polttoaineen käytöstä aiheutuviin päästöihin lasketaan mukaan myös polttoaineen tuotannosta ja kuljetuksista aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt. Näyttää siltä, että elinkaaritarkastelussa nestemäisen maakaasun käytön tuoma vähennys on aika marginaalinen. Biokaasulla elinkaaripäästöt sen sijaan pienevät jopa 75 prosenttia fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna, kertoo Spoof-Tuomi ja esittelee valmistuneita tilastoja.

Spoof-Tuomen mukaan saatavuus on haaste biokaasun käytön yleistymiselle. Maakaasu voisi kuitenkin toimia siltateknologiana, ja sitä voisi myös sekoittaa biokaasuun.

Tutkija Saana Hautala (vas.) suunnittelee moottorin mallintamista virtuaalista kaksosta varten, kun taas hänen kollegansa Kirsi Spoof-Tuomi selvittää, miten alusten päästöjä voitaisiin vähentää polttoainevalinnoilla. Kuva: Riikka Kalmi

Turussa syvennytään Big Dataan

INTENS-hanketta toteutetaan laajan konsortion voimin, jossa mukana ovat VTT:n ja Vaasan yliopiston lisäksi mukana myös Aalto-yliopisto, LUT-yliopisto ja Åbo Akademi.

Åbo Akademissa tutkimusta johtaa vanhempi lehtori Jerker Björkqvist. Åbo Akademin tutkijat kehittävät menetelmiä datan laadun ylläpitämiseksi haastavissa tilanteissa, esimerkiksi silloin, kun yhteys mittalaitteisiin on rajoittunutta. Tavoitteena on myös pystyä pakkaamaan tietoa ja käsittelemään sitä lisää pilvessä edistyneen diagnostiikan, suunnittelun ja optimoinnin avulla.

– Uskon, että digital twin -tekniikan avulla pystytään parantamaan energiatehokkuutta hyödyntämällä olemassa olevaa dataa paremmin, sanoo Åbo Akademin Björkqvist.

Verkostosta kilpailukykyä meriteollisuuteen

Konsortioon kuuluu VTT:n ja yliopistojen lisäksi myös 14 meriteollisuuden yritystä. Ne rahoittavat tutkimusta yhdessä Business Finlandin kanssa. Laaja verkosto antaa hyvät edellytykset digitalisaation vahvistamiseen sekä auttaa luomaan kansainvälisiä kontakteja ja houkuttelemaan alan parasta osaamista Suomeen.

– Meriteollisuus on Suomessa hyvässä iskussa, mutta aseman säilyttämiseksi tarvitsemme osaajia, VTT:n Hyrynen sanoo.

– Digitaalisten ratkaisujen kehittäminen vahvistaa Suomen kilpailukykyä meriteollisuudessa ja auttaa synnyttämään alalle sekä uusia yrityksiä että lisää liiketoimintaa nykyisille toimijoille.

Wärtsilässä INTENS nähdään merkittävänä askeleena kohti älykästä merenkulkualan ekosysteemiä. Sen odotetaan parantavan järjestelmien tehokkuutta, luotettavuutta ja käyttövarmuutta.

– Tavoitteena on löytää ratkaisuja, jotka vähentävät polttoaineen käyttöä ja vähentävät päästöjä. Järjestelmän integraation kehittäminen ja koko järjestelmän laajuinen optimointi on tärkeää. Yhtä oleellista on keskittyä myös järjestelmän ydinkomponentteihin, eli etenkin polttomoottorin palamistapahtuman ohjauksen ja optimoinnin parantamiseen, sanoo Jonatan Rösgren, Wärtsilän tutkimus- ja teknologiaohjelman johtaja.

Vöyriläinen äänenvaimentimien valmistaja JTK Power haluaa olla mukana nähdäkseen, miten ala on kehittymässä.

– Haluamme nähdä, millaisia tulevaisuuden hybridit ja laivojen pakoputkistot ovat ja mitä säädöksien muuttuminen aiheuttaa. Näin emme tule yllätetyiksi, vaan pystymme kehittämään tuotteitamme rauhassa, sanoo yrityksen kehityspäällikkö Jouni Hartikainen.

– Eniten hankkeessa kiinnostaa laitteiston simulointi digitaalisella kaksosella. Fyysisen mallin tekeminen meidän laitteillemme maksaisi tuhansia euroja.

Työ digitaalisen kaksosen rakentamiseksi jatkuu Vaasan Palosaaren lumisissa maisemissa. Yhteistyöllä sekä pitkäjänteisellä työskentelyllä ja tutkimuksella voidaan merenkulusta tehdä väylä vihreämpään maailmaan.

Digiratkaisujen kehittäminen vahvistaa Suomen kilpailukykyä meriteollisuudessa, arvioi tutkimusalueen päällikkö Johannes Hyrynen VTT:ltä. Kuva: Jolanna Vuorenhela

Teksti: Riikka Kalmi

Pääkuvan kuvateksti: Tutkijat etsivät uusia keinoja, joiden avulla laivaliikenteen päästöjä voitaisiin vähentää. Kuva: Wärtsilän kuvapankki

Polttoainetta ja ruokaa ilmasta

Kestävämpään tulevaisuuteen tähdätään myös Power-to-x-teknologialla, jota voidaan käyttää synteettisten polttoaineiden valmistamiseen. Niillä on mahdollista auttaa liikennettä kohti hiilineutraaliutta. Pakottava tarve päästä eroon fossiilisista polttoaineista on käsillä viimeistään nyt, sillä ilmasto-ongelmat ovat todellisia ja lämpeneminen on välttämätöntä pysäyttää alle 1,5 asteeseen.

Uusia hiilettömiä ratkaisuja luodaan yhdistämällä muun muassa aurinkotalouden, sähkötekniikan ja energiatehokkuuden osaamista. Näin voidaan tuottaa päästötöntä sähköä ja muuttaa teollisuuden, maatalouden ja liikenteen prosesseja hiilivapaiksi – ja jopa tuottaa ruokaa täysin maan käytöstä riippumattomasti. LUT-yliopisto ja Teknologian tutkimuskeskus VTT ovat jo vuosia työskennelleet tämän uusiutuviin energialähteisiin perustuvan tulevaisuuden parissa.

Yksi avainteknologia, joka voi auttaa ratkaisemaan muun muassa teollisuuden ja liikenteen isot hiilidioksidiongelmat on niin kutsuttu power-to-x-teknologia, lyhemmin P2X. Sen perusidea on muuttaa sähköä toiseen energiamuotoon – ja tarvittaessa takaisin sähköksi.

Power-to-x-teknologialla tärkeä rooli fossiilisten korvaamisessa

P2X-teknologiaa voidaan soveltaa synteettisten, fossiilisia korvaavien polttoaineiden valmistukseen. Pilottilaitteistolla LUT-yliopiston Lappeenrannan kampuksella on ensimmäisenä maailmassa todistettu, että synteettisen polttoaineen valmistaminen ilmasta on mahdollista. Ilmasta otetaan talteen hiilidioksidia ja vettä, ja hiilidioksidi syntetisoidaan vedestä sähkön avulla tuotetun vedyn kanssa. Valmistusprosessi toteutetaan paikan päällä tuotetun aurinkosähkön avulla, täysin päästöttömästi.

Näin syntyy esimerkiksi metanolia, joka on suoraan raakaöljyä korvaava aine. Sitä voidaan käyttää vaikkapa polttoaineena tai muovin valmistuksen raaka-aineena.

– Synteettisillä polttoaineilla on todella iso rooli liikenteen hiilineutraaliudessa. Biomassaan perustuvilla ratkaisuilla emme pysty irrottamaan raskasta liikennettä ja lento- ja meriliikennettä fossiilisista polttoaineista, kertoo Jero Ahola, sähköjärjestelmien energiatehokkuuden professori LUT-yliopistosta.

P2X-teknologiaan perustuva synteesi voi olla termokemiallinen tai perustua mikrobeihin. Vastaavalla prosessilla on mahdollista tuottaa myös ruokaa.

– Tarvitaan vain solu, joka käyttää ravinnokseen vetyä ja hiilidioksidia. Solu voi kasvaa ja tuottaa vaikka proteiinia ravinnoksi. Toimimme kasvien tavoin, kun otamme hiilen tai typen ilmasta tai merestä. Valmistusprosessin tarvitsema energia otetaan aurinko- tai tuulivoimasta, kertoo Ahola.

Kuulostaa kenties sci-filtä, mutta proteiinirikasta solumassaa ilmasta on jo sitäkin tehty yhdessä VTT:n tutkijoiden kanssa.

– Ruoantuotannon tulevaisuus tarvitsee maan käytöstä ja sääolosuhteista riippumattomia ratkaisuja, ja meillä on käsissämme yksi sellainen. Tarve raivata metsää maatalouskäyttöön vähenee radikaalisti, jopa poistuu. Näin turvataan kapasiteettia sitoa hiiltä ilmasta, päättää Ahola, yksi hiilivapaan tulevaisuuden rakentajista.

Teksti: Jutta Luostarinen

Tarina on osa Tiede vaikuttaa! -kampanjaa, jonka toteuttavat yhdessä Suomen yliopistojen rehtorineuvosto UNIFI ja Tutkimuslaitosten yhteenliittymä Tulanet. Seuraa kampanjaa Twitterissä tunnisteella #tiedevaikuttaa ja jaa samalla oma tarinasi siitä, miten tiede on vaikuttanut sinun elämääsi.

Jaa:

Lisää ajankohtaisia asioita

 | Tiede vaikuttaa!

Mitä jos vettä ei yhtäkkiä olisikaan? Tulevaisuuden uhkakuvia tutkimalla varaudumme pahimpaan

Merenkulku aiheuttaa noin 2,5 prosenttia maailman kasvihuonepäästöistä, ja kansainvälinen merenkulkujärjestö IMO on asettanut tavoitteeksi puolittaa päästöt vuoteen 2050 mennessä. Merenkulun uudistaminen…

 | Tiede vaikuttaa!

Hyvä aurinko, paha aurinko?

Merenkulku aiheuttaa noin 2,5 prosenttia maailman kasvihuonepäästöistä, ja kansainvälinen merenkulkujärjestö IMO on asettanut tavoitteeksi puolittaa päästöt vuoteen 2050 mennessä. Merenkulun uudistaminen…

 | Tiede vaikuttaa!

Saadaanko tulevaisuuden akkumetallit käytetyistä akuista vai kaivoksista?

Merenkulku aiheuttaa noin 2,5 prosenttia maailman kasvihuonepäästöistä, ja kansainvälinen merenkulkujärjestö IMO on asettanut tavoitteeksi puolittaa päästöt vuoteen 2050 mennessä. Merenkulun uudistaminen…