TULEVAISUUDEN POLTTOMOOTTORIVOIMALAITOKSET
SIS ÄLLYSLUE T TELO
JO H DA N TO Vahva kärki yhä vahvemmaksi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
TAU STA Polttomoottorivoimalaitos tulevaisuuden energiantuotannossa. . . . . 8
T U T K I M U K S E N TAVO I T T E E T JA TO IMIN TATAVAT Laaja ala ja monta näkökulmaa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
T U T K I M U S A LU E E T Tutkimuskohteena polttomoottorivoimalaitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
T U LO K S I A Palamisen mallinnus: Ymmärrys uudelle tasolle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Palamisen kehittäminen: Yhä parempi hyötysuhde. . . . . . . . . . . . . . . . 15 Päästöjen hallinta: Pakokaasut puhtaammiksi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Energia talteen: Sähköä pakokaasuista. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Polttoaineen valinta: Laajaa valikoimaa kohti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Energian muuntaminen: Sähköä luotettavasti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Voimalaitoksen hallinta: Ennakoivaa ja joustavaa. . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Tutkimuslaitteisto: Ykkösluokan laite – optinen moottori. . . . . . . . . . 27 Case: Tutkimus Suomessa, yritys maailmalla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Case: Tukea vahvasta verkostosta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
A R VI O Monialainen yhteistyö vaatii hyvää johtamista. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6
J O H DA NTO
Vahva kärki yhä vahvemmaksi Suomessa on polttomoottorivoimalaitoksiin liittyvä osaamiskeskittymä, jolla on merkittävä asema alan kansainvälisessä kärjessä. Suomalaiset yritykset ja tutkimuslaitokset pyrkivät vahvistamaan asemaansa edelleen monialaisella tutkimusohjelmalla. Neljä vuotta kestänyt tutkimusohjelma Tulevaisuuden polttomoottorivoimalaitokset päättyi helmikuussa 2014. Ohjelmaa johti CLEEN Oy, ja siihen osallistui yhdeksän yritystä ja yhdeksän tutkimuslaitosta. Tutkimuksen kokonaisarvo oli 37,5 miljoonaa euroa, josta yritykset maksoivat 34,5 prosenttia, julkiset tutkimuslaitokset 13 prosenttia sekä Tekes 52,5 prosenttia. Tieteen ja teknologian ohella ohjelmassa kehitettiin tutkimuksen menetelmiä ja laitteistoja sekä luotiin yhteistyöverkostoja. Osallistujat esittelevät
tässä raportissa ohjelman tärkeimpiä tuloksia ja punnitsevat niiden vaikutuksia. Arvionsa esittää myös ohjelman kansainvälinen tieteellinen neuvottelukunta. Tutkimusaiheen valintaa puolsi polttomoottorivoimalaitosten kasvava merkitys maailman energiantuotannossa ja sen ympäristövaikutusten hillitsemisessä. Moottorivoimalaitos edistää uusiutuvien energialähteiden käyttöä tuottamalla niiden edellyttämää säätövoimaa. Lisäksi moottorivoimalaitos tarjoaa energiatehokkaan tavan hyödyntää maakaasua sekä uusiutuvia polttoaineita. Jatta Jussila-Suokas teknologiajohtaja CLEEN Oy
CLEEN Oy
FCEP
Cluster for Energy and Environment eli strategisen huippuosaamisen keskittymä (SHOK) yrityksille ja tutkimusyhteisöille, joille energia ja ympäristö ovat merkittävä kilpailutekijä.
Future Combustion Engine Power Plants eli Tulevaisuuden polttomoottorivoimalaitokset -tutkimusohjelma vuosina 2010–2014.
J O HDA N TO
7
TULEVAISUUDEN POLT TOMOOT TORIVOIMAL AITOKSET -OHJELMAN TULOT JA MENOT
ME N OT
YRITYKSET
50 %
Wärtsilä Finland Oy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 % AGCO Power Oy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 % ABB Oy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7,5 % Valmet Power Oy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5 % Gasum Oy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5 % Wapice Oy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,5 % Dinex Ecocat Oy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . <0,5 % Metso Automation Oy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . <0,5 %
TU LOT
TEKES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52,5 % Yritykset. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34,5 % Tutkimuslaitokset. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 %
TUTKIMUSLAITOKSET
50 %
Teknologian tutkimuskeskus VTT. . . . . . . . . . . . . 19,5 % Aalto-yliopisto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13,5 % Tampereen teknillinen yliopisto. . . . . . . . . . . . . . . 4,5 % Lappeenrannan teknillinen yliopisto. . . . . . . . . . . . . 4 % Vaasan yliopisto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 % Turun ammattikorkeakoulu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 % Oulun yliopisto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5 % Åbo Akademi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5 % Mittatekniikan keskus (MIKES). . . . . . . . . . . . . . . . 0,5 %
8
TAU STA
Polttomoottorivoimalaitos tulevaisuuden energiantuotannossa Polttomoottorivoimalaitos tarjoaa säätövoimaa aurinko- ja tuulienergian tueksi sekä joustavan siirtymän fossiilisista polttoaineista biopolttoaineisiin.
Aurinko ja tuuli eivät tuota sähköä tasaisesti ympäri vuorokauden ja vuoden, minkä takia niiden tueksi tarvitaan keinoja varastoida tai tuottaa sähköä joustavasti. Tehokkaita ja kannattavia varastointiratkaisuja joudutaan odottamaan todennäköisesti vielä vuosia tai jopa vuosikymmeniä. Sen sijaan sähkön tuottamiseen voidaan vaikuttaa jo nyt. Tässä vaiheessa on tärkeää varmistaa, että uusiutuvia energianlähteitä tuetaan joustavalla säätövoimalla eikä pelkällä perusvoimalla.
Uusiutuvien energialähteiden hyödyt ovat vaarassa valua hukkaan, jos sähköntuotannon runkona toimivat yksinomaan suuret höyrykattilalaitokset, joihin lukeutuvat niin hiili- kuin ydinvoimalatkin. Ne tuottavat tehokkaasti perusvoimaa, mutta vesi kiehuu kattilassa, vaikka tuulimylly pyörähtäisi käyntiin tai sähkön kysyntä laskisi. Suurten laitosten tarjontaa on vaikea säätää.
TAU STA
Isoilla patoaltailla varustetut vesivoimalat tarjoavat joustavuutta joillakin alueilla, mutta valtaosassa maailmaa vesivoima ei ole varteenotettava vaihtoehto. Säätövoimaa haetaankin eri tavoista polttaa fossiilisia ja yhä enemmän myös uusiutuvia polttoaineita. Tyypillisiä ratkaisuja ovat kaasuturbiinivoimalaitokset sekä niitä huomattavasti joustavammat ja joustavassa käytössä energiatehokkaammat polttomoottorivoimalaitokset.
Pieni kulutus ja joustava käyttö Polttomoottorivoimalaitos käynnistyy hetkessä ja pääsee täyteen tuotantotehoon muutamassa minuutissa. Laitoksen voi käynnistää helposti ja turvallisesti kymmeniäkin kertoja päivässä, ja sen tehoa voi säätää vaihtamalla käynnissä olevien moottorien määrää. Nopea käynnistys ei vaikuta ainoastaan käytön joustavuuteen vaan polttoaineen kulutukseen. Polttoaineesta saadaan irti eniten energiaa, kun moottorin hyötysuhde nousee nopeasti huipputasolle. Silloin myös päästöt jäävät mahdollisimman pieniksi. Polttomoottorivoimalaitos on sähköntuotannossa hyötysuhteeltaan samalla tasolla kuin moderni kaasuturbiinivoimalaitos, joka edustaa tämän hetken huipputasoa perusvoiman tuotannossa. Hyötysuhteen parantaminen ja joustavuuden lisääminen ovat kuitenkin jatkuvia kehityskohteita.
Fossiilisilla polttoaineilla on eroja Säätövoiman valinnassa painaa tuotantotavan rinnalla polttoaine. Kun punnitaan polttoaineiden vaikutuksia ympäristöön, parantamisen varaa on aina, ja myös päästörajoitukset kiristyvät jatkuvasti. On hillittävä ennen kaikkea kasvihuonekaasupäästöjä sekä rikki-, typpioksidi- ja hiukkaspäästöjä.
Kohti hajautettua energiantuotantoa Tulevaisuuden sähköverkko ei ole vain suurten voimalaitosten jakeluverkko vaan siirtoverkko, johon pienetkin tuottajat, omakotitalon asukkaista alkaen, voivat syöttää aurinkopaneelien ja tuulimyllyjen avulla tuottamaansa sähköä. Kun aurinko menee pilveen tai tuuli seisahtuu, polttomoottorivoimalaitoksessa käynnistyy automaattisesti sopiva määrä moottoreita.
Sähköä saareen ja syrjäseudulle Polttomoottorivoimalaitos sopii oivallisesti säätövoimaksi, mutta se tarjoaa myös sähköntuotannon perusvoimaa. Perusvoimana sitä käytetään erityisesti syrjäisillä alueilla ja saarilla, joille julkinen sähköverkko ei ylety. Pikkukaupunki, kaivos tai tehdas voi päätyä omaan sähköntuotantoon myös silloin, kun julkinen verkko toimii epäluotettavasti. Joskus omaan voimalaitokseen johtaa polttoaineen hyvä saatavuus, esimerkiksi kalaöljyn tuotanto läheisessä kalankäsittelylaitoksessa. Joskus tarvitaan väliaikaista voimalaitosta, jonka voi viedä paikalle vesitse.
Hyötysuhde mittaa energiatehokkuutta Laitteen hyötysuhteella tarkoitetaan sen tuottaman energian ja polttoaineen sisältämän energian suhdetta. Moottori, jolla on hyvä hyötysuhde, tuottaa samasta polttoainemäärästä enemmän energiaa kuin huonomman hyötysuhteen moottori. Sen lisäksi, että hyvä hyötysuhde säästää polttoainetta, se vähentää väistämättä päästöjä. Esimerkiksi hiilidioksidi- ja rikkipäästöt riippuvat suoraan käytetyn polttoaineen määrästä ja koostumuksesta.
9
10
TAU STA
Päästöihin vaikuttavat palamistekniikka sekä pakokaasujen puhdistusmenetelmät. Suuri merkitys on myös polttoaineen valinnalla. Tällä hetkellä voimalaitosten moottoreissa käytetään tyypillisesti raskasta ja kevyttä polttoöljyä sekä maakaasua. Maakaasu on fossiilinen polttoaine, mutta sen hiilidioksidipäästöt jäävät kaasun kemiallisen koostumuksen ansiosta merkittävästi kivihiilen päästöjä pienemmiksi. Maakaasu sisältää hiilen ohella huomattavan määrän vetyä, joka palaa vedeksi, kun taas hiilestä syntyy poltettaessa hiilidioksidia. Maakaasun ja öljyn ympäristövaikutusta pienentää myös se, että niitä voidaan polttaa moottorivoimaloissa, joiden hyötysuhde on korkeampi kuin kivihiilivoimaloiden. Kaasun palaessa ei synny myöskään rikki- eikä hiukkaspäästöjä. Lisäksi typpioksidipäästöt jäävät alhaisemmiksi kuin öljyä ja hiiltä poltettaessa. Kaasun polton lisääntymistä ennustavat hyötyjen ohella sen kasvava tarjonta ja yhä helpottuva jakelu. Kun nesteytetyn maakaasun jakelureitit kehittyvät, kaasua voidaan käyttää myös kaasuputkien ulottumattomissa niin voimalaitoksissa kuin laivoissakin.
Uusiutuvat polttoaineet käyttöön Maakaasun ohella kasvavaa huomiota saavat uusiutuvat polttoaineet, kuten biokaasu ja nestemäiset biopolttoaineet. Polttomoottorivoimalaitos voidaan säätää käyttämään useita polttoaineita rinnakkain tai yhtä polttoainetta optimaalisesti. Se, joka hankkii laitoksen nyt, voi siirtyä tulevaisuudessa polttoaineesta toiseen kysynnän, tarjonnan ja päästörajoitusten ohjaamana. Näin polttomoottorivoimalaitos tarjoaa joustavan tavan siirtyä fossiilisista uusiutuviin polttoaineisiin.
Moottorisanasto selväksi P O LT TO M O OT TO R I muuttaa polttoaineen palamisessa vapautuvan energian mekaaniseksi liikkeeksi. Polttomoottoreita ovat mäntämoottorit ja kaasuturbiinit, mutta tavallisesti polttomoottoreilla viitataan mäntämoottoreihin. M Ä N TÄ M O OT TO R I S S A palamisen synnyttämä paine liikuttaa mäntää edestakaisin sylinterissä. Kampiakseli muuttaa männän suoraviivaisen liikkeen pyöriväksi ja liikuttaa esimerkiksi sähköä tuottavaa generaattoria tai vaihteiston välityksellä auton pyöriä. Tällaisia moottoreita ovat otto- ja dieselmoottorit, jotka on nimetty keksijöidensä mukaan OT TO M O OT TO R I N polttoaine vaatii syttyäkseen kipinän. Bensiinillä käyviä ottomoottoreita käytetään tavallisesti henkilöautoissa. D I E S E L M O OT TO R I N polttoaine syttyy itsestään, kun se ruiskutetaan puristuksen voimasta kuumentuneeseen ilmaan. Dieselmoottorin polttoaineeksi sopivat muun muassa dieselöljy, kevyt ja raskas polttoöljy, maakaasu sekä kaasumaiset ja nestemäiset biopolttoaineet. Nopeakäyntisiä dieselmoottoreita käytetään autoissa, junissa ja työkoneissa, ja hitaampia laivoissa sekä voimalaitoksissa. Jokaista käyttökohdetta koskevat omat päästörajoitukset, mutta yhteistä kaikilla on se, että moottorin kehittäjän on pyrittävä jatkuvasti parempaan hyötysuhteeseen ja pienempiin päästöihin. K A A S U M O OT TO R I K S I kutsutaan otto- tai dieselmoottoria, jonka pääpolttoaine on kaasu. Molempia teknologioita käytetään voimalaitoksissa. Dieselmoottorissa kaasu vaatii syttyäkseen pienen määrän nestemäistä polttoainetta, kuten dieselöljyä.
T U T K I M U KS EN TAVO IT TEE T JA TO IMIN TATAVAT
11
Laaja ala ja monta näkökulmaa Tutkimusohjelma Tulevaisuuden polttomoottorivoimalaitokset tavoitteli energiatehokkuutta ja päästöjen hillintää monesta eri lähtökohdasta. Perimmäisenä tavoitteena oli varmistaa suomalaisten yritysten ja tutkimuslaitosten asema alan kansainvälisessä kärjessä. Ohjelmassa tutkittiin ja kehitettiin sekä voimaloihin että työkoneisiin tarkoitettuja polttomoottoreita. Kohteena olivat ennen kaikkea palamisprosessi, energian talteenotto sekä polttoaineiden ja pakokaasujen käsittely. Lisäksi optimoitiin koko voimalaitoksen toimintaa tehostamalla energian muuntamista sähköenergiaksi ja kehittämällä laitoksen hallintaa automaation keinoin. Kauaskantoisia hyötyjä tavoiteltiin myös kehittämällä tutkimukseen käytettäviä menetelmiä ja laitteistoja. Ohjelma tähtäsi pitkäjänteisen perustutkimuksen ja nopean tuotekehityksen välimaastoon ”Sillä alueella on paljon asioita, joita kannattaisi tutkia ja kehittää, mutta sijoitukselle ei pystytä laskemaan vielä suoraan tuottoarviota. Siksi teollisuudessa voi olla vaikea perustella, miksi tutkimusta tehdään. Yhteistyössä voimme kuitenkin löytää kehittämisen arvoiset asiat helpommin ja pienemmin panoksin”, sanoo innovaatiopäällikkö Tero Hottinen Wärtsilästä. Hän toimi ohjelman loppuvaiheessa sen ohjausryhmän puheenjohtajana. Koska kaikki tutkimuskohteet vaikuttivat toisiinsa, ohjelmassa haluttiin tarkastella kokonaiskuvaa
samalla, kun pureuduttiin käytännön tehtäviin. Työt jaettiin työpaketteihin ja työpaketit vielä pienempiin tehtäviin, mutta raportit kerättiin yhteiseen työtilaan. Lisäksi osallistujat vaihtoivat tietoja monialaisissa seminaareissa. Näin jokainen osallistuja sai mahdollisuuden perehtyä oman tehtävänsä ohella suureen kokonaisuuteen. ”Olemme osallistuneet laajoihin ohjelmiin ennenkin, mutta tässä toimimme hieman toisin. Tutkimusta suunniteltiin enemmän yhdessä, ja kaikille oli tarjolla tietoa siitä, mitä muut tekivät”, tiivistää johtava tutkija Matti Kytö VTT:n moottoritekniikan laboratoriosta. Hän toimi tutkimusohjelman ohjelmapäällikkönä. Myös Aalto-yliopiston polttomoottoritekniikan professori Martti Larmi kertoo arvostaneensa sitä, että hänen ryhmänsä oma tutkimusalue liittyi selkeästi isompaan kokonaisuuteen. ”Näin akateemisen tutkimuksen ja teollisuuden välille tuli tavallista vahvempi linkki”, Larmi sanoo. Hän huomauttaa, että nelivuotisen ohjelman rahoitus mahdollisti myös monipuolista jatko-opiskelua ja helpotti kansainvälistä tutkijavaihtoa. ”On tärkeää, että alalla on osaavia ja innostuneita ihmisiä, jotka kouluttavat alalle lisää osaajia. Näin ala ja tutkimusympäristö säilyvät kiinnostavina ja teollisuuskin saa edellytykset menestykselle”, Kytö sanoo.
12
T U T K I M U S A LU E E T
T UT KIM USKOHT EENA POLT TOM OOT TORIVOIMAL AITOS
MOOTTORI - POLTTOAINEEN RUISKUTUS - SEOKSEN MUODOSTUS
VERKKOON LIITYNTÄ
- PALAMISEN MALLINTAMINEN JA KEHITTÄMINEN
GENERAATTORI
SÄÄN HAVAINNOINTI JA ENNUSTUS
TUTKIMUS A LUEE T
POLTTOAINEEN ESIKÄSITTELY
TURBOAHDIN IMUILMA
PAKOKAASUJEN PUHDISTUS MITTAUS JA SÄÄTÖ (UUDET ANTURIT, KÄYTÖN OPTIMOINNIN JA VALVONNAN KEHITTÄMINEN)
WEB ÄLYKÄS AUTOMAATIO JA SÄÄTÖ
TIEDON KÄSITTELY JA SIIRTO, ETÄVALVONTA
LÄMMÖN TALTEENOTTO
13
14
T U LO K S I A
PA L A MIS E N M AL L INNUS
Ymmärrys uudelle tasolle Pieni muutos mäntään tai polttoainetta syöttävään suuttimeen, voi muuttaa merkittävästi sitä, miten polttoaine virtaa ja palaa moottorin sylinterissä. Virtaus ja palaminen puolestaan vaikuttavat moottorin hyötysuhteeseen ja päästöihin. Uuden osan tekeminen ja koekäyttö käyvät kuitenkin kalliiksi ”Säästämme aikaa ja rahaa, kun pystymme seulomaan vaihtoehdot mahdollisimman tarkkaan etukäteen”,toteaa Wärtsilässä työskentelevä ohjelman ohjausryhmän puheenjohtaja Tero Hottinen. Käytännössä seulonta tarkoittaa sitä, että mallinnetaan palamisprosessia ja simuloidaan moottorinosien ja olosuhteiden vaikutuksia. Tutkimusohjelmassa Aalto-yliopisto kehitti palamisen mallinnusta ja simulointia. Hottinen pitää Aaltoyliopiston polttomoottoritekniikan tutkimusyksikköä oivallisena tehtävään ja maailman mittakaavassakin poikkeuksellisena, koska siellä laskennan ja kokeellisen tutkimuksen taitajat työskentelevät yhdessä ja ymmärtävät sujuvasti toisiaan.
”Pääsimme isoja askelia eteenpäin LES-menetelmän käytössä moottoreiden simuloinnissa”, polttomoottoritekniikan professori Martti Larmi kertoo. Ohjelma tarjosi mahdollisuuden vaihtaa tietoja ja taitoja myös kansainvälisellä tasolla. Hottinen korostaa, että kotimainen mallinnusosaaminen koituu pitkällä aikavälillä suomalaisen teollisuuden hyödyksi. ”Saimme loistavaa perusymmärrystä palamisesta ja polttoaineen sekoittumisesta. Etenkin kaasun palamista on mallinnettu maailmalla vielä hyvin vähän”, Hottinen sanoo. Perimmäisenä tavoitteena on polttoaineen täydellinen palaminen, jolloin hiukkaspäästöjä ei synny. Hottisen mukaan tutkimus viitoitti tietä tähän suuntaan. ”Mikäli päästöt saadaan kuriin jo palon aikana, erillistä jälkikäsittelyä ei välttämättä tarvita. Esimerkiksi työkonemoottoreissa ei ehkä tarvita hiukkassuodattimia tulevaisuudessakaan, vaikka päästörajoitukset kiristyvät.”
TULO KS IA
15
PA L A MIS E N KEHIT TÄM INEN
Yhä parempi hyötysuhde Aalto-yliopiston yksisylinterinen, ääriolosuhteille varattu tutkimusmoottori otettiin käyttöön juuri ennen tutkimusohjelman alkua. Tutkimusohjelmassa sillä saavutettiin 300 barin paine, jota tutkijat pitävät epävirallisena maailmanennätyksenä. Mutta miksi korkean paineen koe tehtiin? ”Teollisuudessa halutaan aina suurempaa tehoa yhä pienemmästä tilavuudesta. Tällaisilla kokeilla pohjustetaan sitä, mitä teollisuus tekee noin viiden vuoden päästä”, Martti Larmi arvioi. Hän huomauttaa, että suuresta paineesta on tehon lisäyksen ohella muitakin hyötyjä. Esimerkiksi hiukkaspäästöt jäivät odotetusti lähes olemattomiksi. Tutkijoita – ja moottorinkehittäjiä – kiinnostaa laajemminkin se, miten olosuhteet vaikuttavat palamiseen, päästöihin sekä moottorin hyötysuhteeseen ja luotettavuuteen. ”Esimerkiksi sallimalla korkeita palamislämpötiloja päästään korkeisiin hyötysuhteisiin, mutta silloin syntyy myös paljon haitallisia typen oksideja. Siksi tavoittelimme tutkimusohjelmassa myös matalampia palamislämpötiloja”, Martti Larmi selittää. Hän viittaa
matalalla lämpötilalla 1 600 – 2 300 asteeseen, kun normaalisti liekin lämpötila voi nousta dieselmoottorissa jopa 2 800 asteeseen. Matalalämpötilapalamista tavoiteltaessa yksi olennainen kysymys on polttoaineen syttyminen. Tätä tutkittiin biopolttoaineiden osalta hyödyntäen ohjelmassa rakennettua optista moottoria. Ohjelmassa tutkittiin myös moottorin osia, joilla voidaan hallita moottorin käyntiä entistä paremmin sekä samalla edistää sen hyötysuhdetta ja hillitä päästöjä. Tampereen teknillisen yliopiston johdolla kehitettiin digitaalisesti ohjattavia venttiileitä, jotka säätävät ilman ja pakokaasujen kulkua. Prototyyppejä käytettiin menestyksekkäästi tutkimusmoottorissa. Polttoaineen syöttämiseen kehitettiin polttoainepumpun prototyyppi, jonka hyötysuhde päihitti kaupalliset versiot noin viidenneksellä. ”Koko moottorin hyötysuhteeseen uusi pumppu vaikuttaa alle puoli prosenttia, mutta sekin on arvokasta. Hyötysuhde kasvaa vain pienistä puroista” ohjelmapäällikkö Matti Kytö sanoo.
T
E K U
O
H K M AT T I K Y TÖ ohjelmapäälikkö, FCEP
U S
18
T U LO K S I A
PÄ Ä STÖJEN HAL L INTA
Pakokaasut puhtaammiksi Tuotettaessa energiaa polttamalla on olennaista vähentää ilmakehään pääsevien typen oksidien ja hiukkasten määrää. Päästöjä voi hillitä palamistekniikalla, mutta nykyisissä moottoreissa typpioksidipäästöjen minimointi johtaa tavallisesti hiukkaspäästöjen kasvuun, ja päinvastoin. Osa työstä siirtyy siis väistämättä sylinterin ulkopuolelle pakoputkeen. Niin autoissa kuin voimalaitoksissakin pyritään katalysaattorin avulla pelkistämään typen oksideja typeksi sekä hapettamaan hiiltä ja hiilivetyjä hiilidioksidiksi ja vedeksi. Yksi yleisimmistä menetelmistä on selektiivinen katalyyttinen pelkistäminen eli SCR-teknologia, ja siihen keskityttiin myös tutkimusohjelmassa. Katalyyttitutkimuksen ajankohtainen ja tärkeä tavoite on löytää vaihtoehtoja hyvin toimiville, mutta haitallisille, vanadiiniyhdisteille ennen kuin niiden käyttöä rajoitetaan. Tutkimusohjelmassa Oulun yliopisto kehitti uusia SCR-katalyyttejä, jotka pelkistävät typen oksideja tehokkaasti laajalla lämpötila-alueella. Korkean lämpötilan suorituskykyyn jäi vielä parantamisen varaa. Kehitettäviltä katalyyttimateriaaleilta vaadittiin myös rikin kestoa, koska rikkioksideja syntyy muun muassa raskasta polttoöljyä poltettaessa. Lisäksi tutkimuksessa selvitettiin, miten katalyytteihin vaikuttavat
muut epäpuhtaudet, kuten alkalimetallit, joita on etenkin biopolttoaineissa. Maakaasua poltettaessa on tärkeää minimoida myös metaanin, siis palamatta jääneen kaasun, päästö. Metaanin hapettaminen katalysaattorissa vaatii kuitenkin korkeaa lämpötilaa, mikä ei toteudu helposti varsinkaan moottorin toimiessa pienellä kuormalla. Dinex Ecocat ja Wärtsilä kehittivät ohjelmassa konseptia, jossa katalysaattori sijoitetaan pakosarjan ja ahtimen väliin. ”Siinä pakokaasu on kuumimmillaan, mutta toisaalta mekaaniset rasitukset suurimmillaan”, Matti Kytö kertoo. Ohjelmassa perehdyttiin myös rikkioksidien poistoon. Kohteeksi valittiin laivojen polttomoottorit, joissa käytetään tyypillisesti runsaasti rikkiä sisältäviä raskaita polttoöljyjä. Rikkipesurin toimintaperiaate riippuu pitkälti siitä, käytetäänkö sitä merivedessä vai makeassa vedessä. Ohjelman aikana kehitettiin uuden tyyppinen pesuri, jonka prosessiin haettiin patenttia. Kyseinen pesuri valitsee pesumenetelmän automaattisesti tarjolla olevan veden mukaan. Pesun voi esimerkiksi aloittaa merivedellä ja viimeistellä makealla vedellä emäksisten kemikaalien avulla.
TULO KS IA
19
E NE RGI A TALT EEN
Sähköä pakokaasuista Kun lisätään moottorivoimalaitoksen hyötysuhdetta, oman huomionsa vaatii pakokaasujen lämpöenergia. Ahdin työntää ilmaa moottoriin pakokaasujen voimalla ja vaikuttaa siten merkittävästi moottorin tehoon ja hyötysuhteeseen ”Ohjelman tuloksena kehitettiin ahdinratkaisu, joka tuottaa aiempaa korkeampia ahtopaineita. Uutta on se, että sähköä voidaan myös saada ulos suoraan ahtimelta”, Matti Kytö kertoo. Uusia ratkaisuja sähköntuottamiseen tarjoavat myös termosähköiset materiaalit, jotka reagoivat lämpötilaeroon tuottamalla sähköä. ”Termosähköisen materiaalin avulla esimerkiksi ympäristöään hieman lämpimämmässä pinnassa sijaitsevalle anturille ei tarvitsisi vetää sähköjohtoa, vaan se tekisi tarvitsemansa sähkön lämpötilaerosta”, Kytö selventää.
Tutkimusohjelmassa havaittiin, että sähkön tuottoa pystytään lisäämään materiaaleja ja valmistustekniikkaa kehittämällä, mutta lisätehon hinta nousee vielä liian suureksi. Sen sijaan pienitehoisia termosähköisiä moduuleja voidaan valmistaa edullisemmin muun muassa painamalla, johon VTT:llä on erinomaiset edellytykset. Se, että pakokaasujen lämpöä voidaan hyödyntää höyrykattilan avulla sähkön- ja lämmöntuotannossa, ei vakiintuneena ratkaisuna kuulunut tähän ohjelmaan. Sen sijaan tutkittiin lämmön muuntamista sähköksi Organic Rankine Cycle -menetelmällä (ORC), jossa lämpöä siirtää veden sijasta jokin muu neste. Menetelmän avulla pystytään hyödyntämään suhteellisen matalia lämpötiloja, mutta kustannukset jarruttavat sen laajaa käyttöönottoa. Tutkimuksessa olivat mukana Vaasan yliopisto, Wärtsilä, VTT, Lappeenrannan teknillinen yliopisto ja Turun ammattikorkeakoulu.
M
A K Biopolttoaineisiin kohdistuu paljon kiinnostusta, mutta on tiedetty, että niissä on haasteensa.
A
A A
T E R O H OT T I N E N innovaatiopäällikkö, Wärtsilä
S
U
TULO KS IA
21
PO LT TOA INEEN VAL INTA
Laajaa valikoimaa kohti Sekä päästöihin että energiatehokkuuteen vaikuttaa merkittävästi se, mitä polttoainetta moottorissa käytetään. Tutkimusohjelmassa haluttiin pohjustaa sujuvia siirtymiä fossiilisista öljyistä maakaasuun ja biopolttoaineisiin. ”Nykyaikaiset moottorit toimivat hyvin kaasulla, ja ne pystyvät siirtymään helposti nestemäisestä polttoaineesta kaasuun ja päinvastoin. Biopolttoaineiden kohdalla on kuitenkin tärkeää selvittää, miten eri epäpuhtaudet vaikuttavat moottorin kuntoon sekä palamiseen ja päästöihin”, Tero Hottinen sanoo. Jos esimerkiksi jätevesien piiyhdisteet päätyvät biokaasuun, ne voivat johtaa moottorissa häiriöön tai peräti vaurioon. Ohjelmassa tutkittiin piiyhdisteiden poistamista biokaasuista.
Huomattavan painon ohjelmassa sai nestemäisten biopolttoaineiden suodatus. Wärtsilä ja VTT kartoittivat erilaisia ratkaisuja ja kehittivät tutkimustulosten perusteella suodatusyksikön. Onnistuneiden käyttötestien jälkeen edessä on koekäyttö voimalaitoksessa. Hottinen pitää suodattamisen kehittämistä merkittävänä avauksena niin polttoaineiden kuin moottorivoimalaitostenkin markkinoilla. ”Biopolttoaineisiin kohdistuu paljon kiinnostusta, mutta on tiedetty, että niissä on haasteensa. Meidän on avattava niille tietä.”
M T N
I E
UUN A Tuuli- ja aurinkoenergia tekevät tulevaisuuden sähköverkoista huomattavasti herkempiä vaurioille. Siksi generaattorinkin tulee kestää entistä paremmin verkon vikatilanteita
J O H N S H I B U TA N I tutkimus- ja kehityspäällikkö, ABB
N
M
TULO KS IA
23
E NE RGIA N MUUNTAMINEN
Sähköä luotettavasti Generaattori muuttaa moottorin tuottaman mekaanisen energian sähköenergiaksi ja siirtää sen sähköverkkoon. Siksi generaattoria kehitettäessä on tarkasteltava koko sähköverkon vaatimuksia. Tuuli- ja aurinkoenergian kasvava käyttö herkistää sähköverkkoja häiriöille, minkä vuoksi sähköyhtiöt ovat kiristäneet vaatimuksiaan verkkoon kytkettäville laitteille. Työn alla on myös Euroopan laajuinen standardi ”Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että myös polttomoottorivoimalaitoksiin toimitettavien generaattoreiden tulee sietää entistä paremmin verkon vikatilanteita ilman, että generaattori kytketään pois verkosta”, kertoo tutkimuspäällikkö John Shibutani ABB:ltä. Tutkimusohjelmassa sähköverkon uusia vaatimuksia tarkasteltiin ennen kaikkea mallintamisen ja simuloinnin keinoin. Tutkimuksen jälkeen ABB toimitti uuden tyyppiset verkkovaatimukset täyttävät generaattorit Wärtsilän rakentamaan voimalaitokseen. Generaattorille tulee vaatimuksia myös toisesta suunnasta.
”Isossa mäntämoottorissa syntyy merkittäviä värähtelyherätteitä, jotka aiheuttavat korkeita mekaanisia rasituksia siihen kytketyille laitteille. Generaattorin on kuitenkin toimittava luotettavasti moottorin pitkän eliniän ajan, jopa 30 vuotta”, Shibutani sanoo. Tutkimusohjelmassa kehitettiin generaattorin värähtelylaskentaa sekä uudentyyppisiä massanvaimentimia ja kerättiin yhä parempaa ymmärrystä hitsien väsymiskestosta. Vaikka generaattorin hyötysuhde on jo tyypillisesti yli 97 prosenttia, markkinoilla odotetaan Shibutanin mukaan edelleen parannuksia ilman merkittäviä lisäkustannuksia. Ohjelmassa kohennettiin generaattorin hyötysuhdetta materiaaleja ja generaattorin yksityiskohtia optimoimalla. Koko voimalaitoksen hyötysuhdetta parannettiin optimoimalla generaattorin toimintaa yhdessä muuttuvanopeuksisen moottorin kanssa siten, että moottori toimii optimaalisella hyötysuhteella myös olosuhteissa, joissa täyttä tehoa ei tarvita.
24
T U LO K S I A
VO IMA L A ITOKSEN HAL L INTA
Ennakoivaa ja joustavaa Kun polttomoottorivoimalaitos liittyy sähköverkkoon, on varmistettava, että koko laitos reagoi joustavasti sähkön kysynnän ja tarjonnan heilahteluihin. Ei riitä, että moottorit käynnistyvät ja sammuvat nopeasti. On lisäksi pystyttävä hallitsemaan moottoreita vaivattomasti ja optimoimaan niiden hyötysuhdetta muuttuvien olosuhteiden mukaan. ”Tarvitaan älykkäitä automaatioratkaisuja”, Tero Hottinen toteaa. Hän korostaa, että automaatio ulottuu parhaimmillaan laitoksen ylläpitoon asti. Ylläpitoon keskityttiin myös tutkimusohjelmassa. Mukana oli kunnonhallinnan eli CBM:n (Condition Based Maintenance) asiantuntija Wapice.
”On tärkeää selvittää, milloin on järkevää huoltaa. Ei liian myöhään, muttei liian aikaisinkaan”, tiivistää Wapicen toimitusjohtaja Pasi Tuominen. Etähallinnan yksinkertaiset anturit ja monimutkaiset algoritmit varmistavat, että yksittäisen laakerinkin kuluminen analysoidaan huolella. ”On pääteltävä, käykö laite liian kuumana vai onko voiteluöljy tai laakerin metalliseos väärä. On myös selvitettävä, käytetäänkö samoja laakereita muualla ja onko niissä ongelmia”, Tuominen sanoo. Automaattisesti etenevä päättelyketju johtaa parhaimmillaan toimenpiteisiin, jotka edistävät laitoksen luotettavuutta ja energiatehokkuutta ja vähentävät samalla huoltokustannuksia.
H
A
L
L I N
PA S I T U O M I N E N toimitusjohtaja / Wapice
T
A
K O Pystymme seuraamaan ja kuvaamaan polttoaineen ruiskutusta ja palamista.
E
MART TI L ARMI professori, polttomoottoritekniikka, Aalto yliopisto
TULO KS IA
27
TUTK IMU SL AIT T EISTO
Ykkösluokan laite – optinen moottori Moottorin koeajossa tiedetään, mitä sylinterin palotilaan menee, ja saadaan selvitettyä, mitä sieltä tulee ulos. Tunnetaan myös sylinterin olosuhteet, kuten lämpötila ja paine. Mutta mitä siellä tapahtuu? Moni asia selviäisi, jos sylinteriin näkisi. Tutkimusohjelmassa Aalto-yliopistoon rakennettiin optinen moottori AGCO Powerin dieselmoottorista. Sylinteriin avautuu näkymä sekä sen seinämän että männän kautta. ”Pystymme seuraamaan ja kuvaamaan polttoaineen ruiskutusta ja palamista”, Martti Larmi kertoo. Moottori on ensimmäinen täysin optinen poltto-
moottori Suomessa, ja maailmassakin sellaisia on vain muutamia. Maailmanluokan tutkimusympäristöä vahvistivat myös monet muut ohjelman osallistujat. AGCO Power, Turun ammattikorkeakoulu sekä Vaasan yliopisto paransivat valmiuksiaan moottorien päästömittauksissa. VTT puolestaan suunnitteli merkittäviä uudistuksia keskinopeiden dieselmoottoreiden kokeelliseen päästötutkimukseen ABB:n ja Wärtsilän avulla. Uudistukset linkittyivät kuitenkin suurempaan moottoritutkimusta koskevaan muutokseen VTT:llä, ja niiden toteutus jatkui osin tutkimusohjelman päätyttyä.
K E H T
I Kyllä konsernin johdossa on huomattu ja erityisesti arvostettu sitä, että suomalaiset yritykset ja tutkimuslaitokset tekevät yhteistyötä ja valtiokin tukee sitä. K A R I A A LTO N E N tuotekehitysjohtaja / AGCO Power
Y
S
TULO KS IA
29
CA SE
Tutkimus Suomessa, yritys maailmalla Polttomoottoreiden kehitystahti on kiihtynyt vuosi vuodelta kiristyvän lainsäädännön myötä. Tavoitteena on ennen kaikkea päästöjen hillintä. ”Käytännössä olemme tehneet koko moottorimalliston täysin uusiksi viimeisen kolmen vuoden aikana”, sanoo dieselmoottoreita valmistavan AGCO Powerin tuotekehitysjohtaja Kari Aaltonen. Luulisi laajan energiatehokkuuteen ja päästöihin keskittyvän tutkimusohjelman tulleen AGCO Powerissa kovaan tarpeeseen, mutta Aaltonen punnitsee asiaa myös toiselta kantilta. Hän muistuttaa, että sisäinen kehitystyö kisaa samojen työntekijöiden ajasta kuin ulkoinen yhteistyö. Selvää on myös se, että pitkäjänteinen, monialainen työ kumppaneiden kanssa ei johda uusiin tuotteisiin yhtä nopeasti kuin oma kehitystyö. Ohjelma vakuutti kuitenkin AGCO Powerin. ”Saimme ohjelmasta tuloksia, joiden avulla voimme säätää moottoriemme käyntiä vaikka heti, ja tuloksia, joista on hyötyä, kun suunnittelemme seuraavan sukupolven moottoria, mitä teemme parhaillaankin”,
Aaltonen toteaa. Vaikka tutkimusohjelma keskittyi voimalaitoksiin, hän arvioi, että esimerkiksi päästöjä koskeva tutkimus edistää yhtä lailla nopeakäyntisten työkonemoottorien kehitystä. AGCO Power Oy on ainoa moottorinvalmistaja maailmanlaajuisesti toimivassa, maatalouskoneita valmistavassa AGCO-konsernissa. AGCO Powerilla on tuotekehitys ja tehdas Suomessa sekä tehtaat myös Kiinassa ja Brasiliassa. ”Suomeen rakennettiin juuri uusi tehdas. Eihän se olisi tullut tänne ilman huipputason tuotekehitystä. Kyllä konsernin johdossa on huomattu ja erityisesti arvostettu sitä, että suomalaiset yritykset ja tutkimuslaitokset tekevät yhteistyötä ja valtiokin tukee sitä”, Aaltonen toteaa. Tutkimusohjelmaan osallistui myös kaksi muuta ulkomaisen emoyhtiön tytäryhtiötä. Katalysaattorien valmistaja Ecocat Oy myytiin ohjelman aikana tanskalaiselle pakokaasujen käsittelyyn erikoistuneelle Dinexille, ja globaalisti toimivassa ABB:ssä päävastuu moottorivoimalaitosten generaattorien tuotekehityksestä on Suomessa ABB Oy:llä.
30
T U LO K S I A
CA SE
Tukea vahvasta verkostosta ”Meillä on vain vähän omaa tutkimusta, mutta haluamme tukea alan tutkimusta ja verkostoitua yhä paremmin tutkimuslaitosten kanssa”, kertoo ohjelmaan osallistuneen Gasumin asiakaspäällikkö Lauri Pirvola. Gasum Oy toimii maakaasun maahantuojana ja tukkumyyjänä sekä siirtoverkoston omistajana ja ylläpitäjänä. Pirvolan mukaan kaasumarkkinat monipuolistuvat lähivuosina erityisesti nesteytetyn maakaasun ja biokaasun ansiosta. Hän odottaa kaasuille uusia käyttökohteita uusiutuvan sähköntuotannon säätö- ja varavoiman tuotannosta sekä toisaalta meriliikenteestä ja muilta maakaasuverkon ulkopuolisilta alueilta sitä mukaa, kun nesteytetyn maakaasun logistiikkaketjut kehittyvät. ”Nesteytetty maakaasu on varmasti merkittävä vaihtoehto, kun meriliikenteen päästörajoitukset tiukentuvat ja laajenevat Itämereltä ja Pohjanmereltä muuhun maailmaan”, Pirvola sanoo. . Vuonna 2015 Itämerellä ja Pohjanmerellä tulee voimaan EU:n rikkidirektiivi, jonka seurauksena laivoihin on asennettava
rikkipesurit tai laivojen on siirryttävä vähärikkisiin polttoaineisiin. Nesteytetty maakaasu ei sisällä rikkiä juuri lainkaan. Biokaasumarkkinoilla Gasum toimii jalostetun biokaasun tuottajana, myyjänä sekä siirtäjänä. ”Kaasun laatuvaatimukset ovat tiukat. Meidän on tiedettävä varsin tarkkaan, minkä laatuista kaasua me syötämme kaasun siirtojärjestelmään. Tutkimusohjelmassa keskityttiinkin sellaisiin biokaasun ainesosiin, joiden pienetkin pitoisuudet saattavat aiheuttaa ongelmia.” Pirvolan näkökulmasta ohjelman monipuolisuus koitui pienenkin osallistujan eduksi. ”Esimerkiksi ohjelman ohjausryhmän kokouksista sai hyvän läpileikkauksen siitä, mitä eri ohjelmapaketeissa tapahtuu. Saimme lisättyä tietämystämme siitä, mitä moottoritekniikan tutkimuksessa tehdään ja mitkä ovat alan tulevaisuudennäkymät.”
V
E
Meillä on vain vähän omaa tutkimusta, mutta haluamme tukea alan tutkimusta ja verkostoitua yhä paremmin tutkimuslaitosten kanssa. L AURI PIRVOL A asiakaspäällikkö Gasum
O S
K T
R
O
Y E T
H I
T S
Y N I KO L A O S K Y R TATO S professori / meritekniikan laboratorio, Ateenan kansallinen teknillinen yliopisto, Kreikka
Ă&#x2013;
A RVIO
33
Monialainen yhteistyö vaatii hyvää johtamista ”Tulevaisuuden polttomoottorivoimalaitokset -ohjelma osui hyvin niihin maailmanlaajuisiin kysymyksiin, jotka alalla on ratkaistava. Se tuotti myös runsaasti vastauksia. Työn tieteellinen ja teknologinen taso oli hyvä ja monissa tapauksissa korkeaa kansainvälistä tasoa.
Tärkeä hetki on myös ohjelman päätös. Kun kumppanit ovat päässeet vauhtiin korkeatasoisessa yhteistyössä, vauhti kannattaisi käyttää hyödyksi esimerkiksi pienempinä jatkoprojekteina tai jopa saman skaalan hankkeena. Kyse on viime kädessä yksilöiden välisestä sujuvasta yhteistyöstä.”
Ohjelma sai mukaansa tärkeiden tutkimuslaitosten ohella merkittäviä kumppaneita myös teollisuudesta. Oli ilo huomata, miten nämä organisaatiot olivat löytäneet rahoituksen sekä rohkeuden yhdessä työskentelemiseen. Uskon, että tulos oli panosta suurempi.
PROFESSORI NIKOLAOS KYRTATOS, meritekniikan laboratorio, Ateenan kansallinen teknillinen yliopisto, Kreikka
Suuren mittakaavan monialaisessa tutkimuksessa on aina omat etunsa mutta myös riskinsä. Yhteistyö vaatii erittäin vahvaa johtamista aiheiden valinnasta alkaen. Kun mukana on tutkimuslaitoksia sekä yrityksiä, perustutkimuksen ja tuotannon välille on löydyttävä yhteys. Kaiken on mahduttava samaan putkeen, mutta se ei saa olla erityisen kapea mistään kohdasta. Eri osa-alueet on sovitettava yhteen myös ajallisesti. On varmistettava, että kaikki hoitavat osuutensa. Tämä ohjelma oli tehokkaasti organisoitu, ja osallistujat tuotiin erittäin hyvin yhteen niin aiheen kuin ajankin puolesta. Olennaista onnistumiselle oli myös se, että osallistujilla oli helppoja mahdollisuuksia vaihtaa tietoja keskenään.
Nikolaos Kyrtatos osallistui Tulevaisuuden polttomoottorivoimalaitokset -ohjelman arviointiin ja kehittämiseen ohjelman tieteellisen neuvottelukunnan (Scientific Advisory Board) jäsenenä. Ryhmän jäseninä toimivat lisäksi: professori MARCUS ALDEN, fysiikan osasto, Lundin yliopisto, Ruotsi professori KONSTANTINOS BOULOUCHOS, energiatekniikan laitos, ETH Zürich, Sveitsi
M AT T I K Y TÖ FCEP ohjelmapäällikkö, CLEEN Oy (VTT) matti.kyto@vtt.fi / +358 40 502 6334 TO M M Y J ACO B S O N CEO, CLEEN Oy tommy.jacobson@cleen.fi / +358 40 828 2711 J AT TA J U S S I L A -S U O K A S CTO, CLEEN Oy jatta.jussila@cleen.fi / +358 40 825 6500