Kohti vihreää merenkulkua

KUVA: Shutterstock

Kohti vihreää merenkulkua

Teksti: RIIKKA KALMI Kuvat: SHUTTERSTOCK ja SATU AALTONEN

Merenkulku aiheuttaa noin 2,5 prosenttia maailman kasvi huonepäästöistä, ja kansainvälinenmerenkulkujärjestö IMO on asettanut tavoitteeksi puolittaa päästöt vuoteen 2050 mennessä.Merenkulun uudistaminen digitaalisten ratkaisujen avulla auttaa päästöjen vähentämisessä.

Vaasan yliopisto on mukana uudessa INTENS-hankkessa, joka tähtää merenkulun aiheuttamien päästöjen vähentämiseen ja alusten energiatehokkuuden parantamiseen digitalisaation avulla.

Kyse on monimutkaisesta kokonaisuudesta, sillä alusten kaikki koneet, laitteet ja järjestelmät on saatava säästämään energiaa. INTENS-hankkeessa tähän tähdätään luomalla kokonaisuudesta digitaalinen malli, jota voidaan hyödyntää energiapihin järjestelmän suunnittelussa ja optimoinnissa.

Digitaalinen kaksonen rakentuu Vaasassa

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.

VEBICin laboratorio on erinomainen alusta digitaalisen kaksosen rakentamiselle, kokeilulle ja kehittämiselle.

KUVA: Satu Aaltonen

Samaisen merenlahden 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. Sille mallinnetaan digital twin eli digitaalinen kaksonen. 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.

”Tutkimus nopeutuu, kustannukset pienentyvät”

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

– Lopputulos on digitaalinen kaksonen moottorista. 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.

Biokaasu parempi vaihtoehto päästöjen kannalta Hautalan kanssa huoneen jakava projektitutkija Kirsi Spoof-Tuomi on selvittänyt osana hanketta, 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.

Laaja konsortio tutkii

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

Konsortioon kuuluu VTT:n ja yliopistojen lisäksi myös 14 meriteollisuuden yritystä. Laaja verkosto antaa hyvät edellytykset digitalisaation vahvistamiseen sekä auttaa luomaan kansainvälisiä kontakteja ja houkuttelemaan alan parasta osaamista Suomeen. Yli 13 miljoonan euron rahoitus hankkeeseen tulee konsortion jäseniltä sekä Business Finlandilta.

– Meriteollisuus on Suomessa hyvässä iskussa, mutta aseman säilyttämiseksi tarvitsemme osaajia, sanoo hanketta koordinoivan VTT:n Digital engineering -tutkimusalueen päällikkö Johannes Hyrynen.

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

"INTENS on merkittävä askel kohti älykästä merenkulkualan ekosysteemiä. Odotamme sen parantavan järjestelmien tehokkuutta, luotettavuutta ja käyttövarmuutta. Tavoitteena on etenkin löytää ratkaisuja, jotka vähentävät polttoaineen käyttöä ja vähentävät päästöjä. Wärtsilälle tärkeää hankkeessa on järjestelmän integraation kehittäminen ja koko järjestelmän laajuinen optimointi. Yhtä oleellista on keskittyä myös järjestelmän ydinkomponentteihin, eli etenkin polttomoottorin palamistapahtuman ohjauksen ja optimoinnin parantamiseen.”

Jonatan Rösgren, General Manager, Research & Technology Program, Wärtsilä

”Olemme vöyriläinen äänenvaimentimien valmistaja. Teemme räätälöityjä ratkaisuja erilaisiin asiakastarpeisiin. Yli 90 prosenttia tuotannostamme menee vientiin. Meillä on valmistusta myös Virossa ja Kiinassa. Haluamme hankkeessa nähdä, miten ala on kehittymässä, millaisia tulevaisuuden hybridit ja laivojen pakoputkistot ovat ja mitä säädöksien muuttuminen aiheuttaa. Näin emme tule yllätetyiksi, vaan pystymme kehittämään tuotteitamme rauhassa. Eniten hankkeessa kiinnostaa laitteiston simulointi digitaalisen kaksosella. Fyysisen mallin tekeminen esimerkiksi meidän laitteillemme maksaisi tuhansia euroja.”

Jouni Hartikainen, kehityspäällikkö, JTK Power

Energiatekniikan professori Seppo Niemen mukaan mallintaminen nopeuttaa tutkimusta ja pienentää kustannuksia.

KUVA: Satu Aaltonen