Energiainfra ja uudet energiateknologiat
Energialähteet ja polttoaineet
Energiatuotanto ja -jakelu
Tiedonhallinta, tietojärjestelmät, digitalisaatio
Ympäristöteknologia

SmartFlex tuo tervetullutta joustavuutta voimalaitoksiin

Kuva: Kari Erkkilä

Digitalisaatio ja automaatio on muuttamassa eri toimialoja,eikä energia-ala ole mikään poikkeus tässä mielessä – tarve lisätä älyä ja joustavuutta on ilmeinen.

SMARTFLEX-PROJEKTI PYRKII lisäämään älyä ja joustoa hyödyntämällä uusia digitaalisia ratkaisuja sekä tietopohjaisia lähestymistapoja voima- ja lämpölaitosten suunnittelussa ja käytössä. VTT:n vetämää projektia rahoittaa Business Finland, jonka Smart Energy Finland -ohjelmaan SmartFlex kuuluu.

Energia-alalla älykkäiden ratkaisujen tarve on kova, toteaa kaksivuotisen SmartFlex-projektin päällikkö Mikko Jegoroff VTT:ltä.

”Energiajärjestelmä on muuttumassa yhä monimutkaisemmaksi, jolloin voimalaitoksiin kohdistuu uusia vaatimuksia sähköverkon tukemiseksi ja vakauttamiseksi. Samanaikaisesti lisääntyvien joustavuusvaatimusten kanssa myös päästöjen raja-arvoja kiristetään ja uusiutuvien polttoaineiden suosio kasvaa”, hän kuvailee.

Lyhyellä aikavälillä nykyisten voimalaitosten energiantuotantoa on mukautettava uusiin olosuhteisiin. Hieman pidemmällä aikavälillä pitää kehittää seuraavan sukupolven voimaloita ja uusia konsepteja, jotka tuottavat paljon muutakin kuin energiaa ja joissa energiavarastot ovat tärkeässä roolissa. SmartFlex-projektin työ kohdistuu sekä lyhyen että pitkän aikavälin vaatimuksiin.

Uusi kattilakonsepti tulilla

Jegoroffin mukaan projektissa vastataan erilaisiin, osin ristiriitaisiinkin vaatimuksiin kehittämällä uusia valvonta- ja säätötyökaluja ja menetelmiä prosessin operointiin tulevaisuuden haasteissa.

”Kehitystyössä tukeudutaan parempaan prosessiymmärrykseen, uusiin mittausmenetelmiin sekä uusiin älykkäisiin mallinnuksen ja mittausten yhdistelmiin”, hän kuvailee.

Julkinen SmartFlex-tutkimushanke tekee tiivistä yhteistyötä rinnakkaisten teollisuuden yritysprojektien kanssa. Tutkimusprojektissa kehitetään yleisiä menetelmiä, ja yritysprojekteissa keskitytään enemmän tiettyihin sovelluksiin.

”Me teemme tässä vaiheessa nimenomaan menetelmäkehitystä ja yritykset jatkavat tästä eteenpäin omilla ratkaisuillaan”, Jegoroff toteaa. Projektin yrityskumppaneina toimivat Fortum Power and Heat Oy, Sumitomo SHI FW Energia Oy (SFW), Inray Oy sekä Pinja Group (entinen Protacon Solutions Oy).

Kohti ketterämpiä voimalaitoksia

Miksi SmartFlexin kaltainen projekti sitten tarvitaan? – Jegoroff taustoittaa, että tuuli- ja aurinkoenergian päivittäinen vaihteleva tuotanto haastaa perinteiset voimalaitokset joustamaan. Perinteinen sähkön ja lämmön yhteistuotanto (CHP) tasoittaa vaihtelua, jota tuuli- ja aurinkovoima tuovat energiamarkkinoille. CHP-laitokset tarjoavat myös mahdollisuuden polttaa uudenlaisia biopohjaisia polttoaineita ja vähentää siten suoraan fossiilisten polttoaineiden käyttöä. SmartFlex-projektissa kehitetään älykkäitä valvonta- ja säätötyökaluja, joiden avulla voimalaitoksia voidaan ohjata nopeasti muuttuvissa tilanteissa.

”Nopeat kuorman muutokset ja polttoaineen vaihdokset voivat rasittaa voimalaitoksen materiaaleja, tuottaa ylimääräisiä päästöjä ja heikentää energiantuotannon hyötysuhdetta.”

”Tavoitteena on pidentää laitosten elinkaarta sekä ylläpitää hyvä hyötysuhde ja pienet päästöt luotettavasti koko elinkaaren ajan”, Jegoroff toteaa.

”Meneillään olevan murroskauden tavoite on vastata paremmin laitosten tarpeisiin ja edesauttaa dynaamisempaa käyttöä.”

Automaattista ohjausta lisää

SmartFlex haluaa tarjota voimalaitoksille ratkaisuja lähitulevaisuuden joustovaatimuksiin: luoda valvonta- ja säätötyökaluja, jotka tuovat laitoksen käyttäjille reaaliaikaista tietoa prosessista ja ohjeita laitoksen optimaaliseen käyttöön.

”Ne tarjoavat myös perustan etäohjauksen sekä automaattisen ohjauksen lisäämiselle. Parhaimmillaan työkalut varmistavat laitoksen hyvän hyötysuhteen, pienet päästöt ja hyvän kunnon vaihtelevissa olosuhteissa”, Jegoroff summaa.

Tavoitteena on, että projektissa tuotetut ratkaisut ja menetelmät sopivat jatkokehittelyn jälkeen monenlaisiin sovelluksiin. CHP-laitosten ohella tällaisia ovat mm. lukuisat kaukolämpölaitokset, jätteenpolttolaitokset sekä pelkkää sähköä tuottavat lauhdevoimalaitokset. Ideana on testata projektissa syntyneitä ratkaisuja toimivaan kaupalliseen biovoimalaitokseen.

Projektissa tutkitaan olemassa olevia mittausmenetelmiä, ja selvitetään, miten niitä voitaisiin hyödyntää nykyistä paremmin. Myös uusien mittausten tarvetta arvioidaan.

”Tavoitteena on kehittää mittausten automaattista analysointia sekä olosuhteiden ennustamista yhdistämällä mittaustuloksia ja prosessimallinnusta”, Jegoroff toteaa.

MPC hyödyntää monitorointia ja diagnostiikkaa

Yhtenä tutkimuskohteena projektissa on malliprediktiivinen säätö (MPC, Model Predictive Control), joka viittaa mallipohjaisiin säätöalgoritmeihin, joissa suorituskykyfunktiota optimoimalla pyritään haluttuun säätötavoitteeseen. MPC-säätö on säilyttänyt suosionsa haastavien kohdejärjestelmien säätöjärjestelmänä läpi vuosikymmenten.

”MPC on oppiva järjestelmä, jota hyödynnämme monitoroinnin ja diagnostiikan luomisessa”, kertoo Jegoroff.

Yhtenä osana kokonaisuutta on laitosten etähallinta, esimerkiksi ongelmatilanteissa. Laitosten automaatiota halutaan kehittää sujuvasti rullaavaksi kokonaisuudeksi:

”Itse asiassa laitosten toiminnassa on niin paljon muuttujia, että erityisesti tulevaisuuden olosuhteissa järkevää hallintaa helpottavat menetelmät ovat tarpeen. Automaatiota tarvitaan toisaalta säätöpuolen hoitamiseen ja toisaalta monitoroinnin ja diagnostiikan hoitoon”, hän pohtii.

Projekti jatkuu ainakin vuoden loppuun

SmartFlex-tutkimusprojekti alkoi marraskuussa 2019 ja jatkuu vuoden loppuun – eli yli puolet on jo takana. Paljon on jo saatu aikaan:

”VTT:n dynaamista Apros-simulaatioympäristöä käytetään mm. CHP-laitosten mallinnukseen. Projektissa kehitettävät uudet operointi ja automaatioratkaisut testataan tässä mallinnusympäristössä. Työn tukena käytämme 3D-virtausmallinnusta tulipesäolosuhteiden analysointiin”, Jegoroff listaa.

Yritysosakkaiden asiantuntemus on ollut hyvänä tukena tekemisessä. VTT on tuonut tutkimukseen oman asiantuntemuksensa muun muassa mallinnuksesta, materiaalitutkimuksesta sekä voimalaitosten tutkimus- ja kehityshankkeista – kaikkiaan VTT:läisiä on projektissa mukana noin tusina.

Vähähiilinen linja pitää

Digitalisaation ja automaation riemukulku ei osoita merkkejä hidastumisesta aivan pian. Mutta miten sitten suomalainen energia-ala sijoittautuu esimerkiksi juuri automaation käyttövalmiudessa – pioneeri vai peränpitäjä? – Kysymys saa Jegoroffin mietteliääksi – hän huomauttaa heti alkuun, että energia-alalla on tietenkin erilaisia toimijoita, joihin kohdistuu erilaisia vaatimuksia.

”Tässä ydinvoimalaitokset kaikkine suojajärjestelmineen ovat omalla tasollaan”, hän muistuttaa. ”Mutta jos ajatellaan käynnissä olevaa ’dekarbonisaatiota’ ja uusiutuvien lisääntymistä ja tästä seuraavaa energiamurrosta, niin voisi todeta, että Suomessa mennään samassa aallossa kuin maailmalla laajemminkin.”

”Sitä mukaa kun tulee uusia haasteita, niihin reagoidaan myös meillä, tarvittaessa myös automaatiota lisäämällä.”

Teksti: Sami J. Anteroinen

Seuraa Enertec

Enertec uutiskirje