TULEVAISUUDEN POLTTO-

MOOTTORI- VOIMA-

LAITOKSET

JOHDANTO

Vahva kärki yhä vahvemmaksi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

TAUSTA

Polttomoottorivoimalaitos tulevaisuuden energiantuotannossa . . . . 8

TUTKIMUKSEN TAVOITTEET JA TOIMINTATAVAT

Laaja ala ja monta näkökulmaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

TUTKIMUSALUEET

Tutkimuskohteena polttomoottorivoimalaitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

TULOKSIA

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

ARVIO

Monialainen yhteistyö vaatii hyvää johtamista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

SISÄLLYSLUETTELO

JOHDANTO6

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

Vahva kärki yhä

vahvemmaksi

CLEEN Oy

Cluster for Energy and Environment eli strategisen huippuosaamisen keskittymä (SHOK) yrityksille ja tutkimusyhteisöille, joille energia ja ympäristö ovat merkittävä kilpailutekijä .

FCEP

Future Combustion Engine Power Plants eli Tulevaisuuden polttomoottorivoimalaitokset -tutki-musohjelma vuosina 2010–2014 .

tässä raportissa ohjelman tärkeimpiä tuloksia ja punnitsevat niiden vaikutuksia . Arvionsa esittää myös ohjelman kansainvälinen tieteellinen neuvottelukunta .

Tutkimusaiheen valintaa puolsi polttomoottorivoi-malaitosten kasvava merkitys maailman energiantuo-tannossa ja sen ympäristövaikutusten hillitsemisessä . Moottorivoimalaitos edistää uusiutuvien energia-lähteiden käyttöä tuottamalla niiden edellyttämää säätövoimaa . Lisäksi moottorivoimalaitos tarjoaa energiatehokkaan tavan hyödyntää maakaasua sekä uusiutuvia polttoaineita .

Jatta Jussila-SuokasteknologiajohtajaCLEEN Oy

JOHDANTO 7

TULEVAISUUDEN POLTTOMOOTTORIVOIMALAITOKSET -OHJELMAN TULOT JA MENOT

TULOT

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 %

TEKES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52,5 %Yritykset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34,5 %Tutkimuslaitokset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 %

50 %YRITYKSET

50 %

TUTKIMUS- LAITOKSET

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 %

MENOT

TAUSTA8

Aurinko ja tuuli eivät tuota sähköä tasaisesti ympäri vuorokauden ja vuoden, minkä takia niiden tueksi tarvitaan keinoja varastoida tai tuottaa sähköä jousta-vasti . Tehokkaita ja kannattavia varastointiratkaisuja joudutaan odottamaan todennäköisesti vielä vuosia tai jopa vuosikymmeniä . Sen sijaan sähkön tuotta-miseen voidaan vaikuttaa jo nyt . Tässä vaiheessa on tärkeää varmistaa, että uusiutuvia energianläh-teitä 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 .

Polttomoottori- voimalaitos

tulevaisuuden energian-

tuotannossaPolttomoottorivoimalaitos tarjoaa säätö-voimaa aurinko- ja tuulienergian tueksi

sekä joustavan siirtymän fossiilisista polttoaineista biopolttoaineisiin.

TAUSTA 9

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 kaasuturbii-nivoimalaitokset sekä niitä huomattavasti jousta-vammat ja joustavassa käytössä energiatehok-kaammat polttomoottorivoimalaitokset .

Pieni kulutus ja joustava käyttöPolttomoottorivoimalaitos käynnistyy hetkessä ja pääsee täyteen tuotantotehoon muutamassa minuu-tissa . 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 huipputa-solle . 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 lisää-minen ovat kuitenkin jatkuvia kehityskohteita .

Fossiilisilla polttoaineilla on erojaSäätövoiman 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, poltto-moottorivoimalaitoksessa käynnistyy automaattisesti sopiva määrä moottoreita .

Hyötysuhde mittaa energiatehokkuutta

Laitteen hyötysuhteella tarkoitetaan sen tuottaman energian ja polttoaineen sisäl-tämän 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 rikki-päästöt riippuvat suoraan käytetyn poltto-aineen määrästä ja koostumuksesta .

Sähköä saareen ja syrjäseudulle

Polttomoottorivoimalaitos sopii oival-lisesti 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 kalankäsitte-lylaitoksessa . Joskus tarvitaan väliaikaista voimalaitosta, jonka voi viedä paikalle vesitse .

TAUSTA10

Moottorisanastoselväksi

P O LT TO M O OT TO R I muuttaa poltto-aineen 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 edesta-kaisin 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 kaasu-maiset ja nestemäiset biopolttoaineet . Nopeakäyntisiä dieselmoottoreita käytetään autoissa, junissa ja työkoneissa, ja hitaampia laivoissa sekä voimalaitok-sissa . Jokaista käyttökohdetta koskevat omat päästörajoitukset, mutta yhteistä kaikilla on se, että moottorin kehittäjän on pyrittävä jatkuvasti parempaan hyötysuh-teeseen ja pienempiin päästöihin .

K A A S U M O OT TO R I K S I kutsutaan otto- tai dieselmoottoria, jonka pääpolt-toaine on kaasu . Molempia tekno-logioita käytetään voimalaitoksissa . Dieselmoottorissa kaasu vaatii syttyäkseen pienen määrän nestemäistä polttoainetta, kuten dieselöljyä .

Päästöihin vaikuttavat palamistekniikka sekä pakokaasujen puhdistusmenetelmät . Suuri merkitys on myös polttoaineen valinnalla . Tällä hetkellä voima-laitosten moottoreissa käytetään tyypillisesti raskasta ja kevyttä polttoöljyä sekä maakaasua .

Maakaasu on fossiilinen polttoaine, mutta sen hiili-dioksidipäästöt jäävät kaasun kemiallisen koostu-muksen 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 moottorivoima-loissa, joiden hyötysuhde on korkeampi kuin kivihii-livoimaloiden . 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 ulottu-mattomissa niin voimalaitoksissa kuin laivoissakin .

Uusiutuvat polttoaineet käyttöönMaakaasun ohella kasvavaa huomiota saavat uusiu-tuvat 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 polttoai-neesta toiseen kysynnän, tarjonnan ja päästörajoi-tusten ohjaamana . Näin polttomoottorivoimalaitos tarjoaa joustavan tavan siirtyä fossiilisista uusiutuviin polttoaineisiin .

TUTKIMUKSEN TAVOITTEET JA TOIMINTATAVAT 11

Tutkimusohjelma Tulevaisuuden polttomootto-rivoimalaitokset tavoitteli energiatehokkuutta ja päästöjen hillintää monesta eri lähtökohdasta . Perimmäisenä tavoitteena oli varmistaa suomalaisten yritysten ja tutkimuslaitosten asema alan kansainvä-lisessä kärjessä .

Ohjelmassa tutkittiin ja kehitettiin sekä voima-loihin että työkoneisiin tarkoitettuja polttomoot-toreita . Kohteena olivat ennen kaikkea palamis-prosessi, energian talteenotto sekä polttoaineiden ja pakokaasujen käsittely . Lisäksi optimoitiin koko voimalaitoksen toimintaa tehostamalla energian muuntamista sähköenergiaksi ja kehit-tämällä 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 ohjaus-ryhmän puheenjohtajana .

Koska kaikki tutkimuskohteet vaikuttivat toisiinsa, ohjelmassa haluttiin tarkastella kokonaiskuvaa

Laaja ala ja monta

näkökulmaasamalla, 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 mahdol-lisuuden 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 teolli-suuskin saa edellytykset menestykselle”, Kytö sanoo .

TUTKIMUSALUEET12

TUTKIMUSKOHTEENA POLTTOMOOTTORIVOIMALAITOS

MOOTTORI- POLTTOAINEEN RUISKUTUS- SEOKSEN MUODOSTUS- PALAMISEN MALLINTAMINEN JA KEHITTÄMINEN

GENERAATTORI

VERKKOON LIITYNTÄ

SÄÄN HAVAINNOINTI JA ENNUSTUS

TUTKIMUSALUEET 13

TURBOAHDIN

PAKOKAASUJEN PUHDISTUS

LÄMMÖN TALTEENOTTO

IMUILMA

ÄLYKÄS AUTOMAATIO JA SÄÄTÖ

TIEDON KÄSITTELY JA SIIRTO, ETÄVALVONTA

MITTAUS JA SÄÄTÖ (UUDET ANTURIT, KÄYTÖN OPTIMOINNIN JA VALVONNAN KEHITTÄMINEN)

POLTTOAINEEN ESIKÄSITTELY

WEB

TULOKSIA14

Pieni muutos mäntään tai polttoainetta syöttävään suuttimeen, voi muuttaa merkittävästi sitä, miten polttoaine virtaa ja palaa moottorin sylinte-rissä . 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 ohjaus-ryhmän puheenjohtaja Tero Hottinen . Käytännössä seulonta tarkoittaa sitä, että mallinnetaan palamis-prosessia ja simuloidaan moottorinosien ja olosuh-teiden vaikutuksia .

Tutkimusohjelmassa Aalto-yliopisto kehitti palamisen mallinnusta ja simulointia . Hottinen pitää Aalto-yliopiston polttomoottoritekniikan tutkimusyksikköä oivallisena tehtävään ja maailman mittakaavassakin poikkeuksellisena, koska siellä laskennan ja kokeel-lisen tutkimuksen taitajat työskentelevät yhdessä ja ymmärtävät sujuvasti toisiaan .

”Pääsimme isoja askelia eteenpäin LES-menetelmän käytössä moottoreiden simuloinnissa”, polttomootto-ritekniikan 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 työkone-moottoreissa ei ehkä tarvita hiukkassuodattimia tulevai-suudessakaan, vaikka päästörajoitukset kiristyvät.”

PALAMISEN MALLINNUS

Ymmärrys uudelle tasolle

TULOKSIA 15

PALAMISEN KEHITTÄMINEN

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 pohjus-tetaan 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 hyötysuh-teeseen 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

Yhä parempi hyötysuhde

matalalla lämpötilalla 1 600 – 2 300 asteeseen, kun normaalisti liekin lämpötila voi nousta dieselmoot-torissa 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 polttoaine-pumpun 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

MAT T I KY TÖohjelmapäälikkö, FCEP

H O

K

US

TULOKSIA18

Tuotettaessa energiaa polttamalla on olennaista vähentää ilmakehään pääsevien typen oksidien ja hiukkasten määrää . Päästöjä voi hillitä palamistek-niikalla, mutta nykyisissä moottoreissa typpioksidi-päästöjen minimointi johtaa tavallisesti hiukkaspääs-töjen kasvuun, ja päinvastoin . Osa työstä siirtyy siis väistämättä sylinterin ulkopuolelle pakoputkeen . Niin autoissa kuin voimalaitoksissakin pyritään katalysaat-torin avulla pelkistämään typen oksideja typeksi sekä hapettamaan hiiltä ja hiilivetyjä hiilidioksidiksi ja vedeksi . Yksi yleisimmistä menetelmistä on selektii-vinen katalyyttinen pelkistäminen eli SCR-teknologia, ja siihen keskityttiin myös tutkimusohjelmassa .

Katalyyttitutkimuksen ajankohtainen ja tärkeä tavoite on löytää vaihtoehtoja hyvin toimiville, mutta haital-lisille, 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 paranta-misen varaa .

Kehitettäviltä katalyyttimateriaaleilta vaadittiin myös rikin kestoa, koska rikkioksideja syntyy muun muassa raskasta polttoöljyä poltettaessa . Lisäksi tutkimuk-sessa selvitettiin, miten katalyytteihin vaikuttavat

PÄÄSTÖJEN HALLINTA

Pakokaasut puhtaammiksi

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 ohjel-massa 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 .

TULOKSIA 19

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 lämpöti-laeroon tuottamalla sähköä .

”Termosähköisen materiaalin avulla esimerkiksi ympäristöään hieman lämpimämmässä pinnassa sijaitsevalle anturille ei tarvitsisi vetää sähköjohtoa, vaan se tekisi tarvitsemansa sähkön lämpötilaerosta”,Kytö selventää .

ENERGIA TALTEEN

Sähköä pakokaasuista

Tutkimusohjelmassa havaittiin, että sähkön tuottoa pystytään lisäämään materiaaleja ja valmistustek-niikkaa kehittämällä, mutta lisätehon hinta nousee vielä liian suureksi . Sen sijaan pienitehoisia termo-sähköisiä moduuleja voidaan valmistaa edulli-semmin muun muassa painamalla, johon VTT:llä on erinomaiset edellytykset . Se, että pakokaasujen lämpöä voidaan hyödyntää höyrykattilan avulla sähkön- ja lämmöntuotan-nossa, ei vakiintuneena ratkaisuna kuulunut tähän ohjelmaan . Sen sijaan tutkittiin lämmön muunta-mista sähköksi Organic Rankine Cycle -menetel-mällä (ORC), jossa lämpöä siirtää veden sijasta jokin muu neste . Menetelmän avulla pystytään hyödyn-tämään suhteellisen matalia lämpötiloja, mutta kustannukset jarruttavat sen laajaa käyttöönottoa . Tutkimuksessa olivat mukana Vaasan yliopisto, Wärtsilä, VTT, Lappeenrannan teknillinen yliopisto ja Turun ammattikorkeakoulu .

T ERO HOT T INENinnovaatiopäällikkö, Wärtsilä

Biopolttoaineisiin kohdistuu paljon kiinnostusta, mutta on tiedetty, että niissä on haasteensa.

M

AA

KA

AS

U

TULOKSIA 21

A

U

POLTTOAINEEN VALINTA

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 poltto-aineesta 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 .

Laajaa valikoimaa kohti

Huomattavan painon ohjelmassa sai nestemäisten biopolttoaineiden suodatus . Wärtsilä ja VTT kartoit-tivat erilaisia ratkaisuja ja kehittivät tutkimustulosten perusteella suodatusyksikön . Onnistuneiden käyttö-testien jälkeen edessä on koekäyttö voimalaitoksessa . Hottinen pitää suodattamisen kehittämistä merkit-tävänä avauksena niin polttoaineiden kuin mootto-rivoimalaitostenkin markkinoilla .

”Biopolttoaineisiin kohdistuu paljon kiinnostusta, mutta on tiedetty, että niissä on haasteensa. Meidän on avattava niille tietä.”

MU N

TA M

NE

N

U

JOHN SH IBUTAN Itutkimus- ja kehityspäällikkö, ABB

Tuuli- ja aurinkoenergia tekevät tulevaisuuden sähkö-verkoista huomattavasti herkempiä vaurioille. Siksi generaattorinkin tulee kestää entistä paremmin verkon vikatilanteita

I

TULOKSIA 23

Generaattori muuttaa moottorin tuottaman mekaa-nisen energian sähköenergiaksi ja siirtää sen sähkö-verkkoon . Siksi generaattoria kehitettäessä on tarkas-teltava koko sähköverkon vaatimuksia .

Tuuli- ja aurinkoenergian kasvava käyttö herkistää sähköverkkoja häiriöille, minkä vuoksi sähköyhtiöt ovat kiristäneet vaatimuksiaan verkkoon kytkettä-ville laitteille . Työn alla on myös Euroopan laajuinen standardi

”Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että myös poltto-moottorivoimalaitoksiin toimitettavien generaatto-reiden tulee sietää entistä paremmin verkon vikati-lanteita ilman, että generaattori kytketään pois verkosta”, kertoo tutkimuspäällikkö John Shibutani ABB:ltä . Tutkimusohjelmassa sähköverkon uusia vaatimuksia tarkasteltiin ennen kaikkea mallinta-misen ja simuloinnin keinoin . Tutkimuksen jälkeen ABB toimitti uuden tyyppiset verkkovaatimukset täyttävät generaattorit Wärtsilän rakentamaan voimalaitokseen .

Generaattorille tulee vaatimuksia myös toisesta suunnasta .

ENERGIAN MUUNTAMINEN

Sähköä luotettavasti

”Isossa mäntämoottorissa syntyy merkittäviä väräh-telyherätteitä, 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 väräh-telylaskentaa sekä uudentyyppisiä massanvaimen-timia 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 generaat-torin hyötysuhdetta materiaaleja ja generaattorin yksityiskohtia optimoimalla . Koko voimalaitoksen hyötysuhdetta parannettiin optimoimalla generaat-torin toimintaa yhdessä muuttuvanopeuksisen moottorin kanssa siten, että moottori toimii optimaa-lisella hyötysuhteella myös olosuhteissa, joissa täyttä tehoa ei tarvita .

TULOKSIA24

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 .

VOIMALAITOKSEN HALLINTA

Ennakoivaa ja joustavaa

”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 selvi-tettävä, käytetäänkö samoja laakereita muualla ja onko niissä ongelmia”, Tuominen sanoo . Automaattisesti etenevä päättelyketju johtaa parhaimmillaan toimenpiteisiin, jotka edistävät laitoksen luotetta-vuutta ja energiatehokkuutta ja vähentävät samalla huoltokustannuksia .

PA S I TUOMINENtoimitusjohtaja / Wapice

LI

NT

A

A

L

H

MART T I L ARMIprofessori, polttomoottoritekniikka, Aalto yliopisto

Pystymme seuraamaan ja kuvaamaan polttoaineen ruiskutusta ja palamista.

E

K

O

TULOKSIA 27

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 poltto-aineen ruiskutusta ja palamista”, Martti Larmi kertoo . Moottori on ensimmäinen täysin optinen poltto-

TUTKIMUSLAITTEISTO

Ykkösluokan laite– optinen moottori

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 päästö-mittauksissa . VTT puolestaan suunnitteli merkit-täviä 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

H IT

Y S

Kyllä konsernin johdossa on huomattu ja erityisesti arvostettu sitä, että suomalaiset yritykset ja tutkimuslaitokset tekevät yhteistyötä ja valtiokin tukee sitä.

E

K ARI A ALTONENtuotekehitysjohtaja / AGCO Power

TULOKSIA 29

CASE

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 tuote-kehitysjohtaja 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 maail-manlaajuisesti toimivassa, maatalouskoneita valmis-tavassa 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 arvos-tettu 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 tanska-laiselle pakokaasujen käsittelyyn erikoistuneelle Dinexille, ja globaalisti toimivassa ABB:ssä päävastuu moottorivoimalaitosten generaattorien tuotekehityk-sestä on Suomessa ABB Oy:llä .

TULOKSIA30

”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 sähkön-tuotannon 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 rikki-direktiivi, jonka seurauksena laivoihin on asennettava

Tukea vahvasta verkostosta

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.”

CASE

V

R

E

K

ST

O

O

L AURI P IRVOL Aasiakaspäällikkö Gasum

Meillä on vain vähän omaa tutkimusta, mutta haluamme tukea alan tutkimusta ja verkostoitua yhä paremmin tutkimuslaitosten kanssa.

N IKOL AOS KYRTATOSprofessori / meritekniikan laboratorio, Ateenan kansallinen teknillinen yliopisto, Kreikka

Y

TEI STY

Ö

H

ARVIO 33

S ”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.

Ohjelma sai mukaansa tärkeiden tutkimuslaitosten ohella merkittäviä kumppaneita myös teollisuudesta. Oli ilo huomata, miten nämä organisaatiot olivat löytäneet rahoituksen sekä rohkeuden yhdessä työsken-telemiseen. Uskon, että tulos oli panosta suurempi.

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, perus-tutkimuksen 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.

Monialainen yhteistyö vaatii

hyvää johtamista

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.”

PROFESSORI NIKOLAOS KYRTATOS, meritekniikan laboratorio, Ateenan kansallinen teknillinen yliopisto, Kreikka

Nikolaos Kyrtatos osallistui Tulevaisuuden poltto-moottorivoimalaitokset -ohjelman arviointiin ja kehittämiseen ohjelman tieteellisen neuvottelu-kunnan (Scientific Advisory Board) jäsenenä . Ryhmän jäseninä toimivat lisäksi:

professori MARCUS ALDEN, fysiikan osasto, Lundin yliopisto, Ruotsi

professori KONSTANTINOS BOULOUCHOS, energiatekniikan laitos, ETH Zürich, Sveitsi

MAT T I KY TÖ

FCEP ohjelmapäällikkö, CLEEN Oy (VTT)matti.kyto@vtt.fi / +358 40 502 6334 TOMMY JACOBSON

CEO, CLEEN Oytommy.jacobson@cleen.fi / +358 40 828 2711 JAT TA JUSS I L A-SUOK A S

CTO, CLEEN Oyjatta.jussila@cleen.fi / +358 40 825 6500