SmartFlex tuo tervetullutta joustavuutta voimalaitoksiin

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