Smart City: local but networked, distributed but integrated

_MG_5470

The concept smart city pops up frequently in the context of urban development. The concept definitely has a positive flavour, but I have found myself thinking, what does it actually mean?

There is no unique definition for a smart city. The interpretations and definitions used by different interest groups, stakeholders or regions vary. Often one gets an impression that a smart city is the same as a digital city, sometimes its meaning is close to that of a sustainable city.

It is a challenging term, because who would like his contribution to the development not be called smart, i.e. there is no such thing as a dumb city. While most of human activities take place in cities you may see almost anything included within the smart city concept. So, why should we use a special term if it includes everything in a city?

Towards distributed smart solutions

The basis of developing systems has always been to move towards an optimum defined by multiple criteria, often economic aspects being among the core criteria. Traditionally an optimum has been reached by centralized solutions. Economy of scale has been achieved by systems with a distinctive point of control. For example, power grids have been built around large power plants. Public transport systems have been based on somebody deciding the schedules and routes on behalf of others.

Retail shopping has moved to large shopping centres. Even the governance in a society has meant a powerful central administration making decisions on behalf of the citizens.

The development of information and communication technology ICT has enabled search for new kinds of optima. The outcome of implementation processes in various systems is often regarded as ‘smart’.

Concerning energy, for example, distributed local production is feasible up to the extreme that every building may become a power source. However, a system of distributed production is better than the old centralized system only if the energy network is managed properly. The transition to smart grids has only been possible thanks to advanced ICT.

New on-demand service concepts are emerging in public transport, which is still based to large extent to predetermined schedules and routes. Like in the case of energy, if you produce more than you need, you may offer your capacity to be used by others. Without advanced ICT the linking of service providers and users would not be possible.

In retail industry the rapidly growing shopping over internet has created a need to rethink the urban logistics. The role of shopping centres and department stores is undergoing a significant change. At the same time the end delivery to the individual customers is seeking new forms. Increased efficiency and better response to customer needs is possible only by use of advance ICT.

In order to make use of public services you had to go to the city centre or at least to the local centre in the suburb. Due to the changes in relative costs of operations in the societies, the development has unfortunately meant that the distances to the service points have gradually increased. Thanks to ICT, you are more and more able to use the services at your home or even when travelling. The savings for the service provider are evident.

ICT also enables citizens to participate in decision making much more than before. While tools exist to enable receiving of information, it is much more difficult for the authorities to keep their work behind closed doors. Citizens are now able to interact with both with the officials and with the elected representatives more than ever before. Despite of the challenge of digital divide, the development of ICT has altogether meant a huge increase in the power of citizens.

Act local, be networked

All the examples above have meant that the meaning of geographical location has changed. You can act locally but at the same time use resources in places you do not even know. Administrative borders can no more be at the same to optimal borders for operations. Without integrating the resources and operations the world with distributed resources would be like the societies centuries ago – and nobody wants that.

In the old systems, data was gathered into a central location, where it was then, often after a significant delay, analyzed. The conclusions drawn were then transmitted back along the chain as instructions. In the current distributed systems data can be gathered and analyzed anywhere. This allows a much larger set of input data and much wider resources for assessment and conclusions. The central decision maker is not always needed at all. Open data – just make the data available and somebody will for his own interest analyse it – is essential in this process.

The essence of being smart in the modern society is in acting locally but being networked outside of your own geographical location. The technological systems can only be managed if they are properly integrated. ICT is the enabler which, when properly used for networking and integration, provides social, environmental, and economic benefits for all.

Cities all over the world see this as an opportunity towards better quality of life. Therefore, the smart city agendas will have a central place in urban development projects. While those projects are always huge investments, they also provide lucrative business opportunities for technology providers. No wonder that practically all largest technology providers have their own smart city agendas.

Matti Kokkala

Professor, Senior Advisor, Smart Cities

Smart City: paikallinen mutta verkottunut, hajautettu mutta yhteenpelaava

_MG_5470

Kaupunkikehityksestä puhuttaessa ei voi välttyä törmäämästä käsitteeseen smart city.  Jätän termin tarkoituksella kääntämättä suomeksi, koska mahdolliset käännökset, kuten älykäs kaupunki, älykaupunki, fiksu kaupunki ja nokkela kaupunki, tuovat kukin oman vivahteensa eivätkä ne vastaa  kansainvälistä smart city -käsitettä.

Adjektiivi smart tekee termin hankalaksi, sillä kukapa haluaisi, että oma tekeminen olisi vähemmän smart. Kun suurin osa ihmisten tekemisistä tapahtuu kaupungeissa, termin smart city alle on eri yhteyksissä selitetty kuuluvan melkein mitä tahansa hyvää tarkoittavaa toimintaa. Miksi siis tarvittaisiin erityistä termiä, jonka piiriin kaikki kaupunkien tekeminen sisältyy?

Usein smart city -termiä käytettäessä saa mielikuvan, että kyse olisi teknologiasta ja nimenomaan tieto- ja viestintäteknologiasta. Kuitenkin smart tarkoittaa paljon enemmän.  Itse asiassa vastaani ei ole tullut yhtäkään tahoa tai henkilöä, joille smart citystä puhuttaessa teknologia olisi itseisarvo, vaikka sen rooli paremman toimintaympäristön ja parempien palveluiden mahdollistajana onkin aina ymmärretty.

Smart city on käsitteenä elänyt jo kymmenkunta vuotta ja näyttää siltä, että se on tullut jäädäkseen. Käsitteellä täytyy siten olla syvempikin merkitys.

Kohti hajautettuja ratkaisuja

Perinteisesti yhteiskunnan järjestelmien optimi sen eri merkityksissä on saavutettu erilaisilla keskitetyillä ratkaisuilla. Esimerkiksi energian tuotanto ja jakelu ovat perustuneet suuriin voimaloihin. Julkinen liikenne puolestaan on perustunut kiinteisiin reitteihin, aikatauluihin ja vain julkiseen liikenteeseen varattuun ajoneuvokalustoon. Vähittäiskauppa on hakenut tehokkuutta suurten ostokeskusten ja tavaratalojen avulla, ja julkinen hallinto ja päätöksenteko julkisista palveluista on luovutettu valittujen edustajien ja virkamiesten luoman keskushallinnon varaan.

Tieto- ja viestintätekniikan kehitys on mahdollistanut tehokkuuden ja vaikuttavuuden hakemisen aivan uudella tavalla. Hajautettu energiantuotanto on mahdollista, kun paikallinen, jopa rakennuskohtainen, energiantuotanto voidaan tuoda hallitusti osaksi koko energiajärjestelmää.

Liikenne muuttuu resurssi­tehokkaammaksi ja paremmin tarvetta vastaavaksi, kun kuljetuspalvelut saadaan reagoimaan ketterämmin todelliseen tarpeeseen esimerkiksi kutsuperustaisen liikenteen tai monikäyttöisen ajoneuvo­kaluston avulla.

Vähittäiskaupassa nopeasti kasvanut ostosten tekeminen internetin kautta on asettanut ostokeskukset ja tavaratalot aivan uuteen tilanteeseen. Kaivataan uusia tehokkaita ja asiakastarvetta vastaavia tapoja jaella ostokset loppukäyttäjille.

Julkinen hallinto ja julkiset palvelut ovat tiedonkulun helpottumisen vuoksi aivan uudella tavalla kansalaisten seurannan alla. Valtuutetut ja viranhaltijat eivät enää julkisen paineen vuoksi pysty toimimaan suljettujen ovien takana, vaan kansalaiset haluavat ja pystyvät vaikuttamaan päätöksentekoon asioiden valmistelusta toteutukseen.

Toimi paikallisesti, verkotu kansainvälisesti

Edellä olevat esimerkit tarkoittavat, että fyysisen paikan merkitys on muuttunut. Toiminta voi näkyä paikallisena, mutta suuri osa tekemisestä voi tapahtua melkeinpä missä tahansa maailmassa.  Muodolliset yhteiskunnan hallinnon rajat menettävät yhä useammin merkityksenä, maantieteellisiä rajoja ei ole välttämättä edes olemassa. Kuitenkin ilman resurssien hallittua yhteensovittamista hajautetut toimintamallit johtaisivat sekaannukseen, mitä kukaan ei tavoittele.

Perinteisesti järjestelmien toiminnasta on aina kerätty tietoa keskitetysti ja sitä on myös analysoitu ja hyödynnetty keskitetysti. Johtopäätöksiä on sitten vyörytetty päätöksentekoketjuja pitkin eteenpäin.  Hajautettujen järjestelmien maailmassa myös tietoa voidaan kerätä ja analysoida hajautetusti. Tämä mahdollistaa paljon suuremman tietomäärän analysoinnin paljon suuremmilla resursseilla. Avoin tieto – periaatteella aseta tieto saataville ja joku muu voi hyödyntää sitä – on olennainen osa uutta toimintatapaa.

Ollakseen nyky-yhteiskunnassa smart tulee toimia paikallisesti, mutta samanaikaisesti globaalisti verkottuneesti.  Hajautettuja teknisiä järjestelmiä voidaan hyödyntää hallitusti vain, jos ne pelaavat yhteen tarvetta vastaavasti. Tieto- ja viestintätekniikka on apuväline, joka mahdollistaa sekä ihmisten verkottumisen että teknisten järjestelmien yhteen kytkemisen niin, että tuloksena on sosiaalista, taloudellista ja ekologista hyötyä yhteiskunnassa.

Kaupungit kaikkialla maailmassa näkevät tämän suurena mahdollisuutena paremman toimintaympäristön ja elämänlaadun tuottamiseksi.  Smart city -ohjelmilla tulee siten olemaan keskeinen merkitys kaupunkien kehittämisessä jatkossakin. Koska kaupunkien kehityshankkeet ovat aina suuria investointeja, ne tarjoavat myös teknologioiden toimittajille merkittäviä liiketoimintamahdollisuuksia. Siksi on luonnollista, että myös maailman suurimmilla teknologiayrityksillä on suuria ja näkyviä smart city -ohjelmia.

Matti Kokkala

Professori, Senior Advisor, Smart Cities

Biotalous muuttaa lautasmallia – vai muuttaako?

Amu_Blogi

Ruoan ja rehun riittävyys ja hyvä laatu ovat globaaleja haasteita, joihin biotalouden näkökulmien avulla haetaan kestäviä ratkaisuja. Ulottuvatko biotalouden vaikutukset meidän jokaisen tavallisen kuluttajan lautaselle ja jääkaappiin?

Kun Suomessa puhutaan biotaloudesta, se harvemmin yhdistetään jokapäiväiseen leipäämme.

Täällä metsien keskellä unohtuu, että biotalousnäkökulmamme on eurooppalaista marginaalia. Suomea etelämpänä keskiössä ovat pellot, ruoan kestävä tuotanto ja agroketjun sivuvirtojen hyödyntäminen.

Mitkä ovat eurooppalaisen kuluttajan proteiinilähteet tulevaisuudessa? Millä ruokimme maatilojen eläimet?

Jotta ruoka riittäisi maapallon kasvavalle väestölle, tarvitaan tehokkaita ja uudistavia keinoja peltojen ja vesien valjastamiseksi ravinnon tuottoon. Pula proteiinista on maailmalaajuisesti suuri.  Kehittyvien maiden ruokatottumusten muuttuessa länsimaiseen suuntaan, lihan kulutus kasvaa. Tämä johtaa proteiinitasapainoa entistä huonompaan suuntaan: eläinperäisen proteiinikilon tuottaminen vaatii huomattavasti enemmän erilaisia panoksia kuin kasviperäisen proteiinikilon kasvattaminen.

Euroopassa vallitsee yltäkylläisyys, mutta olemme esimerkiksi eläinrehun proteiinin osalta hyvin paljon tuontitavaran varassa.  Eurooppalaisessa biotalousstrategiassa omavaraisuus ja huoltovarmuus ovat viimeaikaisten tapahtumien seurauksena nousseet keskeiseksi teemaksi.

Ruoka on tärkeä osa identiteettiämme.

Ruoka on muutakin kuin proteiinitankkausta ja muiden tarpeellisten rakennusaineiden kauhomista kehoon. Ruokaan liitetään intohimoja, arvoja, epäilyjä ja pelkoja. Moni länsimainen kuluttaja erottautuu ruokavalintojensa avulla ja tuo sen avulla esille omia arvojaan. Joillekin kuluttajille se merkitsee kivikautisen ruokavalion noudattamista, joillekin vegaaniruokavaliosta tai karppaamista. Ruokaan hartaasti suhtautuvia hifistelijöitä on jo iso joukko.

Toisaalta moni nappaa elintarvikkeet hyllyltä sen kummempia pohtimatta tai hinnan perusteella – valintaan ei vaikuta ruoan eettisyys, kotimaisuus, jäljitettävyys, terveellisyys tai ympäristöystävällisyys.

Jotain uutta, jotain vanhaa

Olen usein määritellyt biotalouden erilaisten arvojen kohtaamisalustana, jossa yhdistyvät teknologia, insinööritieteet, vihreät arvot sekä kestävä kehitys. Jälkimmäinen ei tarkoita vain ympäristöön liittyviä näkökulmia vaan myös sosiaalisesti ja taloudellisesti kestävää toimintaa.

Biotalousajattelussa minua kiehtoo uuden ja vanhan kietoutuminen yhteen.  Biotalouden kantavia voimia ovat raaka-aineiden entistä tehokkaampi käyttö sekä uudenlaiset raaka-ainevirrat ja -kierrot.  Uutta ovat myös yhteistyövaatimukset, jotka rikkovat perinteisiä toimialasektoreita.

Biotalous edellyttää aiempaa laajempaa yhteistyötä eri toimialasektoreiden välillä, jotta syntyy uusia arvoketjuja. Itse raaka-aine voi olla tuttu ja teknologia hyväksi havaittu.  Prosessit ja laitteet kaipaavat päivitystä biotaloutta varten, mutta arvoketjun perusprosessi voi toimia hyvin samalla tavalla kuin ennenkin.

Höttöhiilareista takaisin kivikauden ruokavalioon?

Luontaistalouden aikakaudella suomalaisten perusruokavalio koostui usein ohrasta valmistetusta puurosta ja vellistä, perunasta, juureksista, säilötyistä marjoista ja sienistä.  Liha, kala ja maitotuotteet olivat enemmänkin juhlien herkkuja.  Teollistumisen aikakaudella aina meidän päiviimme saakka, ruokavaliossa on lisääntynyt jalostetun ruoan määrä. Valkoinen jauho ja siitä leivottu leipä tai puristettu pasta olivat teollistumisen alussa luksusta ja maistuvat edelleenkin länsimaisessa ruokavaliossa.

Oma lukunsa ovat höttöhiilareita ja lohtua uupuneelle tarjoavat pikaruoat, virvoitusjuomat ja snack-tuotteet, jotka ovat valloittaneet tilaa ruokalautaselta. Nykyään kaikki hyvin tietävät, miltä terveellinen lautanen näyttää, mutta yhä edelleen vihannesten, hedelmien, marjojen ja kuidun osuus on ruokavaliossamme huomattavasti suosituksia pienempi.

Biotalouden malliruokalautanen nostaa ruokavalion perustaksi historiallisia elementtejä: viljat, marjat, siemenet ja pavut ovat biotalouden voimaruokaa.  Eettisesti tuotetut eläinkunnan tuotteet täydentävät ruokavaliota.  Eksoottisuutta eivät tuokaan enää uudenlaiset mausteet, vaan uudet proteiinilähteet, kuten hyönteiset ja levä- tai mikrobiperäinen proteiini.

Elintarviketeollisuuden haaste on valmistaa näistä kuluttajaa houkuttelevia tuotteita arjen ruokapöytään.

Terveellistä, turvallista ja kestävää mutta kuitenkin hyvänmakuista ruokaa

Yksi haaveistani on, että biotalous puhdistaa lisäaineiden maineen: yhä useampi tulevaisuuden lisäaine on kasviperäisen raaka-aineen luonnollinen komponentti, jota osataan älykkäästi käyttää elintarvikkeen laadun ja turvallisuuden parantamisessa.

Toinen haaveeni on, että ruokalautasellemme päätyy niitä terveellisiä kasvin osia, jotka nyt kuskataan possujen ja muiden tuotantoeläinten ravinnoksi.

Tämä kaikki kuitenkin niin, ettei tulevaisuudessa tarvitse hampaat irvessä syödä terveellisiä elintarvikkeita, vaan ne ovat suussa sulavia hyvän olon tuojia samalla, kun niiden perusta on terveellinen ja kestävä.

 

Anu Kaukovirta-Norja

Liiketoiminnan operatiivinen johtaja

 

Silver economy: a neglected possibility

Jaana Leikas

Gerontechnology aims to provide solutions to the everyday problems brought about by ageing, thereby enabling the elderly to participate fully in the information society. This technology will open up huge business development opportunities for developers and manufacturers, as they direct products at the constantly growing consumer group represented by ageing people.

Where are you, gerontechnology?

Most technology developers and manufacturers have yet to venture into the market segment made up by the elderly, let alone understand its significance. The current scarcity of high-quality gerontechnology products is indicative of an inability to design, develop and market products and services aimed at meeting the special needs of the elderly.

Aged consumers are not interested only in services related to care and medical treatment. Looking ahead, active senior citizens can be expected to increasingly use a wide range of information and communication technology products and services.

The design of ICT products and services in particular is currently focused on the interests of healthy and active young consumers, known as ‘digital natives.’ This is hardly surprising, since many of the developers of such products belong to the same generation. However, technology will take a wrong turn if it focuses solely on young consumers to the exclusion of the older generation. Demographically speaking, the older generation represents the most promising market segment ever, and is increasingly wealthy and technologically aware. Technology developers and manufactures should give serious thought to re-evaluating their product target groups.

Growing senior markets

In both the domestic and international markets, the proportion of senior citizens is rapidly growing. In Finland, 18,8 % of the population consists of people over 65 years of age. In 2013, more than 18 per cent of all the consumers in the European Union (approximately 92 million) were over 65 years of age. In the United States, this age group is expected to grow beyond 72 million by 2030, amounting to 20 per cent of the entire population. In many Asian countries, people older than 50 years already make up 37 per cent of the population.

Today’s aged people are more healthy and more active than ever before. This is why, for many, active decades spent in retirement will mean new opportunities for consumption. In retirement, technology will be viewed as a factor which improves people’s quality of life and as a tool for enhancing the social life and personal well-being of retirees. Due to longer careers during working life and other similar factors, older people also have more money to spend — often more than the younger generations. In Europe, for example, people older than 50 years of age purchase more than 45 per cent of all new cars, more than 80 per cent of all luxury items and 35 per cent of all travel packages.

Seniors want value for money

This growth in what is known as the silver market (or silver economy) will set new requirements for the development of products and services. Success in the silver market requires sensitivity and openness to the needs of the elderly. In this connection, two aspects are emphasised. Firstly, consumption is unfortunately often hampered by poorly designed product interfaces, which ignore user requirements based on ageing. Secondly, the market needs products and services that are aimed at improving elderly people’s quality of life.

With the retirement of the baby boomer generation, being able to meet the needs of the ageing population will increasingly provide a competitive edge on the international market. Baby boomers will grow the size of the market, demanding products and services which contribute to an active and healthy ageing process, in addition to care and medical treatment. This generation expects such services to provide them with quality, individuality, communality and ease of use. In other words, such services should provide real value for money.

With regard to the functionality of the silver market, it is essential that due attention is paid to the wishes of ageing consumers and that their suggestions are put to good use at the planning stage of new business concepts and revenue models. Furthermore, efforts should be made to improve product visibility and product compatibility. Engaging users in product design and taking account of product appearance and value-related issues will enhance product acceptability.

Jaana Leikas

Principal Scientist

Väärin ymmärretyt hopeamarkkinat

 

Jaana Leikas

Ikäteknologian tavoitteena on ratkaista arkipäiväisiä ongelmia, joita ikääntyminen tuo mukanaan, ja mahdollistaa ikäihmisten täysi osallistuminen tietoyhteiskuntaan. Teknologian kehittäjille ja valmistajille se tarjoaa valtavan mahdollisuuden liiketoiminnan kehittämiseen, kun he kohdistavat tuotteensa ikääntyvien yhä kasvavalle kuluttajaryhmälle.

Missä olet, ikäteknologia?

Suuri osa teknologian kehittäjistä ja valmistajista ei vielä ole ottanut ikääntyneiden markkinaryhmää haltuunsa, saati sitten ymmärtänyt sen merkitystä. Hyvien ikäteknologiatuotteiden vähäisyys kertoo kyvyttömyydestä suunnitella, kehittää ja markkinoida tuotteita ja palveluja, jotka palvelisivat ikäihmisten eriytyneitä tarpeita.

Ikääntynyt kuluttaja ei ole kiinnostunut ainoastaan hoivan ja hoidon palveluista. Aktiiviset seniorit hyödyntävät tulevaisuudessa entistä enemmän mitä moninaisimpia tieto- ja viestintäteknologian tuotteita ja palveluja.

Toistaiseksi etenkin ICT-tuotteissa ja -palveluissa suunnittelun lähtökohtana ovat olleet hyvinvoivat ja aktiiviset nuoret kuluttajat, ns. ”digitaaliset natiivit”. Tämä ei ole sinänsä yllättävää, sillä monet teknologian kehittäjätkin kuuluvat näihin sukupolviin. Mutta metsään siinä mennään sikäli, että nuoriin kuluttajiin keskittymällä väestöllisesti kaikkien aikojen lupaavin markkinaryhmä jää huomioimatta: vaurastuva ja teknologisesti yhä taidokkaampi vanhempi sukupolvi. Teknologiankehittäjien ja -valmistajien olisi syytä vakavasti pohtia tuotteittensa kohderyhmän uudelleen suuntaamista.

Kasvavat seniorimarkkinat

Tilastojen mukaan Suomessa yli 65-vuotiaita on nyt 18,8 % väestöstä. Vuoteen 2030 mennessä heitä arvioidaan olevan 25,6 % väestöstä ja määrällisesti noin 1,5 miljoonaa. Vuonna 2013 Euroopan Unionissa runsaat 18 prosenttia kuluttajista (noin 92 miljoonaa) oli yli 65-vuotiaita. Yhdysvalloissa heidän määränsä ennustetaan olevan vuonna 2030 jo yli 72 miljoonaa, mikä on 20 prosenttia koko väestöstä. Monissa Aasian maissa yli 50-vuotiaat muodostavat jo 37 prosenttia väestöstä.

Nykyään ikäihmiset ovat entistä terveempiä ja aktiivisempia. Siksi aktiivisen eläkeiän vuosikymmenet tuovat monille uusia mahdollisuuksia kuluttamiseen. Teknologia nähdään tässä iässä elämän laatua parantavana tekijänä, joka tarjoaa välineitä esimerkiksi sosiaalisuuteen ja oman hyvinvoinnin lisäämiseen. Ikäihmisillä on myös mm. työurien pidentämisen myötä aikaisempaa enemmän varaa kuluttaa – useimmiten nuoria enemmän. Esimerkiksi Euroopassa yli 50-vuotiaat muodostavat yli 45 prosenttia uusien autojen ja yli 80 prosenttia luksustuotteiden hankkijoista sekä 35 prosenttia matkojen ostajista.

Seniorit kaipaavat vastinetta rahalle

Tämä ns. hopeamarkkinoiden (silver markets, silver economy) kasvu avaa uusia vaatimuksia tuotteiden ja palvelujen kehittämiselle. Hopeamarkkinoilla menestyminen edellyttää herkkyyttä ja avoimuutta ikääntyvien tarpeille. Tässä korostuvat kaksi seikkaa. Ensinnäkin kuluttamista ehkäisevät valitettavan usein huonosti suunnitellut tuotteiden käyttöliittymät, joissa ikääntymisen aiheuttamia käyttäjävaatimuksia ei ole huomioitu. Toisekseen markkinoille kaivataan ikäihmisten elämän laatua parantavia tuotteita ja palveluja.

Suurten ikäluokkien eläköitymisen myötä ikääntyvien tarpeisiin vastaaminen tulee olemaan entistä suurempi kilpailutekijä kansainvälisillä markkinoilla. Babyboomilaiset tulevat kasvattamaan markkinoita ja vaatimaan hoidon ja hoivan tuotteiden lisäksi aktiivista ja hyvää ikääntymistä edistäviä tuotteita ja palveluja. He odottavat palveluilta laatua, yksilöllisyyttä, yhteisöllisyyttä ja helppokäyttöisyyttä. Lyhyesti sanottuna todellista vastinetta rahalle.

Hopeamarkkinoiden toimivuuden kannalta on olennaista, että ikääntyvän kuluttajan toiveet osataan ottaa huomioon ja hyödyntää jo uusien liiketoiminta- ja ansaintamallien suunnittelussa. Lisäksi tulisi keskittyä tuotteiden näkyvyyden parantamiseen ja yhteensopivuuden varmistamiseen. Käyttäjien ottaminen mukaan tuotesuunnitteluun sekä ulkoasu- ja arvokysymysten huomioiminen lisäävät tuotteiden hyväksyttävyyttä.

 

Jaana Leikas

Johtava tutkija

Hail the new golden age of wood

Ali Harlin_edit

When using wood, our forefathers were looking for the perfectly shaped branch for a handle, while spool manufacturers look for wood that is free from knots, paper manufacturers for long fibres and modern, greenhouse emission-conscious engineers are interested in biocarbon. As needs change, we can again look at trees in new ways.

Science can help us understand the structure of wood in greater depth, while technology can translate science into economic success.

Revenue from logging reserve

We have enough sustainable logging reserve to stack a six-meter high pile of logs and trunks along the tracks from Helsinki Railway Station all the way to Kemijärvi station in Lapland. In terms of firewood, the value of this pile equals a stack of 50 Euro banknotes large enough to fill the gaps between the fourteen columns of the Finnish Parliament building. But if we turn the logging residue into value-added materials, the stack could cover the entire building!

By manufacturing textiles that replace cotton, we could free up enough fields to feed 30 million people and prevent the formation of a few deserts the size of Finland.

Fibrils or crystals from cellulose walls

Identifying the cellulose cell wall structure has brought about many significant advances. In the past decade, the nano-view has revealed the fibril level of wood. Fibrils are cable-like strings that form the cellulose cell walls. While this structure was already known, the interest in the manufacture of nano-materials has driven technological development to a point where it is possible to release fibrils with reasonable energy consumption.

Fibrils allow the manufacture of completely new kinds of products and additives, such as plastic-like fine paper or very fine textile-like paper yarn. Even in small amounts, fibrils make plastics harder and more robust. Other uses include preventing paint or juice from separating, and improving the composition of concrete.

The nano-sized crystals in the fibre walls can be released by etching cellulose in a controlled manner. Capable of self-assembly, the crystals can form new materials. They scatter light and form colours. Crystalline materials can be used to improve the insulation properties and strength of different mixtures.

Recyclable textiles from wood

The swelling and dissolution of cellulose is another example of advances in green chemistry. Advanced enzymes have provided the key to a very exact method of destructuring cell walls. What is more, the advances of ionic and eutectic solvents provide a very effective and environmentally friendly way of solvating cellulose. We should consider the use of wood as a material in textile manufacturing. With the new cellulose solvents, it is possible to manufacture 100% recyclable textiles, for example.

Controlled swelling of the cell wall is an effective way of introducing chemicals into and modifying the structure. By bonding acetic acid to the cellulose structure, it is possible to create a thermoplastic material, or cellulose-based plastic. Other chemicals can improve the water-solubility of cellulose, or make cellulose more inclined to bond with other materials, enabling the use of cellulose in place of oil-based auxiliary polymers.

Converting cell walls into sugar

A third example is the use of enzymes to convert the cell wall into sugars, to produce, say, alcohol to power vehicles, without taking resources from food production. The sugars in wood allow the manufacture of molecules with a much higher value. One example is FDCA, or furandicarboxylic acid, which can be used to replace the aromatic oil-based main component in packaging and polyesters. This will also produce plastics that are stronger and have lower gas permeability than the plastics used today.

From forestry to bioeconomy and circular economy

Our forestry sector cannot be sustained by pure volume alone. New processes provide economic methods of refining wood into completely new kinds of high-value-add products. At the same time, there will be a shift in economic structures. We are moving from forestry to bioeconomy. In this context, bioeconomy refers to maximum utilisation of biomaterials in terms of utilisation rate and value. At the same time, our behaviour as consumers may shift towards a circular economy, reducing our footprint to a more sustainable level.

Investing opportunities in the new economy have created vast profits for many, but at the same time, a lot of capital remains tied to old industry, providing shrinking returns. Some companies are starting to see the light, and after a long period of non-investment have announced new investments. As Ensio Miettinen, Ensto company (Finnish company for electrical systems and supplies), founder put it:

“Today, we possess more knowledge and capital than ever before, but we need to have a firmer belief in the future.”

Utilising new technologies is always risky, but there will be no gain without risks. It is time to move onwards and upwards to a sustainable future!

 

Ali Harlin

Reasearch Professor

Puusta pitkälle

Ali Harlin_edit

Muinaissuomalainen katsoi puuta ja etsi käteen sopivaa oksanhaaran muotoa, lankarullatehtailija oksatonta puuta, paperin tekijä pitkää kuitua ja kasvihuonekaasuja välttelevä insinööri biohiiltä. Tarpeiden muuttuessa voimme katsoa puuta jälleen uudella tavalla.

Tieteen avulla voimme ymmärtää puun rakenteen entistä syvällisemmin. Tekniikan tehtävänä on muuntaa tiede taloudelliseksi menestykseksi.

Hakkuuylijäämä euroiksi

Puun hakkuuylijäämää meillä on niin paljon, että jos ladomme sen kuusi metriä korkeana tukki- ja rankapinona Helsingin rautatieasemalta kiskoille toinen pää ohittaa Kemijärven aseman. Tuon pinon arvo polttopuuksi laskettuna vastaa viidenkympin seteleinä niputettuna kasaa, jolla voidaan tilkitä Eduskuntatalon pilareiden väli. Mutta jos teemme tuosta määrästä lisäarvoisia materiaaleja, voisimme peittää koko talon näkyvistä setelinipuilla.

Lisäksi puuvillaa korvaavia tekstiilejä valmistamalla vapauttaisimme peltoa 30 miljoonan ihmisen ruokkimiseen ja estäisimme parin maamme kokoisen aavikon syntymisen.

Selluloosan seinämät fibriileiksi tai kiteiksi

Selluloosan soluseinän rakenteen selviäminen on johtanut useisiin edistysaskeliin. Viimeisen vuosikymmenen nano-näkökulma avasi puusta fibriilien tason. Ne ovat elementtejä, jotka muodostavat kiertyen selluloosakuidun soluseinän.Rakenne tunnettiin jo aikaisemmin, mutta halu tuottaa nano-materiaaleja johti teknologian kehitykseen niin, että nyt voimme vapauttaa fibriilit mielekkäällä energiamäärällä.

Fibriilit mahdollistavat puusta aivan uudenlaisia tuotteita ja lisäaineita – esimerkiksi hienojakoista ja muovinkaltaista paperia, tai tekstiilikuitua vastaavaa maailman hienointa paperinarua. Pienetkin fibriili-määrät parantavat muovien sitkeyttä ja lujuutta. Ne estävät maalien ja mehujen laskeutumista sekä parantavat sementin koostumusta jne.

Syövyttämällä selluloosaa hallitusti saadaan talteen kuitujen seinämän nano-kokoiset kiteet. Ne osaavat järjestyä toisiinsa nähden ja rakentaa itsenäisesti uusia materiaaleja. Kiteet kääntävät valoa ja muodostavat värejä. Kiteinen materiaali voi parantaa vaikkapa seosten eristyskykyä ja lujuutta.

Puusta kierrätettävää tekstiiliä

Toinen esimerkki vihreän kemian kehityksestä liittyy selluloosan turvottamiseen ja liuottamiseen. Entsyymien kehittyminen on mahdollistanut erittäin tarkan tavan soluseinän rakenteen avaamiseen. Toisaalla ionisten ja eutektisten liuottimien kehitys mahdollistaa selluloosan erittäin tehokkaan ja ympäristöystävällisen muuttamisen juoksevaan muotoon. Tämä johtaa meidät harkitsemaan uudelleen tekstiilien valmistamista puusta. Uudet selluloosaliuottimet mahdollistavat esimerkiksi täysin kierrätettävät tekstiilit.

Soluseinämän hallittu turvottaminen mahdollistaa tehokkaan tavan viedä kemikaaleja rakenteen sisään ja muokata sitä. Esimerkiksi kytkemällä etikkahappo selluloosan runkoon saadaan lämmöllä sulavaa materiaalia eli selluloosapohjaista muovia. Toisilla kemikaaleilla voimme parantaa selluloosan vesiliukoisuutta tai halua sitoutua toisiin aineisiin, mikä mahdollistaa selluloosan käytön öljypohjaisten apuainepolymeerien tilalla.

Puretaan soluseinät sokereiksi

Kolmantena esimerkkinä soluseinä voidaan purkaa entsyymien avulla myös sokereihin, josta voi tuottaa alkoholia vaikkapa autojen polttoaineeksi puuttumatta ruokavarantoon. Puun sokerit mahdollistavat paljon korkeampiarvoistenkin molekyylien valmistuksen. Sellainen on esimerkiksi FDCA eli furaanidikarboksyylihappo, jolla voidaan korvata pakkausten ja tekstiilien polyesterin aromaattinen öljypohjainen pääkomponentti. Samalla saavutetaan muovi, jonka lujuus ja kyky pitää kaasut sisällään ovat nykyisiä parempia.

Metsäteollisuudesta kohti biotaloutta ja kiertotaloutta

Metsäteollisuutemme ei voi jatkaa pelkän volyymin varassa.  Uudet prosessit tarjoavat edullisia menetelmiä jalostaa puuta aivan uusiksi korkean lisäarvon omaaviksi tuotteiksi. Siinä sivussa tulemme muuttaneeksi myös talouden rakenteita. Mielemme on kääntymässä metsäteollisuudesta kohti biotaloutta. Tässä biotalous tarkoittaa bioraaka-aineesta saatavan hyödyn lisäämistä ja sen arvon maksimointia. Samalla myös kulutuskäyttäytymisemme voi muuttua enemmän kohti kiertotaloutta ja kulutuksen jalanjäljet pienentyä kestävämmälle tasolle.

Uuden talouden sijoitusmahdollisuudet ovat toki tuoneet useille suuriakin voittoja, mutta samaan aikaan meillä on vanhassa teollisuudessa kiinni pääomia, joiden tuotto vain heikkenee. Muutama yritys on selvästi jo heräämässä tähän ja ilmoittanut pitkästä aikaa investoinneista.

Lainatakseni Ensio Miettistä:

”Meillä on nyt tietoa ja pääomia enemmän kuin koskaan historiamme aikana, mutta me tarvitsemme vahvemman uskon tulevaisuuteen.”

Uuden teknologian hyödyntäminen on aina riski, mutta ilman riskiä ei ole myöskään voittoa. Nyt on taas aika siirtyä ajassa eteenpäin ja uudistua − kestävästi!

 

Ali Harlin

Tutkimusprofessori

VTT järjestää biotalous-aiheisen keskustelutilaisuuden Porissa 15.7. osana SuomiAreena-tapahtumaa. Miksi annamme maataloustuotteiden parhaat palat possuille? Kannattaako vihreä kulta polttaa poroksi? Miten biotalouden kassavirta käännetään Suomeen? Tule mukaan kuuntelemaan ja keskustelemaan!