Visiona tietoliikenteen nollaenergia

Voisivatko tietoliikenteessä käytettävät tekniset ratkaisut kehittyä niin, että meillä olisi joskus käytössä 0-energiatietoliikenne? Asiakaspäällikkö Tapio Rauma käy käsiksi kysymykseen.

Tapio Rauma VTT

Sähköisen tietoliikenteen historia on pitkä, mutta vielä riittää insinööreillä kehittämistä.

Ensimmäisistä lennättimen versioista kului kymmeniä vuosia ensimmäiseen puhelinkeskusteluun, jossa puhelimen keksijä Graham Bell lausui kuuluisat sanat ”Mister Watson, come here, I need you” apulaiselleen Thomas Watsonille.

Nyt näyttää siltä, että hädin tuskin ehditään ottaa käyttöön 4G, ennen kuin 5G jo työntyy katukuvaan. Vajaan kymmenen analogisen ja digitaalisen puhelinjärjestelmän kehityskulkuun on kulunut likimain sama aika kuin lennättimestä ensimmäiseen puheluun. Samaan aikaan tiedonsiirto on siirtynyt yhä enemmän langassa kulkevasta sähkömagneettisesta säteilystä langattomaksi ilmassa siirrettäväksi radioliikenteeksi.

Langaton tietoliikenne ei lopulta ole langatonta. Jopa taskussa kulkeva mobiililaite toimii vain rajoitetun ajan itsenäisesti, ja se täytyy lataamisen vuoksi kytkeä tunneiksi sähköverkkoon säännöllisin väliajoin. Se siitä langattomuudesta.

Tukiasema, johon mobiililaite ottaa radioteitse yhteyttä, toimii myös sähköllä eli on liitetty sähköverkkoon. Tukiasema saattaa jo nykyisin kommunikoida eteenpäin langattomasti, mutta ilman sähköjohtoa se ei toimi. Sähkön merkitys vain kasvaa, kun huomioidaan tukiasemia ja muita verkon komponentteja ohjaamaan tarvittavat järjestelmät.

Taustalla suuret energiamäärät

Tietoliikennejärjestelmien osuutta energiankulutuksessa ja hiilidioksidipäästöjen tuottajana on arvioitu monin tavoin. Yleensä tietoliikenne on tehdyissä arvioissa yhdistetty ICT-järjestelmien kokonaisuuteen, johon se luontevasti liittyykin. ICT-laitteiden hiilijalanjälki on vielä alle 5 % kokonaisuudesta, mutta sen osuus kasvaa koko ajan. Yleisesti uskotaan, että jatkossakin kulutus kaksinkertaistuu noin viiden vuoden sykleissä.

Tällä hetkellä Euroopassa toimivien tietoliikenneverkko-operaattoreiden sähkölasku on noin 20 % kulubudjetista (OPEX). Suomalaisten operaattoreiden vuotuinen kulutus on yli 0,5TWh, mikä vastaa Kemijoen suurimman vesivoimalaitoksen vuosituotantoa ja Loviisassa käytettävän ydinreaktorityypin noin 1,5 kuukauden tuotantoa.

Sitä saa mitä tilaa

Tietoliikenteen vaatimaa energiankulutusta ei oikeasti ole vielä optimoitu. Voimavarat on käytetty tavoiteltujen suurten tiedonsiirtokapasiteettien aikaansaamiseen, ja sen eteen on luonnollisesti tehty kaikki voitava.

Tavoitteiden saavuttamiseksi on tarvittu tehokkaampia moniydinprosessoreilla varustettuja laskentakomponentteja, ja ne on vieläpä sijoitettu yhä pienempiin koteloihin. Seurauksena on suurempi energiankulutus ja lämpenemisongelmien vuoksi suurempia sähköä kuluttavia jäähdytystarpeita. Lisäksi aiempaa korkeampien taajuuksien käyttöönotto edellyttää tiheämpää tukiasemaverkkoa, jolloin sähköä kuluttavien tukiasemien määrä kasvaa.

Mistä apua vaivaan?

Kymmeniä vuosia sitten rakennusteollisuudessa oli tilanne, jossa aikansa teknologialla hyvin rakennettu omakotitalo kulutti nykymittapuun mukaan huomattavasti energiaa lämmitykseen. Materiaaleja parantamalla, säätelyn kautta puuttumalla ja ennen kaikkea ihmisten energiatietoisuuden kasvamisen seurauksena nykyisin voidaan normaalikeinoin rakentaa hyvin vähän energiaa kuluttava rakennus. Jos asiaan panostetaan vielä enemmän, saattaa rakennus jopa tuottaa energiaa. Kyseessä on tuolloin +-energiarakennus.

Rakennusten muuttuminen +-energisiksi on tapahtunut useiden teknisten parannusten ja apuvälineiden myötä. Sellaisia ovat esimerkiksi ikkunoiden kehittyminen, eristyksien laadullinen ja määrällinen lisääminen, lämmitysteknologioiden hyötysuhteen parantaminen, lämpöpumpputeknologian käyttöönotto ja lisäksi erilaisten talokohtaisten uusien energialähteiden, kuten auringon ja tuulen, hyödyntäminen.

Mutta voisivatko tietoliikenteessä käytettävät tekniset ratkaisut kehittyä niin, että meillä olisi joskus käytössä 0-energiatietoliikenne? Vastaus on tietysti kyllä. Esimerkiksi laitteiden energiankulutusta voidaan pienentää nykyistä vähemmän energiaa kuluttavalla elektroniikalla. Kehittynyt akkuteknologia yhdessä energian harvestoinnin (aurinko, tuuli, värähtelyt, jne.) auttaa kohti sähkölangatonta tietoliikennettä. Laitteissa käytettäviä ohjelmistoja ei ole optimoitu juurin lainkaan. Lisääntyneeseen jäähdytystarpeeseen on reagoitu rakentamalla aiempaa parempia jäähdyttimiä.

0-energiatietoliikenne täytyy käsittää tilanteeksi, jossa tietoliikennelaitteet toimivat energian näkökulmasta optimaalisesti ja kykenevät toimimaan huomattavan pitkiä aikoja ilman ulkoista energialähdettä. Termi energia-autonominen laite tulee yhä tutummaksi. Kehitystyötä on monella suunnalla jo nyt käynnissä.

J. F. Kennedyn kuuluisaa kuumatkaan liittyvää puhetta erittäin vapaasti lainaten: ”Emme me tutki tätä siksi, että se on helppoa. Me tutkimme tätä siksi, kun se on erittäin vaikeaa. Tämä on niin suuri haaste, että se kelpaa meille.”

Tapio Rauma, asiakaspäällikkö
Twitter: @TapioRauma

Kaukolämmitys on merkittävien muutosten edessä

Moni meistä asuu kaukolämmitetyssä asunnossa. Arjessa ei välttämättä tule ajatelleeksi, miten vaivattomasti asunto lämpiää; lämpökatkot ovat harvinaisia ja lyhytkestoisia eivätkä juurikaan vaikuta mukavuuteen. Lämmityksestä muistuttavat vain radiaattorit ja termostaattiset patteriventtiilit, joihin ei välttämättä tarvitse edes koskea miellyttävän sisälämpötilan ylläpitämiseksi. Lähivuosina kaukolämmitys on kuitenkin merkittävien muutosten edessä.

satu_rinat

Kaukolämmityksellä on pitkä historia. Maailmalla ensimmäiset järjestelmät toteutettiin jo 1800-luvun lopussa. Suomessa esimerkiksi Helsingissä ja Espoossa kaukolämmön jakelu alkoi 1950-luvulla. Vielä tänäänkin suurin osa kaukolämmöstä tuotetaan joko lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitoksissa tai erillisissä lämpökeskuksissa. Kehitys kulkee kuitenkin nykyisestä kolmannen sukupolven kaukolämmityksestä kohti neljännen sukupolven kaukolämmitysjärjestelmää. Pitkäaikaisena trendinä on ollut, että siirryttäessä kaukolämmön seuraavaan sukupolveen samalla kaukolämmityksen energiatehokkuus on parantunut ja veden lämpötilatasot ovat madaltuneet.

Kaukolämpöä tuotetaan yhä enemmän uusiutuvista energialähteistä ja erilaisista hukka- ja jätelämmöistä, jotka muuten jäisivät hyödyntämättä. Esimerkiksi viime aikoina on rakennettu monia datakeskuksia, joiden konesalit tuottavat paljon lämpöä. Tällaista hukkalämpöä on jo alettu hyödyntää kaukolämmönlähteenä. EFEU-tutkimushankkeen esimerkkilaskelmissa hiilidioksidipäästöt pienenivät puoleen, kun viidennes tarkastelualueen kaukolämmityksestä tuotettiin datakeskuksen hukkalämmöllä.

Kohti muuttuvia markkinoita

Myös kaukolämpömarkkinat muuttuvat. Avoimella kaksisuuntaisella kaukolämpöverkolla tarkoitetaan kaukolämpöverkkoa, joka sekä jakaa kaukolämpöä kuluttajille että mahdollistaa sen, että asiakkaat tai erilliset lämmöntuottajat voivat myydä verkkoon ylijäämälämpöä tai muuten tuottamaansa kaukolämpöä. Tällöin esimerkiksi aurinkolämmön tai suurten maalämpöpumppujen osuus kaukolämmön tuotannosta voi nousta merkittävästikin. EFEU-projektissa havaittiin, että kun aurinkolämpöä ja maalämpöä lisättiin eniten kahdenkymmenen vuoden tarkastelujaksolla, keskitetysti tuotetun lämmöntarve pieneni 34 % samassa ajassa.

Avoimessa kaukolämmityksen tuotantorakenteessa myös toimijat muuttuvat. Jonkun täytyy ottaa vastuu lämpökaupasta ja siihen liittyvästä tuotannon ja kysynnän hallinnasta. On ratkaistava, millä ehdoilla ja  teknisillä ratkaisuilla kauppa on mahdollista, miten huippukulutustarve katetaan kaikissa olosuhteissa ja miten investoinnit toteutetaan.

Kaukolämpöveden lämpötilatasojen laskiessa kotien lämmitysjärjestelmiä on tarpeen päivittää. Uusimmat järjestelmät ovat ns. matalalämpöjärjestelmiä, jolloin esim. radiaattorit ovat nykyistä suurempia. Muutokset voidaan toteuttaa muun peruskorjauksen yhteydessä, jolloin ne tulevat halvemmiksi kuin erikseen tehtyinä. Silloin talon lämmitysjakelujärjestelmä olisi valmis joko omalle uusiutuvalle järjestelmälle tai uudelle verkolle – hyvä, kun on vapaus valita.

Tulevaisuudessa verkko-operaattori saattaa myös kannustaa asiakkaita (esim. tariffeilla) mahdollistamaan valmiuden liittyä matalalämpötilaverkkoon. Verkonhaltijan kannalta verkon lämpötilan pienentäminen avaa verkolle uusia markkinoita, kuten mahdollisuuden ostaa ja hyödyntää halpaa jätelämpöä. Lisäksi verkkoon voivat palata tai liittyä ”vanhan kaukolämpöverkon” alueella sijaitsevat aikaisemmin verkosta eronneet energiakorjatut talot ja uudet talot, joissa on oma lämmitystuotanto, ja jotka eivät olleet kytkettyinä verkkoon. Käytännössä talojärjestelmien muutokset tapahtuvat kuitenkin vaiheittain ja alkuun näkyvät vain uusilla kaukolämpöalueilla.

EFEU-tutkimushanke

Energiajärjestelmäskenaariot toteutettiin CLIC Innovation Oy:n koordinoimassa Energian tehokas käyttö (EFEU) -tutkimusohjelmassa. Skenaarioissa tutkittiin aurinkolämmön ja maalämpöpumppujen lisäämisen, teollisen jätelämmön hyödyntämisen sekä maltillisen kuluttajalämmöntuottajan energia- ja päästövaikutuksia. Näitä vaihtoehtoja tarkasteltiin tapaustutkimuksena Keski-Uudenmaan kaukolämpöverkossa.

Julkaisu ”Tulevaisuuden energiatehokkaiden alueellisten energiajärjestelmien näkymiä” englanniksi ”Visions for future energy efficient district energy systems” sähköisesti: http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2016/T277.pdf

Raportti kuvaa tulevaisuuden energiajärjestelmien visioita ja kaukolämpöön liittyvien järjestelmien nykytilaa Suomessa. Julkaisussa kuvataan tulevaisuuden liiketoimintaan ja palveluihin liittyviä haasteita ja tarpeita sekä skenaarioita.

Satu Paiho, erikoistutkija

Rinat Abdurafikov, tutkija

Teemana energia: Esineiden internetin maailma tulee kotiin

VTT järjesti 13.9.2016 Kasvua energiamurroksesta -seminaarin Helsingissä. Tilaisuudessa esiteltiin VTT:n laaja-alaista osaamista energiasektorilla – tutkimustuloksia, skenaarioita ja visioita – sekä puitiin yhdessä kumppaneidemme kanssa Suomen energiamurrosta ja kasvunäkymiä. Teemana energia -blogisarja käsittelee seminaarin teemoja tarkemmin.

Kotien energiankäytön tulevaisuudesta on esitetty ja tuotettu monenlaisia visioita. Yksi tunnetuimmista on se, että koti on energiajoustava. Lisäksi koti voi olla energiaomavarainen tai sopivassa tilanteessa jopa tuottaa energiaa muiden käyttöön.

Nykyisin testattavana ja kokeiltavana olevat uudet teknologiat antavat tulevaisuuden kuluttajalle mahdollisuuden erilaisten energiantuottamisen uusien vaihtoehtojen pohtimiseen. Esimerkkinä olkoon kuvassa näkyvä luonnos siitä, millainen tulevaisuuden painettuja ja energiaherkkiä pintoja sisältävä koti voisi olla. Seinien pinnat ja koristeet voivat olla tilanteen mukaan energiaa tuottavia. Niin ikään pöytäliina, koriste seinällä, tapetti tai tietokoneen pinta voivat tuottaa energiaa niihin ympäristöstä tulevasta valosta. Valon suhteen rakentuva asuinympäristön suunnittelu saanee tällaisessa visiossa yhä enemmän jalansijaa.

tuikka_futurehome

Tulevaisuuden koti.

Ympäristön energian keräämisen lisäksi on mahdollista, että koti sisältää älykkyyttä ja kerää tietoa niin ympäristöstä tai omasta toiminnastaan, viestien sitä tietoa pilvipalveluun tai toisille laitteille. Tällöin kulloisenkin sopimuksen mukaan osa kodista tai toimistosta voisi olla valmiiksi sähkösopimuksin neuvotellun jouston kohteena, mutta toimintamahdollisuuksien rajoissa. Energian joustava käyttö riippuu siis tilanteen mukaan tehtävästä määrittelystä.

Kuluttajatieto ja uudet palvelut

Energiajärjestelmien lisäksi myös kodin laitteet voivat kertoa muille laitteille omasta tilastaan ja keskustella keskenään. Tällä hetkellä näyttää siltä, että on muodostumassa alustatalous, jossa ns. esineiden internetissä on erittäin paljon erilaisia toimijoita eri tasoilla. Kaikki kodinkoneiden ja viihde-elektroniikan valmistajat, saunakiukaiden tekijät tai sähkömittarin lukijat vaikuttavat olevan pyrkimässä lähemmäs kuluttajaa. Kuluttajatieto ja sen yhdistäminen muuhun tietoon tuntuu olevan avain uusiin palveluihin. Tiedon yhteyksien puuttuessa energian käytön jouston vaikutusta voi olla vaikea laskea. Suurimmat mahdollisuudet arvioidaan olevan liiketoimintamallien muutoksessa sekä uusissa liiketoimintamahdollisuuksissa. Monenlaisia arvioita löytyy myös siitä, millaisia rahasummia tulevassa esineiden internetin ja alustojen maailmassa pyörii.

Vaikka rahasummia on erittäin vaikea ennustaa, kaiken kaikkiaan muutos on mahdollisuus. Muutoksen elementtejä on tärkeää tunnistaa liiketoiminnan jatkuvuuden varmistamiseksi. Lainsäädäntö ja erilaiset aloitteet, teknologiset murrokset sekä standardit ovat pitkällä aikavälillä toimintaan vaikuttavia tekijöitä.

Esimerkiksi lainsäädännön kautta voidaan määritellä jokin data yhteiskunnalle merkittäväksi ja muuttaa se lainvoimaisesti avoimeksi. Millainen seuraus toiminnalle olisi, jos energiamittareiden tuottama data todetaan yhteiskunnalle tärkeäksi ja avoimeksi? Lainsäädännön seurauksena vältyttäisiin suljetulta systeemiltä ja tieto voitaisiin yhdistää muuhun tietoon lisäarvoa tuottaen. Epäilemättä liiketoiminnallinen seuraus olisi merkittävä. Tällaisia tilanteita on tiedossa toisessa yhteydessä. Erityisesti maksupalveluihin liittyvät palvelut muuttuvat. Uusi maksupalveludirektiivi pakottaa pankit avaamaan omaa tietovarantoaan kolmansille osapuolille. Ulkopuoliset palveluntarjoajat saavat pääsyn pankin maksutapahtumiin. Palveluntarjoajat voivat hoitaa maksuja asiakkaiden puolesta pääosin online- ja mobiilikanavissa. Maksuthan liittyvät oikeastaan kaikkiin palveluihin, ja nyt niin pankit kuin muutkin toimijat ovat kuulolla, mihin palveluihin maksut voidaan liittää. On varsin mahdollista, että tämä muutos liittyy myös energiaratkaisuihin.

Kuluttajan rooli korostuu digitaalisessa yhteiskunnassa. Kuluttajaa kiinnostaa omaan toimintaan liittyvä tieto ja yhä enemmän juuri hänelle määritelty tieto tai tekeminen. Digitaalisuus vie palvelun tuottajaa lähemmäs kuluttajaa, ja mitä paremmin digitaaliset palvelut hyödyttävät kuluttajaa, sitä varmemmin niitä käytetään. Yhtenäinen kuva kodin kulutuksesta ja tuotannosta käyttäen digitaalisia palveluja vapauttaa kuluttajan yhä enemmän toimittajaloukusta. Mitä joustavammin ja helpommin palvelut toimivat kuluttajan näkökulmasta, sitä houkuttelevampia ne ovat. Energiasopimuksen helppo ja selkeä vaihtaminen, ehtojen vertailu ja rahaliikenteen yhdistäminen muihin palveluihin edistävät jo pelkästään kuluttajien tietoisuutta vaihtoehdoista ja liikkuvuutta energiamarkkinoilla.

Kenelle data kuuluu?

Muutoksen tuottavat useat siihen vaikuttavat tekijät tai niiden yhdistelmät, kuten esimerkiksi säätely. Kenelle kuuluu kotoa esineiden internetistä, lampuista, saunankiukaista tai televisioista tuleva data? Aihe on niin tärkeä, että Euroopan komissio on kiinnittänyt asiaan huomiota pohtimalla datan käytön oikeuksia liiketoimintaketjuissa. Toinen vastaavanlainen, mutta pidemmällä oleva, säätely on nimeltään General Data Protection Regulation eli GDPR, joka määrittelee oikeuden oman dataan. Se toteutuu vuonna 2018.

Toiseksi standardit ovat tärkeitä, kun mietitään, millaisia dataan liittyviä yhteyskerroksia tehdään. Aloitteita on useita, ja VTT on mukana useassa standardiorganisaatiossa ja aloitteessa. Kolmanneksi teknologinen murros tuskin on yksistään mahdollinen vaan vaatii sopivaa kohtaa toimintaympäristössä. Lohkoketjutekniikka on uusi tekninen termi, mutta sen ympärille kehittynyt intohimo on näyttänyt leviävän ulos tietotekniikkapiireistä. Termi on tunnetumpi, kun se liitetään virtuaalirahan käsitteeseen ja sanaan bitcoin. Mielenkiintoista tässä on se, että kukaan yksittäinen toimija ei hallitse keskitetysti tietoa. Sanotaan, että avoimuus ja hajauttaminen tekevät lähestymistavasta luotettavaa. Tällä hetkellä esimerkit ovat suuntaa antavia, jossain kohtaa tulee ehkä hetki, jolloin sähkölaite raportoi energiamäärän turvallisesti lohkoketjuun. Visiona voisi olla, että esineiden internet -laitteet voisivat tehdä keskenään sopimuksia ja tehdä energiajoustoon liittyvissä tilanteissa annettujen sääntöjen mukaista kaupankäyntiä.

Tuomo Tuikka, tutkimuspäällikkö
Twitter: @tttuomo

Energiatehokkuus on kaupunkien kestokyvyn avaintekijä

miimu_airaksinen

YK:n kestävän kaupunkikehityksen tavoitteet (New Urban Agenda) hyväksyttiin muutama viikko sitten Quitossa, Ecuadorissa järjestetyssä YK:n kestävän kaupunkikehityksen Habitat-konferenssissa. Uusien kestävän kaupunkikehityksen tavoitteiden määrittely ei ollut helppo tehtävä, sillä YK:n jäsenvaltioiden edellytykset ja intressit vaihtelevat valtavasti. Kaupunkialueiden kestävä kehitys vaatii kuitenkin kiireellisiä toimenpiteitä.

Tosiasia on, että maapallon pinta-alasta vain noin 2,7 % on kaupunkialueita, mutta niiden osuus luonnonvarojen kulutuksesta on 70 % ja hiilidioksidipäästöistä 75 %. Lisäksi meillä on runsaasti haasteita, että saamme kaupungeistamme terveellisiä, turvallisia ja miellyttäviä paikkoja asua ja tehdä työtä.

Kestävän kaupunkikehityksen tavoitteeksi nostettiin ensimmäistä kertaa energian merkitys. On tunnettu tosiasia, että energiantuotanto on kaupunkien hiilidioksidipäästöjen ja ilmanlaatuongelmien merkittävin aiheuttaja. Energiaa tarvitaan kaupungeissa liikenteeseen, lämmitykseen, jäähdytykseen ja valaistukseen sekä vesi- ja viemärijärjestelmiin. Energiaa tarvitaan myös laitteiden ja koneiden käyttämiseen. Vähähiiliseen yhteiskuntaan siirtyminen edellyttää hiilen käytön radikaalia pienentämistä tai hiilidioksidin talteenottoa energiantuotannossa, mutta erittäin suuri merkitys on myös energiankäytön tehostamisella. Ympäristöystävällisintä energiaa on se, jota ei tarvitse lainkaan tuottaa. Energiatehokkuudella ei pelkästään pienennetä energiankulutusta ja päästöjä, vaan se on myös yksi kaupunkien resilienssin avaintekijöistä. Resilienssillä tarkoitetaan tässä äkillisiin muutoksiin/uhkiin (kuten voimakkaat tuulet tai terrorismi) sopeutumista ja siitä toipumista. Energiatehokkuuteen kuuluu energian tarpeen vähentäminen ja ennen kaikkea kysyntähuippujen rajoittaminen. Kysyntää voidaan ohjata paitsi älykkäällä tekniikalla ja myös itseoppiviin ja mukautuviin algoritmeihin perustuvilla säätöjärjestelmillä, joilla vähennetään ja siirretään kysyntää entistä tehokkaammin. Käyttäjien hyvinvoinnista ei kuitenkaan tarvitse tinkiä, vaan sitä voidaan jopa lisätä.

Älykkäät kaupungit ja tehokkaat resurssit

Energian lisäksi konferenssin asialistalle oli ensimmäistä kertaa nostettu älykkäät kaupungit. Älykkäiden kaupunkien käsite on sikäli ainutlaatuinen, että sitä voidaan soveltaa sekä teollistuneisiin kaupunkeihin ja alueisiin että kehittyviin talouksiin. Älykkäiden kaupunkien etuna on, että nykyisen infrastruktuurin toimintaa on mahdollista tehostaa mukautuvilla, helposti asennettavilla antureilla sekä hyödyntämällä itseoppivia ohjausalgoritmeja. Uusilla menetelmillä voidaan lisäksi tuottaa kaupunkipalveluita tehokkaammin myös kehittyvissä maissa, jolloin vältetään raskaat ja kalliit infrastruktuuri-investoinnit. Hyviä esimerkkejä ovat uusiutuvien energianlähteiden hyödyntäminen kaupungeissa ja asuinyhteisöissä. Interaktiivisella kommunikaatiolla voidaan lisätä asukkaiden osallistumista ja omistajuutta omilla asuinalueillaan, millä parannetaan alueen houkuttelevuutta ja koettua elämänlaatua.

Älykkäitä järjestelmiä hyödyntämällä on mahdollista käyttää resursseja tehokkaammin. Yhtenä keinona on eri lähteistä kerätyn tiedon yhdistäminen ja hyödyntäminen. Nykyaikaisessa rakennuksessa on tyypillisesti yli 20 000 tiedonkeruupistettä, joten kaupungeissa tietoa on käsittämättömän runsaasti. Selvää onkin, ettei kenelläkään voi olla kapasiteettia tällaisen tietomäärän käsittelemiseen. Tarvitsemme siis älykkäitä, itseoppivia ja ennakoivia järjestelmiä, jotta suurin osa tiedosta saadaan käyttöön. Eräs älykkäiden kaupunkien tärkeimmistä periaatteista on datan käsitteleminen siten, että tuloksena on merkityksellistä tietoa päätöksenteon tueksi, arkielämän helpottamiseksi ja ympäristömyönteisyyden saavuttamiseksi. Samalla säästyy aikaa niille asioille, jotka ovat meille kaikkein tärkeimpiä.

Miimu Airaksinen
Tutkimusprofessori

YK:n asuinyhdyskuntaohjelman (UN Habitat) toimintajaosto 9 on kaupunkipalveluihin ja -teknologiaan erikoistunut toimintajaosto, johon kirjoittaja nimitettiin vuonna 2015 asiantuntijaksi valmistelemaan YK:n kaupunkikehitysstrategiaa.

Twitter: @MiimuAiraksinen

Teemana energia: Energiantuotantopaletin optimoinnista kohti kokonaisvaltaisia palveluita

VTT järjesti 13.9.2016 Kasvua energiamurroksesta -seminaarin Helsingissä. Tilaisuudessa esiteltiin VTT:n laaja-alaista osaamista energiasektorilla – tutkimustuloksia, skenaarioita ja visioita – sekä puitiin yhdessä kumppaneidemme kanssa Suomen energiamurrosta ja kasvunäkymiä. Teemana energia -blogisarja käsittelee seminaarin teemoja tarkemmin. Sen aloittaa yhteenvedollaan tutkimusalueen johtaja Tuula Mäkinen.

Tuula_Mäkinen

Hyödyntääksemme energiamurroksesta nousevat uudet liiketoimintamahdollisuudet meidän on kehitettävä uusia kokonaisvaltaisia palveluita. Ei riitä, että etsimme uuden optimaalisen energiantuotantopaletin ja tehostamme tuotannosta erillisenä energian käyttöä. Olemme muuttuneessa tilanteessa, jossa energian kuluttaja voi toimia myös energian tuottajana, ja meidän on katsottava tuotantoa ja kulutusta kokonaisuutena. Meidän on yhdistettävä uusia teknologioita ja toimintamalleja aivan uudenlaisella nopeudella.

Energia on muuttumassa entistä enemmän palveluiksi ja ansaintamallit alalla ovat muuttumassa. Energiajärjestelmissä arvo on siirtymässä energiayksiköistä joustaviin resursseihin.

Tulevaisuudessa rakennukset ovat entistä enemmän aktiivinen osa energiajärjestelmää. Energian säästämisen näkökulmasta ollaan siirtymässä hyvien sisäolosuhteiden optimaaliseen tuottamiseen ja energiayksiköiden myynnistä viihtyvyys- ja olosuhdepalvelujen myyntiin.

VTT:llä tehdään työtä uusien palveluiden kehittämiseksi. Uudet palvelut perustuvat olosuhteiden ja energiankulutuksen optimointiin uudella tavalla. Esimerkiksi kun yhdistetään säätietoon, ihmisten läsnäoloon ja energian hintaan pohjautuva ennakoiva säätö ja tieto ihmisten viihtyvyydestä hyödyntäen VTT:n kehittämää Human Thermal Model -mallia, voidaan sisäolosuhteita ja viihtyvyyttä parantaa ja samalla säästää energiaa.

Teknologiakehitys on vauhdittunut ja olemmekin nähneet useita teknologialoikkia. Aivan viime aikoina suurin edistys energian tuotannon teknologioissa on tapahtunut aurinko- ja tuulisähkön tuotantokustannusten pienenemisessä.

Suomi kuuluu maailman kärkikaartiin

Suomi on eturintamassa monella energiateknologian alueella. Olemme kansainvälisesti vahvoja esimerkiksi älykkäissä sähköverkoissa, sähkön ja lämmön yhteistuotannossa, kaukolämmössä ja -jäähdytyksessä sekä erilaisten integroitujen ja hybridiratkaisujen kehittämisessä.

Suomen digitalisaatio-osaaminen tarjoaa erinomaiset mahdollisuudet uusien palveluiden synnyttämiseen ja toteuttamiseen, sillä uudet palvelut liittyvät keskeisesti datan siirtämiseen ja hyödyntämiseen sekä mobiililaitteisiin.

Energiamurroksesta uusia mahdollisuuksia ja toimintatapoja

Muuttuneessa tilanteessa kaivataan uusia, erilaisia yhteistyömalleja sekä halua uudistua. Energia-alalle onkin tullut aivan uusia toimijoita. Toimialojen rajat ovat katoamassa, mikä edellyttää eri toimialoilta yhteistyötä, uudistumista ja riskinottokykyä. Start-up-kulttuuri ja uudet toimintamallit, kuten joukkoistaminen, mahdollistavat ketterät kokeilut ja aivan uusien palveluiden ja tuotteiden markkinoille tuomisen. Kokeilukulttuurin edistäminen on tärkeää.

Pilotointi ja demonstrointi ovat tärkeässä osassa innovaatioiden ja uusien teknologioiden kehittämisessä ja niiden kaupallistamisen nopeuttamisessa. Yksittäisten teknologioiden pilotoinnista on siirrytty kokonaisuuksien ja liiketoimintamallien pilotointiin. Yhä useammin pilotointi- ja demonstrointihankkeet ovat useamman toimijan laajoja ekosysteemihankkeita. On tärkeätä saada suomalaiselle osaamiselle referenssejä tukemaan kasvua ja vientiä.

Hyvä esimerkki uudenlaisesta tavasta toimia on vuodenvaihteessa pääkaupunkiseudulla käynnistynyt VTT:n koordinoima Living Lab Bus -yhteishanke, jossa hyödynnetään HSL:n kotimaisia sähköbusseja konkreettisena kehitys- ja kokeilualustana. Tavoitteena on luoda uudenlainen arjessa toimiva kehitysympäristö, joka nopeuttaa yritysten tuotekehitystä ketterien kokeilujen avulla tiiviissä yhteistyössä loppukäyttäjien ja tutkimuslaitosten kanssa.

Tulevaisuudessa kuluttajien rooli kasvaa ja heidän tarpeensa ja vaikutusmahdollisuutensa korostuvat. Meidän pitäisikin ymmärtää, minkälaisia palveluita ja tuotteita kuluttajat haluavat ja tarvitsevat sekä innostaa heitä kokeilemaan ja mukaan kehitystyöhön.

Suomella on erittäin hyvät mahdollisuudet nousta uuden energiajärjestelmän ja uusien kokonaisratkaisujen kansainväliseksi pilottialustaksi ja edelläkävijämarkkinaksi ja sitä kautta parantaa suomalaisten yritysten vientimahdollisuuksia globaalissa kilpailussa. Suomessa onkin jo mukavasti herätty tähän mahdollisuuteen mm. julkisia hankintoja hyödyntäen.

Tuula Mäkinen, tutkimusalueen johtaja

Tuula.makinen (a) vtt.fi, +358 50 301 4661

Maasta sinä olet tullut ja hyötykäyttöön sinun on tuleman

Hautausmaalla syntyy valtavasti muovijätettä. VTT:n tutkija Satu Pasanen sai siellä myös idean, miten tätä jätettä voidaan hyödyntää.

Satu PasanenOn marraskuu 2013. Pyhäinmiestenpäivän hautakynttilöiden loiste valaisee koko tamperelaisen hautausmaan. Olen tullut käymään läheiseni haudalla. Lähtiessäni pois huomaan muovikynttilöiden keräysastian. Se on täynnä kaikkea kanervista lähtien. Hautakynttilöiden suttuisia muovikuoria on kuitenkin reilusti muun rojun joukossa. Muistan ajatelleeni, kuinka paljon tätä jätettä tulee ja mitähän tästä voisi tehdä: eihän tätä kaikkea voi kaatopaikalle viedä tai energiaksi polttaa. Viikonlopun asiaa miettineenä kirjoitan innoissani kirjoitusvirheitä vilisevän projektiesityksen asiasta kollegoilleni. Sekoitan esityksessäni jopa englannin kielen sanat ”crave” ja ”grave”! Projektiehdotukseni kirjoitusvirheineen jää hauskasti mieleen, mutta varsinaisesta projektista ei kukaan vielä innostu, vaikka alustava taustatyö osoittaakin, että hautausmailta kertyy merkittäviä määriä muovijätettä. Kuluttajan käyttämän muovituotteen käyttö uusiomateriaalina ei ota vielä tuulta siipiensä alle.

Pelkästään Tampereen suurimmalla hautausmaalla (pinta-ala 17 ha) muovijätettä kertyy vuosittain 3,4–6,5 tonnia. Vastaavasti Helsingin seurakuntayhtymän Honkanummen hautausmaalta (76 ha) kerätään käytettyjä hautakynttilöitä vuosittain 240–250 tonnia. Evankelis-luterilaisella kirkolla on Suomessa noin tuhat hautausmaata, mutta muovijätteen määrän arviointi on kuitenkin vaikeaa, koska tilastoituja tietoja on saatavilla rajallisesti. Lisäksi kynttiläperinteissä on alueellisia eroja: arvioiden mukaan Itä-Suomessa käytetään Länsi-Suomea enemmän kynttilöitä haudoilla. Muovijätteen määrä on kuitenkin varovaisenkin arvion mukaan merkittävä. Käytettyjen hautakynttilöiden muovikuoret kulkevat vielä osana hautausmaiden sekajätettä. Ne voidaan hyödyntää energiantuotannossa, mikäli alueella on sekajätettä vastaanottava polttolaitos.

Iso osa sekajätteestä on muovia

Pakkausteollisuus on eurooppalaisen muoviteollisuuden suurin toimiala, sillä se lohkaisee 39,5 % (v. 2014) kaikista niistä toimialoista, joilla muovia käytetään. Siksi onkin ymmärrettävää, että sekajätteen muovijae koostuu pääosin erilaisista pakkausmateriaaleista, kuten erilaatuisista polyeteeneistä (PE) ja polypropeeneista (PP). Pirkanmaan Jätehuollon vuonna 2014 tekemän muovipakkausten kierrätyskokeilun mukaan muovin osuus sekajätteestä oli keskimäärin 18 p-%. Vuodessa se tarkoittaa 32 kg muovijätettä henkilöä kohden. Helsingin seudun ympäristöpalvelujen (HSY) pääkaupunkiseudulla vuonna 2015 tekemän lajittelututkimuksen mukaan muovin osuus sekajätteestä oli noin 16 p-%, joka tarkoittaa vuosittain reilua 28 kg:aa muovijätettä henkilöä kohden.

Pääkaupunkiseudun asukkaat tuottivat vuonna 2015 arviolta yli 187 000 tonnia sekajätettä, josta muovijakeen osuus oli yli 30 000 tonnia. Se on paljon muovia. Lienevätkö pääkaupunkiseudun asukkaat ympäristötietoisempia? Se nähdään, kun uutta tietoa muovin osuudesta pirkanmaalaisten sekajätteessä on luvassa piakkoin. Pirkanmaan Jätehuolto Oy toteuttaa alueellaan elo-syyskuun (v. 2016) vaihteessa koostumustutkimuksen ympäristöministeriön rahoittaman Laatujäte-hankkeen nimissä. Hankkeen tarkoitus on kehittää sekajätteen koostumustutkimuksia ja muodostaa käsitys Suomen keskimääräisestä sekajätteestä.

On toukokuu 2015. Monien käänteiden jälkeen ReLight-projekti on käynnissä. Hautakynttilöiden muoviosien hyödyntämistä uusiomateriaalina on päätetty kokeilla projektissa, johon kuuluvat VTT Oy, Innolux, Merocap Oy ja Oy All-Plast Ab. Ryhmä yläkoululaisia on saapunut VTT:lle oppimaan uutta kierrätyksestä ja materiaalikehityksestä sekä lajittelemaan talvella kerätyt hautakynttilät. Iloinen puheensorina täyttää pihan. Kynttilät löytävät nopeasti oikeat paikkansa ja pian työ on valmis: koululaisten leirikoulurahasto saa tukea hyvin tehdystä työstä. Mutta tärkeämpää on nuorten kierrätys- ja ympäristötietouden kerryttäminen. Asennekasvatusta lapsesta lähtien.

kuva_1

Kuva 1. (vasen) Tutkija Satu Pasanen kertoo kierrätyksestä ja tutustuttaa Etelä-Hervannan yläkoulun oppilaita VTT:n tutkimushalliin ja materiaalitutkimukseen. (oikea) Hautakynttilöiden lajittelu eri muovimateriaaleittain ja eri valmistajien merkeittäin tapahtui tutkimusinsinööri Timo Flyktmanin johdolla. (Kuvat: Tommi Vuorinen)

Pian lajittelun jälkeen hautakynttilät prosessoidaan eri vaiheiden jälkeen muovigranulaateiksi VTT:llä Tampereella. Tuloksena saadaan ensiluokkaisia uusiomateriaaleja, joiden muoviosa on sataprosenttisesti hautausmaalta kerättyä. Yhteistyökumppanin ansiosta materiaalista koeruiskuvaletaan muotokappaleita (kuva 2). Ne ovat upeita. Epäilijät hiljentykööt, likaista kuluttajien hylkäämää muovijaetta on nyt käytetty uuden tuotteen raaka-aineena.

kuva_2

Kuva 2. (vasen) VTT:llä valmistettuja uusiomuoviraaka-aineita ja (oikea) niistä koeruiskuvalettuja muotokappaleita. (Kuvat: Satu Pasanen)

Kierrätä muovia!

Tänä vuonna muovipakkausten kierrättäminen on tullut kuluttajille mahdolliseksi uuden jätelain pakkausasetuksen (518/2014) myötä, vaikkakin pieniä viivästyksiä on ollut. Kierrättäminen näkyy jo kuluttajan arkipäivässä, kun käytetyille muovipakkauksille tarkoitettuja keräyskontteja on ilmestynyt ekopisteisiin reilut 500 kappaletta. Ekokemin kesäkuussa virallisesti avattu Kiertotalouskylä hyödyntää nyt ympäri Suomea ekopisteiltä tulevaa muovipakkausjätettä. Pakkausten kierrätystavoite on nyt 16 p-%, mutta jo neljän vuoden päästä se nousee 22 p-%:iin.

kuva_3

Kuva 3. Muovipakkausten keräykseen tarkoitettuja kontteja. (Kuva: Satu Pasanen)

Muovi sopii hyvin kierrätettäväksi. Materiaalikehityksen näkökulmasta uusiomateriaalien ja uusien sovellusten tuottaminen onnistuu, kun tietää eri laatujen ominaispiirteet, sovelluksissa tarvittavat puhtausvaatimukset ja sovelluksissa tarvittavat muovin fysikaaliset ominaisuudet. Hinnan tai arvojen ohjaavaa vaikutusta ei toki voi unohtaa. Erittäin haluttua on mahdollisimman puhdas, yhtä muovityyppiä sisältävä muovikalvojäte, joka seuraavassa elämässään sopii hyvin esimerkiksi ruiskuvalutuotteisiin, aina saaveista design-tuotteisiin. Kehitystyö kuulostaa yksinkertaiselta, mutta muovimateriaalien ja niistä tehtävien sovellusten kehitystyö vaatii kuitenkin aikaa ja rautaista osaamista. Sitä VTT:ltä löytyy.

Öljystä muoviksi ja muovista energiaksi

Maailman öljyntuotannosta noin 4–6 % käytetään muovin valmistukseen. Tästä öljystä saadaan 311 miljoona tonnia (Mt) muoviraaka-ainetta (vuoden 2014 luku, ei sisällä kuituja). Euroopan muovituotannon osuus tästä määrästä on 59 Mt. Kuluttajilta tullutta muovijätettä kertyi Euroopassa 25,8 Mt vuonna 2014 (kuva 4). Tästä määrästä ensimmäinen kolmannes päätyi kierrätykseen, toinen kolmannes meni kaatopaikalle ja loput päätyivät energiakäyttöön. Kaatopaikalle menneen 7,9 Mt muovijätteen valmistamiseen tarvittiin noin sata miljoonaa barrelia öljyä. Maasta sinä olet tullut ja yhteiskunta haluaa sinun maaksi taas tuleman – öljystä muoviksi ja muovista öljyksi. Mutta se tie on liian pitkä: kaatopaikkasijoitettu muovijäte olisi voitu hyödyntää. Kierrätettäväksi muovia päätyi 7,7 Mt.

kuva_4

Kuva 4. Kuluttajilta tulleen muovijätteen jakautuminen eri loppukäyttökohteiden kesken (lähde: http://www.plasticseurope.org).

Kierrätettävän muovijakeen määrä on kuitenkin tasaisesti kasvanut Euroopassa viimeisten kymmenen vuoden aikana. Silti löytyy vielä useita maita, joissa merkittävä osa muovijätteestä päätyy kaatopaikalle. Tehokkaana esimerkkinä jätteen hyödyntämisestä on läntinen naapurimaamme Ruotsi, joka on jo vuodesta 2005 rajoittanut muovin päätymistä kaatopaikoille – lukeman ollessa nyt alle 10 %. Ruotsissa lähes puolet yhdyskuntajätteestä (noin 2,2 Mt) päätyy energiantuotantoon. Muovin käyttö energiantuotannossa näkyy paikallisesti Pirkanmaalla, kun Tammervoima avasi hyötyvoimalaitoksensa Tampereella 2016.

On elokuu 2016. Hautausmaa näyttää kauniilta, viimeiset kesäkukat kukkivat vielä haudoilla. Tervehdin edesmennyttä läheistäni ja kurkkaan muovikynttilöiden keräysastiaan matkalla autolleni. Astia on jälleen täynnä kaikenlaista roskaa. Huokaisen, ehkä osin helpotuksesta ja osin pettymyksestä: muovinkierrätyksessä on vielä paljon tekemistä, mutta uusiomateriaalit ovat jo totta. Asenteiden muuttaminen vaan vie paljon enemmän aikaa.

kuva_5

Kuva 5. Muovikynttilöiden keräysastian sisältö Kalevankankaan hautausmaalla Tampereella 13.8.2016. (Kuva: Satu Pasanen)

Satu Pasanen, tutkija

Lähteinä on käytetty seurankuntayhtymiltä, kirkkohallitukselta ja jätehuollosta kerättyä suullista ja kirjallista tietoa, Plastics Europe -yhdistyksen julkaisemaa muovialan kirjallista tietoutta (Plastics – The Facts 2015) ja Pöyry Management Consulting Oy:n raporttia ”Jätteiden energiahyödyntäminen Suomessa”.

Rakentamisen energiavallankumousta odotellessa

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

”Joko teillä on oma energiaekspertti”, kysyy viime viikon rautakauppareissulla käteen tarttunut Rakentamisen energia- ja neuvontapalvelujen opas energiatehokkaaseen asumiseen. Luulenpa, että harva omakotirakentaja tai taloyhtiön osakas nostaa kätensä vastaukseksi.

Pientalorakentamisen ja asunto-osakeyhtiöiden energiaratkaisut ovat kuluttajalle kuitenkin monimutkainen palapeli. Yhtä aikaa talon tontille sijoittelun, huonejaon, LVI-suunnittelun ja monen muun asian rinnalla pitäisi osata miettiä, mitä erilaiset energiaratkaisut vaativat suunnittelulta. Pitäisi myös löytää oikeassa vaiheessa oikeat asiantuntijat tarjoamaan vaihtoehtoja, asentamaan laitteet ja luomaan luottamusta siihen, että valittu energiaratkaisu on kustannustehokas ja kätevä säätää, käyttää ja huoltaa myös tulevaisuudessa. Jos käyttöön otetaan hybridiratkaisuja, joissa yhdistetään erilaisia energiantuotantoratkaisuja, kuten maalämpöä, aurinkoa ja vesitakkaa, järjestelmistä saattaa tulla ohjauksen ja säätöjen suhteen hyvinkin monimutkaisia. Järjestelmien digitaalisuus ja langattomuus puolestaan lisäävät uudenlaisen talotekniikan ”merkkihuollon” tarvetta.

Parasta energia on kuluttajalle silloin, kun sen saatavuutta ei tarvitse miettiä, varpaita ei palele eikä laskun maksaminen aiheuta päänsärkyä. Asumisen ja rakentamisen energiavalintoja tekevät kuluttajat odottavat energiaratkaisuilta ensisijaisesti vaivattomuutta, varmuutta ja edullisuutta.

Mediassa on päivä päivältä enemmän uutisointia hajautetun aurinkoenergian ja tuulisähkön tuotannon noususta ja erilaisista älykkäistä talotekniikkaratkaisuista. Asunto-osaketta kuitenkin harvemmin markkinoidaan uusiutuvan energian kohteena. Esimerkiksi kuluttajille suunnatuilla Asta-messuilla helmikuussa Tampereella uusiutuvan energian vaihtoehtojen esittely oli kovin suppeata: pienrakentajille tarjottiin lähinnä lämpöpumppuja. Ja lämpöpumpun he myös hyvin todennäköisesti valitsevat. Se on tullut jo tutuksi, testattu, maksaa itsensä kohtuullisessa ajassa takaisin ja sopii ilman päänvaivaa talopakettien ja LVI-suunnittelun perusratkaisuihin. Ja niitä näyttää olevan tarjolla. Tarjontako sittenkin määrää, mihin suuntaan rakennusten energiaratkaisuissa mennään? Eikö juuri kuluttajien pitäisi olla niitä, joiden toiveiden mukaan energiamarkkinat uusiutuvat ja vihertyvät?

Jotta muistakin uusista energiaratkaisuista tulisi lämpöpumpun kaltaisia helppoja ja automaattisia ratkaisuja rakentajille tai että uusiutuvan energian painoarvo asunto-osakkeen ostamispäätöksen taustalla olisi merkittävä, tarvitaan mukaan muutokseen niin talonrakentamisen ja talotekniikan kuin myös LVIS-suunnittelun ja osaamisen ammattilaisia. Keskeiseen asemaan nousevat rakennusyhtiöt, pääsuunnittelijat, LVIS-suunnittelijat, pientalorakentajille rakennuttamisneuvontaa antavat neuvontaorganisaatiot ja talopakettiyritykset. Myös kunnilla voisi olla nykyistä merkittävämpi ohjaava rooli kaavoituksen ja tontin luovutusehtojen kautta.

Asumisen energiaratkaisujen murros uusiutuvien, hajautettujen ja energiatehokkaiden ratkaisujen suuntaan on tyyppiesimerkki systeemisestä muutoksesta. Kuluttajat ja laitevalmistajat eivät yksin pysty sysäämään muutosta liikkeelle. Monet uudet energiaratkaisut ovat jo teknisesti kypsiä valtaamaan markkinoita. Esteet niiden laajemmalle käyttöönotolle ovat vakiintuneissa toimintatavoissa, rutinoituneissa käytännöissä ja siiloutuneessa osaamisessa.

Kyse on laajemmasta sosioteknisestä muutoksesta, jossa tekninen ja sosiaalinen muokkaavat toisiaan. Tuloksena on parhaimmillaan uudenlaisia kuluttajia, laitetoimittajia, liiketoimintamalleja ja sääntely- ja sopimusjärjestelyjä. Jonkinlaista asumisen energiavallankumousta enteilevät uudet innovatiiviset toimintamallit, kuten muun muassa aurinkopaneelien vuokrauskäytännöt ja orastava into alkaa itse tuottaa hajautetusti energiaa verkkoon, jopa asunto-osakeyhtiöiden toimesta. Markkinoille muodostunee myös aina vain enemmän kysyntää energiapalvelujen tuotantoon. Aika näyttää, onko näistä toimintamalleista uusiksi standardiratkaisuiksi.

Maria Åkerman, johtava tutkija

Nina Wessberg, erikoistutkija