VTT 2/2013 MCI JÄÄ JA KYLMYYS HAASTAVAT TEKNIIKAN TIEDE Synteettinen biologia odottaa läpimurtoa teknologia Kaivosteollisuus uskoo nousuun liiketoiminta UPM tehtailee uusia materiaaleja puusta
VTT 2/2013 Kyberturvallisuus perustuu koko yhteiskunnan ja sen eri toimijoiden kattavaan varautumiseen. 20 Kuva: Tapio Nyman 40 Arktisiin oloihin liittyviä haasteita on tutkittu pitkään, mutta osa kysymyksistä odottaa vielä tieteellistä ratkaisua. Kuva: Sandvik Mining 56 46 Digitalisoituminen on tulevaisuutta, mutta myös painetun lehden houkuttelevuudesta on kannettava huolta. Rajallisilla resursseilla on keskityttävä asioihin, jotka aidosti parantavat Suomen kilpailukykyä. marja matinmikko
Sisältö 2/2013 alkupalat Kohtaamisia henkilö Katse tulevaisuuteen... 2 Kohtaamisia... 4 Jussi Järventaus Uusiutuvat eivät ole utopiaa... 8 Kolumni... 15 Olli Ernvall VTT:n vaikuttavuus... 16 Kuva: Jan Ahlstedt 54 4 8 Kenties voimme joskus ladata puhelimemme älyvaatteilla. petra lundström, fortum TIEDE Tiedeuutisia...18 Arktisen ja kylmän ilmaston ratkaisut...20 Johtava tutkija Jaakko Heinonen, VTT Ympäristömittausta ilman rajoja...26 Tutkimusprofessori Tuomas Häme, VTT Synteettinen biologia luo uutta teollisuutta...34 Tutkimusprofessori Merja Penttilä, VTT
Kuva: ESA 56 Kaivosten kaikilla osa-alueilla näkyy tekniikan kehitys. Kuva: Sandvik Mining TEKNOLOGIA liiketoiminta 60 Liiketoimintauutisia...62 Uudet materiaalit kasvavat puussa...64 UPM:llä puusta syntyy uusia materiaaleja. Tutkimus vie bisnekseen...70 VTT ja Tekes hakevat keinoja uusien yritysten käynnistämiseen. Australian vihreä kultakaivos...74 Etelä-Australian metsäteollisuus etsii uusia polkuja. Pohjoismaiden ensimmäinen passiivimyymälä...80 Kodin 1 Raisiossa säästää energiaa uusilla ratkaisuilla. Teknologiauutisia...38 Kyberturvallisuus on yhteispeliä...40 Kyberturvallisuusstrategia painottaa eri toimijoiden yhteistyötä. Enemmän kuin lehti...46 Aikakauslehtibisnes elää murroskautta. Vuoden Nuori tutkija 2013: Marja Matinmikko...50 Marja Matinmikko tähtää siihen, että radiotaajuudet riittävät. Älyä avaruudesta...54 Avaruuteen ei kelpaa mikä hyvänsä tekniikka. Kaivosteollisuus valmistautuu uuteen nousuun...56 Kaivosteollisuudessa uskotaan, että alan uusi nousu koittaa. Timantteja markkinoille...60 Harri Kopolan Amerikan opit. 80 Tulevaisuuden trendi on nollaenergiatalo.
Pääkirjoitus Petri Kalliokoski Kehitysjohtaja Tutkimuslaitosten rahoitus uudistuu merkittävästi. Suomi ja VTT muutoksessa Epävarma maailmantalous heijastuu elinkeinoelämäämme ja näkyy VTT:n asiakas kunnassa ja toimintaympäristössä. Tutkimuksen ja teknologian kehittämisen avulla voidaan varmistaa elinkeinoelämän, tuotteiden ja palveluiden uusiutuminen ja parantaa kilpailukykyä. Suomalaiset yritykset ovat monilla liiketoiminta-alueilla vahvoja, mutta uusia liiketoimintoja ja yrityksiä tarvitaan ja nopeasti. Onneksi biotalous, ICT:n laaja hyödyntäminen, puhdas ja uusiutuva energia, älykkäät infrastruktuurit ja tehokas tuotanto tarjoavat Suomelle mahdollisuuksia uusien tuotteiden ja palvelujen synnyttämiseen. Suomalainen osaaminen on vahvaa yleensä useiden teknologioiden ja osaamisten yhdistämisessä. Kun tähän lisätään asiakkaiden tarpeiden parempi ymmärtäminen ja globaalien arvoverkostojen hyödyntäminen, niin hyvä tulee. Muutokset toimintaympäristössä ja markkinoissa haastavat meidät myös VTT:llä uudistumaan. Suuntaamme osaamistamme entistä enemmän alueille, joilla voimme vahvistaa elinkeinoelämän kilpailukykyä ja uudistumista. VTT:llä on näyttöä siitä, että uudet liiketoiminnot syntyvät usein vakiintuneiden toimialojen rajapinnoista ja useiden teknologioiden yhdistelmistä. Osana täsmentynyttä strategiaamme olemme luopumassa joistakin osaamisalueistamme. Vahvistamme entisestään strategista yhteistyötä yliopistojen ja tutkimuslaitosten kanssa sekä toimimme aktiivisesti kansainvälisissä t&k-hankkeissa. VTT on vahva toimija EU:n tutkimuskentässä verkottaen suomalaisia toimijoita sen puiteohjelmiin. Uudistamme organisaatiomme vuodenvaihteessa. Muutos parantaa toimintamme vaikuttavuutta, joustavuutta ja kilpailukykyä. VTT:n teknologiat ja osaamiset ryhmittyvät kolmeen liiketoiminta-alueeseen, joita ovat Tietointensiiviset tuotteet ja palvelut, Älykäs teollisuus ja energiajärjestelmät sekä Luonnonvarojen hyödyntäminen ja biomassaratkaisut. Jako vastaa hyvin Suomen elinkeinoelämän uudistuksen painoalueita. Strateginen teknologiakehityksen ennakointi sekä yliopistoyhteistyö vahvistuvat. VTT:n yhtiöihin ei tehdä rakenteellisia uudistuksia. Valtioneuvosto on tehnyt linjapäätöksen valtion tutkimuslaitosten rakenteista ja rahoituksesta. Tämä tarkoittaa muun muassa sitä, että VTT ja Mittatekniikan keskus Mikes liitetään yhteen vuoden 2015 alussa. Samalla hallintomalli uudistetaan, ja VTT:stä tulee valtion omistama, erityistehtävää hoitava osakeyhtiö. VTT saa edelleenkin valtion rahoitusta strategiseen tutkimustoimintaan ja säilyy voittoa tavoittelemattomana. VTT:n rooli ja perustehtävät eivät siis muutu. Muutoksen tavoitteena on VTT:n innovaatioroolin vahvistaminen sekä joustavuuden lisääminen rahoituksen suhteen. Tutkimuslaitosten rahoitus uudistuu merkittävästi. Suomen Akatemian yhteyteen perustetaan vuoden 2015 alussa strategisen tutkimuksen rahoitusinstrumentti yhteiskunnallisesti merkittävien haasteiden ratkaisemiseksi. Toiminnan rahoitus kerätään pääosin tutkimuslaitosten perusrahoituksesta, joten VTT:n suora perusrahoitus vähenee lähivuosina merkittävästi. Toisaalta rahoitusinstrumentti tuo VTT:lle uusia mahdollisuuksia. Taloudellinen epävarmuus tullee jatkumaan ja vaikuttamaan myös t&k-toimintaan. On toivottavaa, että laajat rakenne- ja rahoitusuudistukset palvelevat nimenomaan elinkeinoelämän ja yhteiskunnan uudistumista ja uuden liiketoiminnan kehittämistä. Niitä tarvitaan enemmän kuin koskaan. Kokemusten perusteella pitkäjänteinen panostaminen t&k-toimintaan palvelee vaikeina aikoina elinkeinoelämän uudistumista ja kasvua. VTT:n vahvistuva rooli innovaatiotoiminnassa ja uuden liiketoiminnan kehittämisessä on tärkeä elementti tulevaisuuden kilpailukyvyn kehittämisessä. Uudistukset luovat pohjaa tuleville muutoksille. VTT on valmiina Suomen uudistumistalkoisiin! n
KATSE TULEVAISUUTEEN IoT mullistaa arjen Esineiden ja asioiden internet (IoT, Internet of Things) on voimakkaassa kasvussa. Sen vaikutukset näkyvät jo kuluttajille esimerkiksi etäluettavina mittareina. VTT:n mukaan tämä ICT:n seuraava murros tuo teknologia- ja liiketoimintamurroksen, joka muuttaa suuresti taloutta ja elämää. Tutkimus jatkuu vahvana. IoT:n yksi suurimpia haasteita laajan yleistymisen suhteen on langaton energiansiirto, jonka osalta useita pilotteja on käynnissä esimerkiksi autoteollisuudessa. eroon piuhoista Esineiden ja asioiden internet tuo langattomuuden yhä useampiin arkipäivän laitteisiin, jotka tulevaisuudessa suurilta osin myös ladataan tai saavat valtaosan energiastaan langattomasti. Tämä mahdollistaa esimerkiksi langattoman television vailla sähkö- tai antennijohtoja. Tai miltä kuulostavat lamput, jotka voi kotona asentaa mihin tahansa? 20 mrd Maailman langattomien sensoreiden markkinat kasvavat kohisten: on arvioitu, että vuoteen 2020 mennessä kyseessä on 20 miljardin dollarin markkinat. helpompaa terveyden tarkkailua Vuonna 2020 esineiden ja asioiden internet mahdollistaa yhdessä erilaisten terveyteen liittyvien sovellusten avulla kustannustehokkaan ja potilaskeskeisen terveydenhoidon. Esimerkiksi painonhallintaan, uneen, ravitsemukseen, lääkitykseen ja verenpaineeseen liittyen monitorointi ja tiedonkulku onnistuvat erilaisten langattomien sensoreiden avulla. 2 VTT Impulssi
kohti älykkäämpää valaisua Valaistusratkaisujen kehittyessä älykkäämmäksi valoa on tulevaisuudessa vain siellä missä sitä kulloinkin tarvitaan, ei tyhjissä huoneissa tai hiljentyneellä kadulla. Tulevaisuudessa valaisimia voidaan kontrolloida langattomasti: valaisimet, katkaisijat ja sensorit kommunikoivat langattomasti keskenään. Valaistuksesta tulee lopulta osa esineiden ja asioiden internet (IoT, Internet of things) infrastruktuuria, jolloin valaisimet osaavat vastata erilaisiin tilanteisiin: esimerkiksi ihmisen lukiessa valaistus säätyy tarkoitukseen sopivaksi. 11mrd Älykkään valaistuksen markkinoiden odotetaan kasvavan vuoteen 2020 mennessä 11 miljardiin dollariin nykyisestä alle 0,5 miljardista dollarista. Arjen mittaukset reaaliajassa Tulevaisuudessa moni käytännön elämän mitattavissa oleva asia mitataan tai havainnoidaan reaaliaikaisesti langattomilla sensoreilla. Valtaosa tiedoista on avointa ja ilmaista. Sensoreiden tuottama tieto ei ole vain ihmistä varten, vaan laitteet jakavat tietoa keskenään. Tämä mahdollistaa innovatiivisia uusia palveluita ja paremman tehokkuuden prosessien optimoinnin kautta. Langattomia sensoreita varten kokeilussa on useita radioteknologioita, kuten esimerkiksi ZibBee, Z-Wave, Bluetooth, NFC ja WiFi low power. Laajaa käyttöä ajatellen eri tekniikoiden toimivuudesta on vielä saatava aikaan konsensus. Kriittisiä ratkaistavia asioita ovat myös kustannusten alentaminen ja tietoturva, jotta laaja-alainen käyttö olisi mahdollista. Sovelluskohteita löytyy lähes kaikkialta arjesta: jäteastiat voivat kertoa jäteyhtiölle täyttymisestä tai parkkipaikat ilmoittaa autoille vapaista paikoista. VTT Impulssi 3
Jussi Järventauksen mukaan verovähennyksien poistaminen ja verotuksen virtaviivaistaminen stimuloisi pk-yrittäjiä t&k-toimintaan ja innovaatioihin. jussi järventaus toimitusjohtaja, Suomen Yrittäjät oikeustieteen lisensiaatti ja varatuomari oikeusministeri 1998-1999 Lipposen 1. hallituksessa Suomen Yrittäjien toimitusjohtaja vuodesta 1996 lähtien 4 VTT Impulssi
kohtaamisia jussi järventaus: Yrittämisen edellytykset kuntoon Teksti Paula Bergqvist Kuva Jan Ahlstedt Yrittäjäsektorin kilpailukyky vaikuttaa siihen, miten kansantalous jaksaa ja onko maassa töitä vai ei, sanoo Jussi Järventaus. Suomen elinkeinoelämässä on tapahtumassa iso työmarkkinoiden rakennemuutos. Teollisuuden toimialat ovat murroksessa ja yksi sen seurauksista on, että työllisyys ja työllistäminen ovat siirtymässä entistä enemmän yrittäjien ja etenkin pk-sektorin kannettavaksi. Työ luo hyvinvointia ja työpaikkojen edellytyksenä ovat terveet yritykset. Suomi menestyy yrittäjyydellä. Aika hyvin olemme pärjänneet, mutta asemien säilyttämiseksi täytyy tehdä edelleen paljon töitä, sanoo Suomen Yrittäjien toimitusjohtaja Jussi Järventaus. Järventaus toteaa, että lähes kaikki uudet työ paikat ovat syntyneet yrittäjäsektoriin viimeisen 10 vuoden aikana, ja tästä suurin osa aivan pienimpiin, alle 10 hengen yrityksiin. Muutos osoittaa, että isot yritykset ovat entistä enemmän tuotannon organisoijia ja tuotannosta tehdään yhä suurempi osa yrittäjävetoisissa pk-yrityksissä. Isot toimijat päättävät, missä tuotanto tehdään. Investoinnit ovat jääneet matalalle verrattuna kilpailijamaihin. Kokonaistuotannon taso ei ole vielä vuoden 2006 tasolla ja kestää vielä ennen kuin siihen päästään. Yksi syy kilpailukyvyn hiipumiseen on korkea kustannustaso. Palkkakehitys on vienyt kustannuskilpailukykyämme alaspäin. Järventaus vertaa palkkakehitystä Saksaan, missä palkat ovat nousseet 13 prosenttia ja Suomessa 42 prosenttia vuosina 2000 2011. VTT Impulssi 5
Saksassa palkanmuodostus kohtaa paremmin yritysten palkanmaksukyvyn. Samansuuntainen muutos Suomessa edellyttää, että laajennetaan mahdollisuuksia sopia työehtosopimuksista paikallisesti. Suomen Yrittäjät on pitkään peräänkuuluttanut Suomeen uutta palkkaneuvottelumallia. Järventauksen mukaan näkyvissä on pieniä merkkejä siitä, että hallituksessa edetään toivottuun suuntaan. Halvemman työvoiman kanssa ei kannata lähteä kilpailemaan. Tavoitteena on olla omalla kansallisella ja teknologiaosaamisellamme kilpailukykyisiä samalla kuitenkin niin, että kustannukset pysyvät kilpailukykyisinä. Julkinen sektori markkinoita kehittämään Julkisen sektorin koko suhteessa kokonaistuotantoon on kasvanut nopeasti. Sen osuus kokonaistuotannosta ylsi 56 prosenttiin vuonna 2012, vaikka sen piti valtiovarainministeriön muutaman vuoden takaisen arvion mukaan ylittyä vasta vuonna 2030, huomauttaa Järventaus. Tämä johtuu Järventauksen mukaan kokonaistuotannon laskusta mutta myös julkisen sektorin kasvusta. Sopeutus kestävyysvajeen poistamiseksi on äärimmäisen tärkeää. Olkoonkin, että veroilla toteutetaan tärkeitä asioita, pitäisi nyt miettiä, mitkä palvelut ovat yksilön omalla vastuulla ja mistä huolehtii yhteiskunta. Järventaus ehdottaa tavoitteeksi kuntien tehtävien karsimista miljardilla eurolla ja tuottavuuden lisäämistä toisella. Kumpikaan ei onnistu, jollei järjestelmän joustavuutta paranneta ja hyödynnetä yksityistä sektoria julkisessa tuotannossa. Esimerkiksi julkisten sosiaali- ja terveyspalvelujen kehittämisessä tulisi Järventauksen mukaan edistää markkinoiden toimintaa. Yksityisen sektorin hyödyntämisessä on tapahtunut keskittymistä enemmän kuin olisi hyväksi. Esimerkiksi kokonaisten terveyskeskusten ulkoistaminen aiheuttaa riippuvuussuhteen yhteen toimijaan. Markkinoiden toiminnan edistäminen ja kilpailukyvyn parantaminen on Järventauksen mukaan iso asia lähivuosina. Kannatan ajatusta, että julkiset toimijat velvoitetaan tilaamaan niin, että tarjontaa on vielä tulevaisuudessakin, hän sanoo. Eurooppa potkaisee kasvua nilkkaan Rahoitusmarkkinat, ja siellä etenkin yritysten kasvurahoitus, on Järventauksen mukaan pkyrittäjien iso huoli. Eurooppa on potkaisemassa tässä omaa kasvuansa nilkkaan. Baselin pankkivalvonta komitean suositus kiristää pankkien vaka varai suutta ja maksuvalmiutta on johtamassa luoton saannin vaikeutumiseen ja laina-aikojen lyhenemiseen. Sääntely kohdistuu sellaiseen elinkeinoelämän osaan, joka ei ole syypää finanssikriiseihin. Vakavaraisuussääntelyä tarvitaan, mutta sitä pitäisi vielä kehittää. Suomen Yrittäjien ehdotus on, että pankkien vakavaraisuuslaskelmissa vähennetään yritysluottojen riskipainotusta. Näin taseeseen tarvittaisiin vähemmän varallisuutta riskien katteeksi. Työllisten määrän muutos erikokoisissa yrityksissä vuosina 2001 2011 56 000 46 000 36 000 50 397 Lisäys yhteensä: 119 566 suuryritykset 9 484 pk-yritykset 110 082 alle 20 h yritykset 71 414 26 000 21 017 20 053 16 000 6 000-4 000 10 856 7 759 9 514 835 805 1 9 h 10 19 h 20 49 h 50 99 h 100 249 h 250 499 h 500 999 h >1 000 h Lähde: Tilastokeskus. Henkilömäärät muunnettu kokopäiväisiksi työpaikoiksi, pl. maa- ja metsätalous. 6 VTT Impulssi
Tähän suuntaan jo edettiin keväällä, mutta kehitystä pitäisi jatkaa kansainvälisellä tasolla. Muun muassa EU:ssa suunnitellut pankkirahoitusta korvaavat rahoitusinstrumentit ovat sinänsä tervetulleita, mutta ne eivät kuitenkaan kohtaa suuria yrittäjäjoukkoja. Miksi kasvuyrittäjä myy yrityksensä? Järventaus pitää kansallisena harmina, että ulkomainen sijoittaja tai yritys usein ostaa suomalaisyrityksen sen saavuttaessa kilpailukyvyn kannalta parhaan kasvuvaiheen. Yksi syy on se, että verotuksemme edelleenkin suosii myymistä verrattuna siihen, että yrittäjänä kasvatat toimintaa ja saat panostamaasi riskiä vastaavan palkinnon verotuksellisesti yrityksestä. Järventauksen mukaan poliitikot tarkastelevat osinkoverotusta enemmän tulonjaon kuin kasvun näkökulmasta. Ei ole täysin ymmärretty, miten osinkoverotus vaikuttaa myyntihalukkuuteen ja yrityksen kasvuun. Suomen Yrittäjien ehdottama malli pienentäisi yhtiöön syntyvän tuloksen verotusta. Mallia voisi ottaa Virosta, jossa yritykset eivät maksa tuloveroa. Tulos kumuloituisi yrityksen taseeseen ja sitä kautta syntyisi nopeutettu mahdollisuus investointeihin yrityksen omilla varoilla. Ulos otettavaa tuloa voitaisiin verottaa niin, että yhtiön maksama vero ja osinkovero olisivat alle yleisen pääomaveron tason. Näin yrittäjänä toimiminen olisi nykyistä kannustavampaa. Verovähennyksien poistaminen ja verotuksen virtaviivaistaminen stimuloisi pk-yrittäjiä myös kilpailukykymme kannalta välttämättömään t&k-toimintaan ja innovaatioihin. Ulkopuolisen rahoituksen tarve vähenisi. Karkaako kilpailukyky? Isojen yritysten kehityshankkeet Suomessa ovat lähtökohtaisesti hyvä asia, mutta vaarana on, että osa Suomessa rakennetusta osaamisesta siirtyy maantieteellisesti syrjäisen sijaintimme takia lähemmäksi yrityksen päämarkkinaalueita. Järventaus pitää erittäin tärkeänä, että kotimaassa syntyneitä ideoita jalostetaan tutkimuslaitosten, kuten VTT:n avulla. Näin syntyy innovaatioita ja kasvua. Kentällä kuulee, että t&k-rahoitus kohdistuu liikaa isoille yrityksille. Tilastot eivät täysin tue tätä: pk-sektori on osansa saanut. Isojen yritysten tukeminen säteilee myönteisesti koko yhteiskuntaan. Hyviä hankkeita voi kuitenkin jäädä vaille rahoitusta, jos yrittäjät eivät yrittäjäsektori on hämmästyttävästi onnistunut säilyttämään työpaikat taloustilanteesta huolimatta. löydä rahoituslähteitä. Yrittäjien ja VTT:n yhteistyömahdollisuuksia olisi hyvä tiivistää, jotta VTT:n tarjoamat mahdollisuudet tulisivat paremmin hyödynnetyiksi. Teknologisen osaamisen hyödyntämisen lisäksi pk- ja pienyritysten haasteita ovat kansainvälistyminen sekä myynti- ja markkinointi. Järventaus toivoo julkiselta sektorilta tukea erityyppisen asiantuntemuksen helppoon saatavuuteen. Positiivisia signaaleja Tuoreen barometrin mukaan pk-sektori on lisäämässä hiukan työvoimaansa. Investoinnit pysyttelevät kuitenkin pakkaspuolella. Yrittäjäsektori on hämmästyttävästi onnistunut säilyttämään työpaikat taloustilanteesta huolimatta. Vaikka työttömyys on kasvanut, on kotimainen kysyntä pysynyt kohtalaisena. Tämä osoittaa, että yrittäjät ovat sopeutumiskykyisiä. Tiukan paikan tullen joustetaan ensin omista tuloista. Järventauksen mukaan yrittäjäpiireissä on vahva usko tulevaisuuteen. Yrittäjien olosuhteissa on päästy eteenpäin ja tehtävän arvostus on noussut. Tämä näkyy muun muassa koulutuspolitiikassa. n SUOMEN YRITTÄJÄT Suomen yrittäjät on Suomen elinkeinoelämän suurin, yli 116 000 jäsenyrityksen keskusjärjestö. Mukana on yrityksiä kaupan, liikenteen, palvelujen, teollisuuden ja urakoinnin toimialoilta. Puolet jäsenistä on työnantajayrityksiä, puolet yksinyrittäjiä. Suomen 88 000 työnantajayrityksestä Suomen Yrittäjiin kuuluu 52 000 yritystä. Järjestön tavoitteena on muun muassa parantaa yrittäjien asemaa ja yrittämisen edellytyksiä. VTT Impulssi 7
8 VTT Impulssi
uusiutuvat eivät ole utopiaa Aurinko- ja tuulivoima ovat uskottavia energianlähteitä Suomessakin. Energiaalan toimijoiden on mietittävä uudestaan, missä niiden bisnes on. Teksti Marjo Kosonen Kuvitus Radek Karkulowski VTT Impulssi 9
Uusiutuvien energianlähteiden, auringon, tuulen, meren ja veden sekä geotermisen eli maansisäisen lämmön, valjastaminen hyötykäyttöön etenee harppauksin ympäri maailmaa. Myös Suomessa on herätty muutokseen, joskin hieman jälkijunassa. Moni ajattelee, että aurinkoa ja tuulta voidaan hyödyntää sähkön ja lämmön tuotannossa ainoastaan eteläisillä leveysasteilla Suomea ei pidetä aurinkoisena eikä edes kovin tuulisena kolkkana. Meillä on kuitenkin vuodessa saman verran aurinkotunteja kuin esimerkiksi Etelä-Saksassa. Onhan talvi pitkä ja pimeä, mutta kesällä aurinko paistaa pohjoisessa lähes kellon ympäri, VTT:n erikoistutkija Robert Weiss huomauttaa. Maailmanlaajuisesti kehitys on ollut erityisen ripeää juuri aurinkoenergiassa, jonka käyttö lähti räjähdysmäiseen kasvuun reilut viisi vuotta sitten. Tällä hetkellä maailman aurinkosähkökapasiteetti on reilut 100 gigawattia. Ennusteiden mukaan tuotanto kaksinkertaistuu parin seuraavan vuoden aikana. Weissin mukaan kehityksen taustalla on aurinkosähköpaneelien hintojen romahdus. Valmistuskustannukset ovat romahtaneet teknologian edistysaskelten tahdissa. Lisäpontta on antanut kiristynyt, jopa epäterveeksi äitynyt kilpailu. Tuulivoimalla on aurinkoenergiaan verrattuna pitkät perinteet. Ihminen on hyödyntänyt tuulta kautta aikojen, ja kasvu onkin ollut aurinkoenergiaan verrattuna viime vuosina hillitympää. Suomessa on tuulienergian hyödyntämiseen varsin hyvät olosuhteet. Täällä tuulee enemmän kuin Saksan sisäosissa, missä tuulivoimaa hyödynnetään Euroopassa eniten. Kestävä kehitys pönkittää kasvua Molempia ehtymättömiä energianmuotoja siivittävät vahvasti kestävän kehityksen tavoitteet. Suomi on sitoutunut EU:n 20-20-20-tavoitteisiin, joiden mukaan uusiutuvien energianlähteiden osuus kokonaiskulutuksesta on nostettava 20 prosenttiin vuoteen 2020 mennessä. VTT:n mukaan Suomi saavuttaa tämän jo 2015 mennessä. Aurinko- ja tuulienergian kasvu aiheuttaa haasteita sähköverkolle ja -markkinoille. 10 VTT Impulssi
suomessa on tuulienergian hyödyntämiseen varsin hyvät olosuhteet. Energiantuotanto onkin ilmastonmuutoksessa merkittävä syntipukki. Peräti 60 70 prosenttia kasvihuonepäästöistä johtuu energiasta, Fortumin aurinkoenergialiiketoiminnan vetäjä, teknologiajohtaja Petra Lundström huomauttaa. Aurinko- ja tuulienergian puolesta puhuvat ennen kaikkea niiden päästöttömyys ja polttoaineettomuus. Molempia voidaan rakentaa hajautetusti, askel askeleelta, mikä mahdollistaa tietyn ketteryyden uuden teknologian käyttöönotossa. Joillekin maille polttoaineettomuus on poliittisesti tärkeää. Kaikki eivät halua olla energiansaannissa muista maista riippuvaisia, VTT:n tuulienergian tiiminvetäjä Petteri Antikainen listaa. Kohtuullisen pienillä investoinneilla voidaan myös saada aikaiseksi kilpailua sähköntuotantoon, ja muuttaa energiamarkkinoiden kilpailuasetelmia. Tämä on melko iso asia. Aurinko ja tuuli sopivat yhteen Aurinko- ja tuulienergia täydentävät toisiaan varsin hyvin. Monissa maissa aurinkoenergian päivittäinen tuotantorytmi istuu hyvin yhteen päivit täisen sähkönkulutuksen kanssa. Varsinkin kuumassa ilmastossa aurinko paistaa juuri Ylimääräinen aurinkovoima varastoon Kolmisen vuotta aurinkoenergian haasteiden parissa painineiden VTT:n tutkijoiden tekemisessä korostuvat järjestelmän kokonaisuuden hallinta ja energian varastointi. Kun pitkien, aurinkoisten kesäpäivien ylituotannon varastointiongelma saadaan ratkaistua, aurinkoenergian hyödyntämisen mahdollisuudet mullistuvat. Tavoitteena on säilöä ylituotantoa muuntamalla aurinkoenergiaa vaikkapa vedyksi tai maakaasuksi. Kun ratkaisu löytyy, se hyödyttää myös muita uusiutuvan energian muotoja, erikoistutkija Robert Weiss toteaa. Toinen keskeinen kysymys on aurinkoenergian kytkeminen rakennettuun ympäristöön. Mitä asioita on huomioitava kaavoituksessa, kun kotitaloudet tuottavat oman sähkönsä esimerkiksi aurinkopaneelien tai maalämmön avulla? Työn alla on myös teknologia, jonka avulla aurinkokennoja voidaan valmistaa painettua älyä hyödyntämällä. VTT:n vahvaa voimalaitossimuloinnin osaamista voidaan hyödyntää myös aurinkoenergian saralla. VTT Impulssi 11
Yli 60% kasvihuonepäästöistä syntyy energiasta. silloin, kun energiaakin tarvitaan eniten, esimerkiksi ilmastointia varten. Pohjoisilla leveysasteilla talviaikaan saadaan hyvin vähän aurinkoenergiaa, mutta tuuli on voimakkaimmillaan juuri talvella. Aurinkoenergian haasteena on sen sesonkimaisuus: Suomessa aurinko paistaa etupäässä kesällä ja keskitalvella ei käytännössä lainkaan. Sähkön kulutus on meillä kuitenkin suurin kylmän talven aikana. Siksi aurinkoenergian varastointi on niin keskeinen kysymys, Robert Weiss toteaa. Tuuli taas on Suomessa voimakkaimmillaan talvella, jolloin tarvekin on suurin. Talvella tuulee jopa kaksi kertaa niin paljon kuin kesällä. Sen sijaan päivän mittaan tuulta on selvästi vaikeampi ennustaa kuin auringonpaistetta. Näistä vaihteluista huolimatta molempien tuotannon vaihtelut ovat suhteellisen hyvin ennustettavissa, Petteri Antikainen sanoo. aurinkoenergian haaste suomessa on sesonkimaisuus. 12 VTT Impulssi Vanhakantaisuus laahaa Miksi sitten uusiutuvan energian kehitys on edennyt niin verkkaisesti? Vaikka lisää osaamistakin kaivataan, Robert Weissin mielestä suurin este ja hidaste tällä hetkellä on vanhakantainen ajattelu.
Ei ole ymmärretty muutosta, vaan jähmetytty vanhoihin asemiin. Esteet eivät ole niinkään poliittisia vaan henkisiä. Petteri Antikainen ja Petra Lundström ovat samoilla linjoilla. Bisnes on tähän asti vaatinut hyvin suuria ja kauaskantoisia kertainvestointeja. Pitkien syklien vuoksi energia-alan tuotekehitys on ollut vakaata, Petra Lundström toteaa. Fortum omistaa ja käyttää paljon myös ydinvoimaa, jossa toiminnan turvallisuus on ehdoton prioriteetti riskinotolle ei ole sijaa. Suuri osa toiminnastamme perustuu siis vakauden ja turvallisuuden korostamiseen. Toisaalta meidän pitää nyt myös kyetä innovoimaan ja kehittää ratkaisuja tulevaisuuden uudenlaista energiajärjestelmää varten. Lundström arvioi, että motivaatio uuteen ajatteluun saattaa herätä pakon edessä. Toisaalta ilmastonmuutos ja kehittyvien markkinoiden nousu todennäköisesti kannustavat kekseliäisyyteen ja rajoja rikkovaan ajatteluun. Pelimerkit uusjakoon VTT:n Weiss arvioi, että energiajärjestelmä on tulossa epäjatkuvuustilanteeseen, jossa koko pelikenttä menee uusiksi. Alan toimijoiden on mietittävä uudestaan, missä niiden bisnes on. Fortumissakin on tunnistettu tulossa oleva, mahdollisesti nopeakin muutos. Muutama vuosi sitten yhtiössä pantiin merkille, että aurinkosähköpaneelien hinnat olivat tulleet reilusti alaspäin, peräti 75 prosenttia muutamassa vuodessa. Utopistisen kalliista aurinkoenergiasta oli tulossa realistinen vaihtoehto. Totesimme silloin, että meidän sähköntuottajana kannattaa olla muutoksessa mukana, jotta pystymme hyödyntämään uudenlaisia, ainutlaatuisia liiketoimintamahdollisuuksia mieluiten ajoissa ja proaktiivisesti, Petra Lundström sanoo. Tavoitteenamme on nyt kehittää aurinkoliiketoiminnasta merkittävää uutta liiketoimintaa Fortumille. Olen vakuuttunut siitä, että tästä tulee vielä globaalisti katsottuna valtava bisnes. Kasvua kiihdyttävät niin ilmastonmuutos kuin kehittyvien markkinoiden paisuvat energiatarpeet. Suomessa ja muissa Pohjoismaissa aurinkoenergia on toistaiseksi kallista, koska markkinat ovat vielä kehittymättömät. Jos asiaa tiukasti järjellä ajattelee, omakotiasujan investointi aurinkoenergiaan ei ole kannattavaa. Asiasta ovatkin toistaiseksi innostuneet etupäässä vihreästi ajattelevat edelläkävijät, jotka näkevät sen henkilökohtaisena ympäristötekona, Lundström toteaa. Markkinat hakevat vielä muotoaan. Ei ole esimerkiksi vielä tietoa siitä, mikä teknologia hallitsee tulevaisuudessa, sillä erityisesti sähköä tuottavia aurinkokennoja on kehitteillä hyvin monenlaisia. Toinen mielenkiintoinen ratkaisu on auringon lämpöä talteen ottava aurinkokeräin. Piipohjaiset aurinkopaneelit ovat tällä hetkellä vahvoilla, mutta aika näyttää. Haasteenamme onkin paitsi oikeiden markkinoiden, myös teknologioiden löytäminen. Varmaa on, että aurinko- ja tuulienergian kasvu aiheuttaa haasteita sähköverkolle ja -markkinoille. Uudessa toimintamallissa sähköä eivät enää tuotakaan yksittäiset, isot voimalat, vaan asiakkaat itse. Syntyy verkosto, jossa isot tuotantolaitokset tuottavat sähköä ja lämpöä ja niiden tuotantoa täydentävät miljoonat rakennukset. VTT Impulssi 13
KYLMÄ JA JÄÄ kovimmassa ytimessä Hajautetun järjestelmän hallinta on huomattavasti haastavampaa kuin aiemmin. Sähkön käytön ja tuotannon on pysyttävä tasapainossa jatkossakin. Taaksepäin kehitys ei voi mennä, sillä nyky-yhteiskunnassa ei sähkökatkoksia suvaita. Aikuisten kenkiin Petteri Antikaisen mukaan tuulivoimamarkkinat ovat jo edenneet suhteellisen kypsään vaiheeseen. Suomessa alan pelisääntöjä on ratkottu viime aikoina. Kuntien virkamiehet eivät tunne tuulivoimaa kovin hyvin. Käytäntö on tähän asti ollut kirjavaa, eikä muiden kokemuksista ole voitu ottaa opiksi. Kaavoituksen ja luvituksen epäselvyydet ovat teettäneet paljon turhaa työtä, Antikainen sanoo. Teknologian kehittämisen tiellä Petteri Antikainen ei näe mitään pahoja tulppia. Perusteknologia on jo riittävän hyvä, eikä varsinaisille läpimurroille ole tällä hetkellä tarvetta. Kehitettävää tietysti riittää esimerkiksi verkkoinfrastruktuurissa. Kunhan hinnat laskevat, tuulivoiman kilpailukyky paranee ja tuulienergia alkaa yleistyä, Antikainen toteaa. Entäpä aurinkoenergian tulevaisuus? Fortumin Petra Lundström päästää ajatuksensa lentoon. Tulevaisuudessa omakotitalon katot voivat hyvin ottaa aurinkoenergiaa talteen ilman erillisiä paneeleja. Tai kenties voimme joskus ladata puhelimemme älyvaatteilla, jotka keräävät energiaa auringosta? Kaiken ratkaisee asiakas, jonka tarpeisiin ratkaisun viime kädessä pitää istua. n VTT on Petteri Antikaisen sanoin harjoitellut tuulivoimaa jo kolmisenkymmentä vuotta. Kun tutkija itse tuli taloon 1990-luvun puolivälissä, tuuli-ihmisiä oli talossa vain kourallinen. Tätä nykyä tuulivoimaosaajia on VTT:n palkkalistoilla parikymmentä. Poikkitieteellisissä projekteissa on lisäksi mukana toistakymmentä muiden alojen asiantuntijaa, esimerkiksi teräs- ja kuitueksperttejä. Tuuliosaamisemme ytimessä ovat kylmien ilmasto-olojen sovellukset. Olemme niissä maailman kärkeä, tiiminvetäjä Petteri Antikainen toteaa. Tuulivoimalan lavat keräävät jäätä hyvin helposti, jolloin lapojen pyöriminen hidastuu. VTT:n kehittämässä teknologiassa lavan pinnan tuntumaan asennetaan sähköä johtava kerros. Jääanturi ilmaisee, milloin jäätä syntyy, ja lämmitys kytkeytyy päälle automaattisesti. Kylmäsovelluksilla on kysyntää myös muualla kuin pohjoisilla alueilla. Tuulivoimalan lavat altistuvat jäätymiselle vuoristoisilla alueilla esimerkiksi Keski-Euroopassa. Ensimmäiset sovellukset ovat jo ehtineet markkinoille, mutta voimalavalmistajat ovat vielä varovaisia. VTT:llä tutkitaan ja kehitetään myös tuulivoiman integroimista energiajärjestelmään. Tutkimuksen alla on, miten paljon tuulivoimaa voidaan kytkeä sähköverkkoon ja miten sitä pitää mahdollisesti vahvistaa. Konkreettiset tulokset ovat erilaisia mittaus- ja arviointityökaluja. Petteri Antikainen arvioi, että teknologia kehittyy jatkossa pienin askelin. Mitään taikatempunomaista teknologista vallankumousta ei ole näköpiirissä. 14 VTT Impulssi
kolumni Olli Ernvall Päätoimittaja VTT Impulssi Kansallinen osaamisemme ei rajoitu ainoastaan arktiseen meriteknologiaan. Arktisen alueen kylmistä tuulista lämmin puhallus Suomen talouteen Arktisuus puhuttaa ja jakaa mielipiteitä. Kestävän kehityksen teknologialla sekä luonto että talouskasvu voivat toimia tasapainossa. Tämä edellyttää sekä kansallisia että kansainvälisiä talouspoliitti sia linjauksia. Kuten Greenpeacen syyskuinen protesti arktisen alueen öljynporauksia vastaan osoitti, luonnonsuojelu ja hallittu, kestävän kehityksen mukainen arktisten luonnonvarojen hyödyntäminen ovat nyt globaalissa mediapolttopisteessä. Suomella on tarjottavaa sekä kestävän kehityksen että arktisen osaamisen alueilla. Valtioneuvoston elokuussa 2013 vahvistetussa arktisessa strategiassa todetaan: Suomi on aktiivinen arktinen toimija, joka osaa kestävällä tavalla sovittaa yhteen arktisen ympäristön reunaehdot ja liiketoimintamahdollisuudet kansainvälistä yhteistyötä hyödyntäen. Jotta tavoite ei jäisi vain talouspoliittiseksi linjaukseksi, olisi nyt vakavasti arvioitava, olemmeko tarpeeksi ponnekkaasti tuoneet esille omia vahvuuksiamme ja kytkeytyneet alueen päätöksentekoon. Venäjä ja Norja suunnittelevat Pohjoisen jäämeren ja Barentsin alueelle jopa 100 miljardin euron investointeja. Arktisella alueella arvellaan olevan 30 prosenttia maailman löytämättä olevista kaasuvaroista ja 13 prosenttia tuntemattomista öljyvaroista. Miten suomalainen teollisuus ja t&k-osaaminen kytkeytyvät mukaan? Tiedetäänkö ja osataanko arktisilla alueilla hyödyntää suomalaisen ympäristö- ja arktisen osaamisen teknologioita? Ei, ellemme itse aktiivisesti ole mukana tarjoamassa niitä! Seuraavat luvut toimivat hyvänä myyntipuheena ja näyttönä tuloksista. Avomeriteknologioiden liikevaihto Suomessa oli viime vuonna noin 1,2 miljardia euroa. Viennin osuus tästä on noin miljardi. Pohjois-Eurooppaan tästä suuntautui 28 prosenttia ja Venäjälle 9 prosenttia. Alan välitön työllistävä vaikutus Suomessa on 3 600 henkilöä. Noin 80 prosenttia maailman kaikista jäänmurtajista on valmistettu Suomessa. Syvänmeren kelluvista öljyn sekä kaasun tuotanto- ja porauslautoista eli niin sanotuista SPAR lautoista 70 prosenttia on rakennettu Suomessa. Kansallinen osaamisemme ei rajoitu ainoastaan arktiseen meriteknologiaan. Suomi erottuu myös kylmiin olosuhteisiin suunnitellun tuulivoiman asiantuntijana. Meriteknisen suunnittelun, laivojen rakenteiden ja rakentamisen, operoinnin sekä ympäristö- ja öljyntorjuntateknologian lisäksi Suomella on valmiita vientituotteita kuten alusliikennepalvelu, alusliikenteen ilmoittautumisjärjestelmä sekä laivojen automaattiset tunniste- ja viestintäjärjestelmät. Kaikkea tätä osaamista voitaisiin hyödyntää arktisilla alueilla. Arktisen luonnon haavoittuvuus asettaa vaatimuksia koko luonnonvarojen hyödyntämistä koskevan prosessin hallinnalle. Ei riitä, että kaivos- tai öljynporaustoiminta toteutetaan luonnon kannalta kestävällä tavalla, myös alueen hoitaminen toiminnan päättyessä on tehtävä vastuullisesti. Ympäristöteknologiamme sekä materiaaleihin, tuulivoimaloiden ja laivojen rakenteisiin sekä merenkulun turvallisuuteen liittyvä osaaminen ja sen hyödyntäminen olisivat etuja sekä arktiselle luonnolle että Suomen taloudelle. Tässä lehdessä teknologiaa on avattu arktisesta näkökulmasta. Kuten tekniikan tohtori Jaakko Heinosen artikkelista käy ilmi, arktinen teknologia on yksi keskeisiä osaamisalueita, joihin VTT panostaa. Jäämekaniikka, jääfysiikka ja jäissä liikkuvien rakenteiden simulointi ovat erityisiä osaamis alueita. VTT:llä on vahvaa näyttöä kylmän ilmaston tuulienergian osaamisessa sekä jäissä kulkevien alusten toiminnan ja energiankulutuksen hallinnassa. VTT:n osaaminen yhdistettynä ympäristöteknologiaan antaa asiakkaillemme ja koko Suomen elinkeinoelämälle vahvat eväät olla mukana arktisen teknologian hyödyntämisessä luontoa kunnioittaen. n VTT Impulssi 15
Vaikuttavuutta tutkimuksesta VTT on teettänyt kansainvälisen tutkimuksen toimintansa tuloksista ja vaikuttavuudesta. Tutkimuksen mukaan VTT:llä on keskeinen rooli suomalaisten yritysten kilpailukyvyn edistäjänä ja hyvinvoinnin luojana. Tutkimuksen toteuttivat VTT:n innovaatiotutkijat yhteistyössä brittiläisen tutkimusyhtiö Technopolis Groupin kanssa. 50% KAIKKEIN Vaativimmista innovaatioista sisältää VTT:n osaamista. VTT on osallistunut etenkin sellaisten innovaatioiden kehittämiseen, jotka ovat keskimääräistä vaativampia ja joiden uutuusarvo on iso myös kansainvälisesti katsottuna. 43% YRITYSTEN Ydinteknologioihin perustuvista innovaatioista sisältää VTT:n osaamista. 36% suomalaisista innovaatioista sisältää VTT:n osaamista. Joka viidennessä innovaatiossa VTT:n osuus on ollut merkittävä. VTT on julkisista tutkimusorganisaatioista tärkein t&kkumppani suomalaisille yrityksille. 16 VTT Impulssi
yritykset Kansainvälisille markkinoille. Tutkimuksen mukaan VTT:n osaamista sisältävät innovaatiot ovat päätyneet kansainvälisille markkinoille hieman muita innovaatioita useammin. 1. EU:n puiteohjelmissa VTT on suurin suomalainen toimija ja yksi merkittävimmistä tutkimusrahoituksen hankkijoista koko Euroopan tasolla. Vuonna 2011 VTT sijoittui kuudenneksi mitattaessa eurooppalaisten tutkimusorganisaatioiden mainetta sekä aktiivisuutta verkostoitujina. Korkea tieteellinen taso. VTT:n tieteellisten julkaisujen vaikuttavuutta mittaava viittausindeksi vuosilta 2006-2008 oli VTT:n kohdalla 1,17, joka sijoittuu keskiarvon yläpuolelle myös kansainvälisesti arvioituna. VTT:n edelle ylsi vain kolme suomalaista tutkimuslaitosta tai yliopistoa. VTT:n vaikuttavuustutkimuksen keskeisenä tietolähteenä oli SFINNO-tietokanta. SFINNO-tietokantaan on kerätty tietoa suomalaisten yritysten innovaatioista. Tällä hetkellä tietokannasta löytyy kaikkiaan 5 000 innovaatiota, jotka on kaupallistettu vuosina 1945 2009. Tietokantaan rekisteröidyt innovaatiot on kerätty pääasiassa 15:stä eri teollisuudenalaa edustavasta ammattilehdestä. Lisäksi tietolähteenä on käytetty 20 suurimman suomalaisyrityksen vuosikertomuksia sekä asiantuntijahaastatteluja. Innovaatiolla tarkoitetaan keksintöä, jonka yritys tai organisaatio on kaupallistanut. SFINNO-tietokantaan tallennettavien innovaatioiden tulee myös olla luonteeltaan joko täysin uusia tai merkittäviä parannuksia olemassa oleviin tuotteisiin. SFINNO-tietokantaa ylläpitävät VTT:n innovaatiotutkijat. VTT Impulssi 17
TIEDE VTT-asiantuntijat tekevät tieteestä teknologiaa Psykoottisten häiriöiden tunnistamiseen uusia keinoja Pikatesti löytää fenolin juomavedestä puhdas juomavesi on hupeneva luonnonvara globaalisti. VTT on kehittänyt markkinoiden ensimmäisen edullisen ja helppokäyttöisen pikatestin, joka paljastaa fenoliyhdisteet vedestä. Tietyt fenoliyhdisteet ovat haitallisia terveydelle ja voivat aiheuttaa muun muassa syöpää. Juomaveteen voi päästä fenoliyhdisteitä esimerkiksi teollisuuden jätevesistä, lääkejäämistä tai putkistoista. Kehitetty fenoliyhdisteiden testausmenetelmä perustuu kemialliseen reaktioon. Testipuikko löytää vesinäytteestä fenoliyhdisteet muutamassa minuutissa ja ilmaisee testituloksen värimuutoksella. Testi saadaan markkinoille noin 2 3 vuoden kuluttua. Vastaavaa edullista ja helppoa testiä ei ole aiemmin ollut saatavilla. VTT ja Helsingin yliopisto kehittivät vedenlaadun pikatestejä yhdessä teollisuuskumppaneiden kanssa Tekesin osarahoittamassa WATERCHIP-projektissa, joka on osa Tekesin Vesi-ohjelmaa. Tutkijat selvittävät EU:n uudessa METSY-projektissa, millainen yhteys rasva-aineenvaihdunnalla on psykoottisiin häiriöihin. Tavoitteena on tunnistaa biomarkkeriyhdistelmiä verestä ja aivokuvista ja arvioida niiden hyödyntämistä psykoottisten häiriöiden aikaisessa diagnosoinnissa ja hoidossa. 0,1 mg/l fenolipitoisuudet vedestä havaitseva testi on VTT:n kehittämä. Sinilevä paljastuu pienoislaboratoriolla VTT on kehittänyt nopean ja edullisen testimenetelmän myrkyllisen sinilevän havaitsemiseksi vesistöistä. VTT:n ja Helsingin yliopiston yhteistyönä kehittämä testilaite on kuin pienikokoinen laboratorio. Pikatestin avulla jokainen voi itsekin tutkia, onko uimavedessä sinilevää. 18 VTT Impulssi
Kuva: Vesa Tyni Arktisten asioiden tiedemies jaakko heinonen istahtaa jäätankin reunalle Espoon Otaniemessä. Täällä tehdään mallikokeita eli laivojen avomerirakenteiden testausta mallijään avulla, hän kertoo. Heinosen vahvinta osaamista on juuri jään ja rakenteen vuorovaikutuksen simulointi sekä merirakenteiden jääkuormien mallinnus, erityisesti merituulivoimaan liittyen. Heinosen kiinnostus arktisen ympäristön luomiin haasteisiin teknologisille ratkaisuille juontaa juurensa vuosien taakse. 15 vuotta sitten tein TKK:lla jatko-opintoja. Silloin alkoi tutkimusohjelma, jossa tutkittiin jääkuormia. Teimme viitenä talvena Perämerellä ahtojään ominaisuuksien kokeellista mittaamista. Tähän liittyy myös ahtojään numeerinen mallinnus, Heinonen kertoo. Heinosen väitöstyö valmistui vuonna 2004, sen aiheena oli ahtojään ominaisuuksien kokeellinen mittaaminen ja numeerinen simulointi. Heinonen on perehtynyt tutkimusaiheeseensa myös ulkomailla. Vuonna 2008 hän lähti vaihtotutkijaksi Saksaan. Kesällä 2012 hän vieraili kolme kuukautta Norjan teknis-luonnontieteellisessä yliopistossa (NTNU) Trondheimissa suuren arktisen tutkimusohjelman parissa. tiede JAAKKO HEINONEN VTT:n johtava tutkija, TkT Vastuualueena Arktisen ja kylmän ilmaston ratkaisut -innovaatio-ohjelman vetäminen Arktinen teknologia -tiimin päällikkö VTT Impulssi 19
Arktisen ja kylmän ilmaston ratkaisut Arktisen alueen ilmaston muutos ja sen hyödyntäminen taloudellisesti on noussut uutisoinnin keskiöön maailmanlaajuisesti. Suomen kannaltakin aiheella on iso merkitys, esimerkiksi meriteollisuuden kasvupotentiaali on juuri arktisessa tekniikassa. Teksti Jaakko Heinonen 20 VTT Impulssi
Globaali ilmaston lämpeneminen realisoituu erityisesti pohjoisnavalla, jonka jääpeite oli viime kesäkauden (2012) päätteeksi pienimmillään. Helpottuneet jääolosuhteet ja kesäkauden pidentyminen avaavat uusia mahdollisuuksia meriliikenteeseen. Erityisesti koillisväylä, joka tarjoaa kiinnostavan laiva reitin Euroopasta Aasiaan, on kesäkaudella merkittäviltä osuuksiltaan jäätön. Varustamot ovat tehneet viime vuosina koeluontoisia matkoja koillisväylää pitkin. Vuonna 2012 matkoja oli jo ennätykselliset 46 (Niini, 2013). Vaikka jääkelpoinen alus ja kokenut miehistö selviävät matkasta ongelmitta, haasteita aiheuttavat muun muassa vähäinen satamien määrä ja Venäjän tiukka aluevesikontrolli. Muurmanskin ja Vladivostokin välillä on vain viisi satamaa, jotka ovat avoinna vain kesäkauden ajan. Merenkulun ohella arktisella alueella odottavat mittavat luonnonvarat, erityisesti öljy, kaasu ja erilaiset mineraalit. Luontoon liittyen myös kalastuksen ja turismin lisääntyminen avaavat mielenkiintoisia mahdollisuuksia. Öljy- ja kaasuteollisuus on jo vuosikymmeniä ollut aktiivinen arktisen teknologian kehittämiseksi merellä tehtävien porauksien, varastoinnin ja logistiikan kehittämiseksi. Aiemmat ponnistukset ovat suurien riskien ja korkeiden kustannusten vuoksi jääneet rajallisiksi. Nykyinen öljyn ja kaasun kysyntä ja sitä kautta hintataso ovat jo ylittäneet arktisen operoinnin tuomat lisähaasteet, tosin räjähdysmäinen liuskekaasun markkinoille tulo saattaa tuoda peliin uusia vivahteita. Barentzin alueen öljy- ja kaasuvarannot on jo osin kartoitettu ja muun muassa Shtokmanin kenttä on odottanut jo parikymmentä vuotta porausten aloittamista. Norjalaiset ovat tehneet Lumikin kaasukentän Melkøyan saarelle, Yamalin alueella kansainväliset öljyyhtiöt ovat aktiivisia - ja niin edelleen. Kylmän ilman tutkimus ja siihen liittyvä osaaminen ei tietenkään rajoitu vain arktiselle alueelle. Samaa osaamista tarvitaan muun muassa Itämeren alueella, Kaspian merellä ja vuoristoissa. Hyvänä esimerkkinä ovat Espanjan vuoriston tuulivoimalat, joissa lapojen jäätyminen on haaste, johon VTT:n arktinen osaaminen tarjoaa ratkaisun: lapalämmitysjärjestelmän. Kylmä ja jää haasteina Mitkä sitten ovat keskeiset haasteet kun toimitaan arktisella alueella? Kylmyys ja pimeys ovat jo sinänsä isoja haasteita, erityisesti kun ne yhdistetään merenkäyntiin, jolloin hyytävä tuuli ja aallokko haastavat sekä ihmiset että laitteet. Insinöörit ovat tunnetusti ratkaisseet ongelman kuin ongelman. Arktisissa haasteissa on kyse toiminnan riskien tunnistamisesta, niiden oikeanlaisesta määrittämisestä sekä riskeihin varautumisesta. Suunnittelussa tämä tarkoittaa sitä, että kun esimerkiksi öljyntuotantotasanteen rakenteisiin kohdistuva jään aiheuttama kuorma tunnetaan etu tiede Kuva: Tapio Juuti Kuva 1. Jäänmurtaja Louhi kuvattuna VTT:n suorittamien jääkokeiden aikana. VTT Impulssi 21
Kuva: Juha Kuutti & Kari Kolari Kuva: Kari Kolari Kuva 2. Numeerinen simulointi liikkuvan jään murtumisesta vasten kaltevaa Kuva 3. merirakennetta. Porvoon edustalla merimerkki on jään armoilla. käteen riittävän hyvin, niin rakenteet voidaan suunnittelussa mitoittaa järkevällä tavalla välttäen tarpeettoman massiiviset ja kalliit ratkaisut. Laitteiden ylläpidossa taasen huollon tarve voidaan etukäteen suunnitella ja sovittaa suotuisiin sääolosuhteisiin ilman, että esimerkiksi öljyntuotantotasanteen toimintaan tulee katkoja ennakoimattomien huoltotarpeiden vuoksi. Niin kaunis kuin merijää parhaimmillaan on, se aiheuttaa merkittävän haasteen kylmien merialueiden operointiin. Liikkuvan tasojääkentän paksuus yksivuotisen jään osalta voi arktisella merellä olla yli kaksi metriä, lisäksi jääkenttään muodostuneet jopa 30 metriä paksut ahtojäävallit liikkuvat tuulen ja merivirtojen ajamana kohti operointialueita ollen myös meriliikenteen esteenä. Jäätyvillä merialueilla jään aiheuttama suuri paine rakenteita vastaan on pääsääntöisesti merkittävin kuormitustekijä, joka rakenteen suunnittelussa on huomioitava. Laivojen osalta jääkuorma sinänsä on varsin hyvin hallittu alue, mutta laivan vuorovaikutus jään kanssa on merkittävä tekijä esimerkiksi silloin, kun tankkeri laiva on lastattaessa pidettävä paikoillaan kun merenpohjasta tulevat öljy- tai kaasu putket ovat kiinnitettynä. Lisäksi arktisella merialueella seilaa monivuotisen jään lohkareita sekä jäävuoria. Kelluvien öljynporaustasanteiden osalta rakenne voidaan joissain tapauksissa irrottaa pohjasta väistö liikkeen tekemiseksi, muussa tapauksessa jäävuori pitää siirtää sivuun esimerkiksi hinaamalla. Hyväksi havaittu tekniikka rakenteiden jääkuormien vähentämiseksi on niin sanottu ice management -tekniikka, jossa monitoimialus rikkoo tarkoituksenmukaisesti operointialueen jääkenttää jatkuvasti pieniksi paloiksi, jolloin niiden kuormittava vaikutus rakenteisiin törmätessään on huomattavasti pienempi kuin yhtenäisen jää kentän. Ice management -tekniikan hyödyntäminen onkin arktisen tutkimuksen kuumimpia teemoja tällä hetkellä. VTT:n arktinen tutkimus Myös Suomessa on reagoitu arktisen ympäristön aktiviteettien lisääntymiseen. Hallitus hyväksyi elokuussa Suomen uudistetun arktisen strategian. Aiempi versio on vuodelta 2010. Keskeisinä toimenpiteinä Tekes on käynnistänyt julkisen tutkimusohjelman Arktinen toimintaympäristö ja sen haasteet (pienet strategiset avaukset). Käynnistymässä on myös Merien uudistuva liike toiminta -ohjelma, jossa arktinen teema on vahvasti mukana. Vastaavasti Suomen Akatemia on käynnistämässä arktista tutkimusohjelmaa. Suomalaisille kylmyys on luontainen kasvuympäristö luoden meille hyvän peruskäsityksen kylmän ilmanalan teknologian kehittämiseen. Tämä on luonteva ja selkeä lähtökohta pyrittäessä arktisen teknologian kärkijoukkoon. VTT on strategiassaan vahvistanut arktisen ja kylmän ilmaston ratkaisut tärkeäksi tutkimusteemaksi. Poikkitietieteellinen osaaminen ja monitekniset ratkaisut kansainvälisesti verkottuneessa ympäristössä yhdistettynä asiakaskeskeiseen kehitystyöhön luo kysyntää VTT:n osaamiselle. VTT:n 22 VTT Impulssi
Arktisen ja kylmän ilmaston ratkaisuihin tähtäävä innovaatio-ohjelma käynnistettiin tämän vuoden alussa. Tavoitteena on fokusoida ja kehittää osaamistamme kohti laajempia monitieteellisiä tutkimuskokonaisuuksia ja asiakasratkaisuja, kuten numeeriseen simulaatioon perustuvien palvelujen kehittäminen, joita voidaan hyödyntää arktisten haasteiden ratkaisemisessa. Kylmien olosuhteiden monitorointiin ja diagnostiikkaan liittyvän osaamisen kehittäminen asiakasratkaisuksi on toinen selkeä tavoite. Osaamisen tukipilarina on vahva tieteellinen osaaminen liittyen jään fysiikkaan, jäämekaniikkaan, materiaali- ja pinnoiteosaamiseen sekä vallitsevien olosuhteiden ymmärtämiseen. Tämä yhdistettynä sovellusosaamiseen liittyen erityisesti meri- ja laivanrakentamiseen, kone- ja laiterakentamiseen, tuulienergian ratkaisuihin sekä infra- ja talonrakentamiseen luo laajan tarjonnan asiakkaillemme. On myös syytä aiheuttamasta häiriöstä veden virtaukseen potkurin lavan lähellä. Tämän ilmiön selvittäminen on VTT:n tutkimuksessa keskeisessä roolissa. Laiva- ja meritekniikan osalta VTT:n kehitystyö painottuu laivasimulaattorin laajentamiseen siten, että laivaa voidaan virtuaalisesti operoida jääpeitteisellä merellä perustuen todenmukaiseen visuaaliseen näkymään oikealla karttapohjalla. Laiva simuloinnissa huomioidaan veden lisäksi jään aiheuttama ajovastus sekä sen vaikutus laivan liiketilaan, tehon tarpeeseen ja ohjattavuuteen. Simulaattoriosaamista voidaan hyödyntää myös tutkittaessa laivojen suorituskykyä jäissä, sillä esimerkiksi laivojen energiatehokkuusvaatimusten kasvaminen ja tätä kautta tapahtuva konetehon pieneneminen haastaa laivojen kulkemisen jääpeitteisillä alueilla. VTT:llä on yhdessä muiden kotimaisten toimijoiden (FMI, Syke) kanssa ollut keskeinen rooli Itämeren alueen satelliittiperustaisessa merenkulun avustusjärjestelmän IBNet kehitystyössä. Järjestelmän avulla luodaan liikenteen tilannekuva yhdistäen laivojen paikkatietoa, satelliittikuvia sekä ilmatieteenlaitosten sää- ja jääennusteita. Nykyisin laivan kapteeni saa lähestulkoon reaaliajassa karttapohjalle kuvan läheisen merialueen jäätilanteesta ja meriliikenteestä. Tätä tietoa kapteeni voi hyödyntää valitakseen optimaalisen laivareitin. Menetelmää sovelletaan Itämerellä laajasti, ja tämä teknologia on siirrettävä arktisille merialueille kaupallisen meriliikenteen alkaessa. Toteutus edellyttää arktiniin kaunis kuin merijää parhaimmillaan on, se aiheuttaa merkittävän haasteen kylmien merialueiden operointiin. painottaa, että VTT:llä on vuosikymmenten vankka kokeellisen tutkimuksen kokemus ja tietopankki edellä mainituilta sovellusalueilta. Tämä yhdistettynä vahvaan numeeriseen mallinnus- ja simulointiosaamiseen luo hyvän pohjan tulevien innovaatioiden synnyttämiseen. Tätä voidaan valottaa muutaman esimerkin avulla: VTT:n tuulivoimatutkimus fokusoituu kylmän ilmaston ratkaisujen kehittämiseen. VTT on lanseerannut lapalämmityskonseptin, jota voidaan soveltaa turbiinivalmistajan tarpeisiin räätälöidysti. Voimalan perustamis paikan sääolosuhteiden tuntemuksen avulla voimme mallintaa siiven jäätymisprosessia ja siten optimoida lavan lämmitystarpeen sekä siipeen integroitavien lämmitysmattojen sijoittelun. Vastaavasti merituulivoiman osalta vallitsevien jääolosuhteiden tuntemus liittyen jään paksuuksiin, niiden toistuvuusarvioihin sekä ahtojäävallien esiintymistodennäköisyyteen luo vankan pohjan turbiinin perustus- ja kannatinrakenteiden jääkuormien määrittämiseksi. Kokonaisvaltaisen turbiini jää-vuorovaikutuksen simuloinnin avulla voimme todentaa suunnittelussa huomioitavan dynaamisen jääkuorman ja jään aiheuttamat värähtelyt. Näin turbiinivalmistaja voi optimoida esimerkiksi turbiinin ylärakennetta siten, että jään aiheuttamat haitalliset värähtelyt eivät käytön aikana häiritse generaattorin toimintaa. Laivojen ja niiden propulsiolaitteiden suunnittelua ja hyväksyntää ohjaavat jääsäännöt. Useilla luokituslaitoksilla on omat sääntönsä, joiden lisäksi on paikallisia sääntöjä, kuten suomalais-ruotsalaiset jääsäännöt. Vastaavasti kansainvälisen merenkulkujärjestön (IMO) polaarikoodi on kehitteillä taatakseen napa-alueiden turvallisen meren kulun. VTT on aloitteellisesti suunnannut tutkimusta jääsääntöjen yhdenmukaistamiseen, yksinkertaistamiseen ja tarkentamiseen. Tärkeänä sääntöjen kehitystyökaluina ovat jää-rakenne -vuorovaikutuksen numeerinen mallinnus ja vastaavat täyden mittakaavan propulsiomittaukset, joita on vuosien saatossa tehty useista laivoista koeajoilla jäisillä merialueilla, samoin kuin laivojen suorituskykymittauksia. Eräänä potkurin ääritilanteena mainittakoon laivan peruutus kohti ahtojäävallia, jolloin potkurin runko ja lavat kohtaavat jään. Kokeellisissa mittauksissa on havaittu jääkimpaleen kontaktista lapaan aiheutuvan kuormituksen lisäksi kavitaation synnyttämiä kuormituspiikkejä. Kavitaatio syntyy jääkimpaleen VTT Impulssi 23