Fusion Grid vie tietoliikenneyhteydet ja sähköt kehittyvien maiden koteihin

2030-luvun Namibia. Jokaisessa asuinsijassa on toimiva jääkaappi ja virtalähde kännykän tai tietokoneen lataamista varten. Asuinsijan katolla tai lähellä on aurinkopaneeli ja akusto, kouluissa ja sairaaloissa useampia. Hieman kenkälaatikkoa suurempi tukiasema on kiinnitetty seinään tai tolppaan noin kolmen metrin korkeuteen.

Paneelit, akusto ja tukiasema kuuluvat omavaraiseen energiajärjestelmään. Se tarjoaa samassa paketissa sähköverkon ja 4G LTE -mobiiliverkon kehittyvien maiden asukkaille. Järjestelmää kehitetään LUT-yliopiston, Aalto-yliopiston, Nokian, GreenEnergy Finlandin (GEF) ja Suomen Yliopistokiinteistöjen (SYK) yhteisessä, Business Finlandin BEAM-ohjelman rahoittamassa Fusion Grid -hankkeessa.

"Mikroverkkoja on tehty ennenkin, mutta nyt luomme sähköverkon ja mobiiliverkon tyhjästä paikkoihin, joissa ei ole kantaverkkoa", tutkijatohtori Antti Pinomaa LUT-yliopistosta kertoo.

Järjestelmä voi mullistaa tulevaisuudessa miljardien ihmisten elämän. Sähkön avulla saadaan toteutettua ruokahuoltoon liittyviä perustarpeita. Pääsy internetiin mahdollistaa esimerkiksi käsityöverkkokaupan ylläpitämisen ja kouluille digitaaliset oppimisympäristöt.

Asiakkaan versio valmistui LUTilla

Järjestelmän pilottiversio pystytettiin ja testaus aloitettiin Lappeenrannassa kesällä 2018. LUT-yliopiston Green Campuksella olevia aurinkopaneeleita käytettiin järjestelmän paneeleina, GEF toimitti akut ja Nokia 4G LTE Kuha -tukiaseman.

"Kesän aikana tehtiin myös asiakaspään energiaratkaisu opiskelijaprojektina. Ratkaisu koostuu kahdesta aurinkopaneelista ja kahdesta akusta. Asiakkaan järjestelmään kytkettiin jääkaappi, tuuletin, 4G LTE päätelaite, Raspberry Pi (yhden piirilevyn tietokone) ja näyttö", Pinomaa kertoo.

Järjestelmään toteutettiin automaattinen energianhallinta, joka mittaa aurinkopaneelien tuotantoa ja akkujen varaustasoa. Järjestelmä säätää asiakkaan sähköntarvekuormat siten, että jääkaappi ja yhteys tukiasemaan pysyvät päällä, muut kuormat kytketään tarvittaessa pois.

"Mitoitimme järjestelmään liitettävät paneelit ja akuston asiakkaiden arvioidun tehotarpeen mukaan. Otimme mitoituksessa huomioon energiajärjestelmän reservikapasiteetin; että aurinko ei paista kahteen päivään. Toisaalta esimerkiksi Namibiassa olosuhteet ovat täysin erilaiset ja aurinkoenergiantuotannon kannalta paremmat kuin Suomessa, sillä siellä aurinkoisia päiviä on käytännössä ainakin 300 vuodessa".

Mitoitusperiaate on sama tukiaseman energiajärjestelmälle.

Kehityshaasteiden ratkomista liiketoiminnalla

Seuraavaksi jatketaan järjestelmän kehittämistä lähemmäksi kuluttajatuotetta. Järjestelmän on tarkoitus toimia itsenäisenä yksikkönä, mutta myös yhteen liitettynä muiden yksiköiden kanssa. Silloin yksiköt, tukiaseman sekä asiakaspään energiajärjestelmät, muodostavat yhdessä kantaverkosta erillään olevan, oman hajautetun energian off-grid-mikroverkon.

"Tavoite on, että asiakkailla olisi omat kiinteistöaurinkopaneelijärjestelmät, jotka kytketään esimerkiksi kylän tukiaseman energia-asemaan. Laajemmasta, älykkäästä off-grid-mikroverkosta jaettaisiin sähköä pienen yhteisön tarpeisiin", Pinomaa tarkentaa.

Konseptia aiotaan kehittää Namibian teknillisellä yliopistolla (Namibia University of Science and Technology, NUST) yhteistyössä paikallisten tutkijoiden ja opiskelijoiden kanssa. Tavoite on rakentaa tukiaseman energia-asemasta proof-of-concept-pilotti NUST:n kampukselle sekä kartoittaa mahdollisuuksia pilotoinnille Namibiassa, esimerkiksi sopivalle alueelle Windhoekiin Namibian pääkaupunkiin keväällä 2019.

Fusion Grid nähdään mielenkiintoisena konseptina ja hankkeena - Antti Pinomaa

Vastaavasti pilotoinnin mahdollisuuksia Gambiassa kartoitetaan Suomen Yliopistokiinteistöjen kontaktoinnin kautta yhdessä Visio247 Oy:n kanssa. Mukana olisivat myös Ministry of Higher Education, Research, Science and Technology (MOHERST) sekä University of The Gambia (UTG).

Projektin iso tavoite on pilotoida Fusion Grid -konseptia haja-asutusalueella oikeassa käyttökohteessa Namibiassa, Gambiassa tai molemmissa vuoden 2019 aikana.

"Namibiassa paikalliset toimijat sekä energia-, tieto- ja viestintäministeriöt ovat ottaneet idean vastaan myönteisesti. Fusion Grid nähdään mielenkiintoisena konseptina ja hankkeena", Antti Pinomaa sanoo.

Kentältä saatujen kokemusten ja kehitystyön jälkeen paneelit auringon alla ja mobiiliverkon kantama saattavat olla perusasioita koko Saharan eteläpuoleisessa Afrikassa.

Fusion Grid

  • Hankkeen 1,5 miljoonan euron rahoitus Business Finlandilta ja Ulkoministeriöltä. Osa BEAM-ohjelmaa.
  • Hankeaika 1.1.2018–30.6.2020. Osapuolina Nokia, GreenEnergy Finland, Suomen yliopistokiinteistöt, Nordkapp, Aalto-yliopisto ja LUT-yliopisto.
  • Omavarainen off-grid-mikroverkko perustuu uusiutuvaan energiaan, energiavarastoihin ja hajautettuun tuotantoon. Voi olla perinteinen vaihtovirtaverkko tai tasavirtaverkko.
  • Tietoliikenneverkon peruselementtinä 4G LTE -tukiasema, jonka energia tuotetaan aurinkovoimalla ja siitä varastoidulla sähköllä yöaikaan, jolloin operointi saadaan taattua 24/7.
  • Yhden yksikön järjestelmä toimii pienoisjännitteen alueella – 24 VDC – 48 VDC.
  • Jos sähköä jaellaan energia-asemalta asiakkaille, etäisyyksien takia on käytettävä pienjännitteitä 230/400 VAC tai 350 VDC. Modulaarinen, skaalautuva versio voi vastata suuremman yhteisön sähkötarpeita. Harvaan asutuilla alueilla haasteina ovat kustannukset ja sähkönjakelun kantama kylän perimmäiselle asiakkaalle. Jakelu ei onnistu tai ole kokonaiskustannuksiltaan kannattavaa yhdestä pisteestä pitkien matkojen päähän.
  • Kannattavampi ja toteutettavampi ratkaisu on, kun tuotantoa ja varastointia on hajautetusti verkon monessa pisteessä. Se vaatii soveltuvat energiamarkkinamallit, joilla sähkön myynti ja osto saadaan hallitusti toteutettua. Verkonhallintajärjestelmä toteutetaan järjestelmän oman langattoman 4G LTE verkon kautta. LUTilla tehdään tutkimusta verkon mitoituksesta, hallinnasta ja soveltuvista mikroverkkomarkkinamalleista.

Haasteita:

  • Kehitysmaiden markkinalle suunnatun järjestelmän komponenttien tulee olla edullisia mutta laadultaan riittäviä.
  • Ansaintalogiikka. Miten energiajärjestelmän hyödyt saadaan köyhissä maissa suuremmiksi kuin sen vaatimat investoinnit – tutkimusta soveltuvista business-/markkinamalleista.
  • Paikallisten sähkömarkkinoiden rajoitukset ja lainsäädäntö.
  • Akustot tarvitsevat jäähdytyksen niin aurinkoisella aavikolla kuin kuumissa, tiuhaan asutuissa kaupunkikortteleissakin.

Mahdollisuuksia:

  • Kehittyvien maiden energiajärjestelmä- ja mobiilitietoliikenneverkkoinfrastruktuurin tukeminen, kannattava globaali liiketoiminta, koulutuksen tukeminen.
  • Paikallisen yrittäjyyden tukeminen. Teknisen järjestelmän ja siihen liittyvien sovellusten käyttäminen vaatii osaamista. Vaihtoehto on kouluttaa asukkaista yrittäjiä, jotka pystyttävät järjestelmiä sekä vastaavat järjestelmien ylläpidosta.
  • Suomen koulutusvienti ja yhteiskehitetyt oppimisympäristöt Namibiaan. Suomen Yliopistokiinteistöjen (SYK) osahanke In-Learn tukee asiakasyliopistojen koulutusvientiä kehittyviin maihin. Osahanke toteutetaan Turun yliopiston sekä arkkitehti- ja koulutusvientiyritysten kanssa. Namibiassa yhteiskehitetään aktiivista oppimista tukevia ympäristöjä sekä uusia oppimisympäristöjä yliopisto-yritysyhteistyön tueksi. Vahvistuvat verkostot tuovat lisäarvoa Fusion Grid-hankkeelle.

 

Lisätietoja:

Fusion Grid tuotekuvaus -pdf

Antti Pinomaa
tutkijatohtori, LUT-yliopisto
antti.pinomaa@lut.fi

Marko Nieminen
tietojenkäsittelytekniikan professori, Aalto-yliopisto
marko.nieminen@aalto.fi

Martti Ylikoski
tiimivetäjä, Nokia
martti.ylikoski@nokia.com

Markus Huomo
R&D Project Manager, GreenEnergy Finland Oy
markus.huomo@gef.fi

Olli Niemi
dosentti, Suomen Yliopistokiinteistöt
olli.niemi@syk.fi

 

Lue myös: