Kooltaan pieni suurnopeustekniikka saa suurta aikaan

Sähkömoottoritekniikka mullisti sata vuotta sitten teollista tuotantoa monella tapaa. Megawattien tai satojen megawattien tehoa edustavat höyryturbiinit ovat mahdollistaneet kehityksen esimerkiksi moneen nykyisistä energiantuotantomuodoista ja vuosikymmeniä palvelleisiin tuotantolaitoksiin. Suurnopeustekniikka on tuonut vaihtoehtoja puhallin- ja kompressoriratkaisuihin sekä sähkökoneisiin 80-luvulta lähtien.

Mikro-ORC

Iso oli teollisen infrastruktuurin rakentamisessa kaunista, eivätkä materiaalitehokkuus tai hyötysuhde välttämättä olleet suunnittelua ohjaavia tekijöitä. Laitteiden jättimäiset huolto- ja elinkaarikustannukset hyväksyttiin myös osaksi kokonaiskustannuksia.

Energia-alan tutkijoita alkoi kuitenkin jo vuosikymmeniä sitten kiinnostaa, voitaisiinko asiat tehdä toisin: pienemmillä tehoilla, minimaalisilla pyyhkäisypinta-aloilla pyörivissä osissa – mutta valtavilla nopeuksilla.

"Larjolan Jaakon johdolla näitä alettiin LUTissa pohtimaan 70-80-lukujen taitteessa. Väitän, että Jaakko toi koko termin suurnopeustekniikka suomen kieleen", kertoo sovelletun virtaustekniikan professori emeritus Jari Backman.

Suurnopeustekniikkaan perustuvat turbokoneet ovat huomattavasti pienempikokoisia kuin perinteiset 3000 kierrosta minuutissa pyörivät turbokoneet tai vastaavat syrjäytystekniikkaan perustuvat voimakoneet. Ne kuormittavat merkittävästi vähemmän ympäristöä sekä materiaalin käytön että valmistusmenetelmän osalta. Lisäksi ne ovat lähes kokonaan huoltovapaita, ja niiden korkeataajuinen ääni on helppo eristää meluttomaksi. Miksi ihmeessä suurnopeuskoneet eivät ole jo valloittaneet maailmaa lopullisesti?

"Vanhat teknologiat ovat vielä jyränneet, sillä niitä edustavissa laitteistoissa on niin paljon pääomaa kiinni. Pian tulee kuitenkin valtava määrä aiempaa laitekantaa käyttöikänsä päähän. Aivan lähivuosina tullaan näkemään merkittävä siirtymä hajautettuun ja uusiutuviin energianlähteisiin perustuvaan energiantuotantoon. Suurnopeustekniikka on keskeisessä roolissa tässä siirtymässä", arvioi Backman.

Uusia sovelluskohteita löytyy jatkuvasti

Backman nimeää esimerkiksi nousevasta suurnopeustekniikan sovelluskohteesta synteettisten polttoaineiden tuotannon power-to-x-teknologialla.  Öljyä ja maakaasua korvaavia synteettisiä polttoaineita, esimerkiksi synteettistä metanolia, voidaan valmistaa ilmasta päästöttömällä tuuli- tai aurinkosähköllä, ja näihin prosesseihin kompaktin kokoiset suurnopeustekniikkaan perustuvat laitteet sopivat hyvin.

Toinen ajankohtainen tutkimuskohde LUTin suurnopeustekniikassa on ylikriittinen hiilidioksivoimalaitosprosessi. Sillä tarkoitetaan voimalaitosprosessia, jossa kaasuturbiiniprosessissa väliaineena on ilman sijasta hiilidioksidi korkeassa yli 70 barin paineessa. Tutkimusta johtava apulaisprofessori Teemu Turunen-Saaresti kertoo, että tutkimuksella tavoitellaan merkittävää vähennystä voimalaitoksen toimintaan tarvittavan energian määrään. Ylikriittisellä kaasuturbiiniprosessilla voitaisiin korvata olemassa olevia kaasu- ja höyryturbiinivoimalaitoksia.

"Hiilidioksidi toimii ilman tavoin myrkyttömästi eikä syty itsestään, vaikka kiertääkin laitteessa koko ajan. Itse turbokoneet ovat helposti yli 10 kertaa pienempiä ja hyötysuhteeltaan parempia kuin nykyiset turbiinit, mutta suurnopeustekniikan kannalta iso haaste on saada yhdistettyä sähkökone samalle akselille turbokoneiden kanssa. Kun teknologiassa päästään kaupalliselle asteelle, uudet voimalaitokset polttoaineesta riippumatta voivat toimia nykyisiä voimalaitoksia selvästi pienemmällä energiamäärällä", kertoo Turunen-Saaresti.

LUTissa osataan kaikki suurnopeustekniikan osa-alueet

Jari Backman

Jari Backmanin puheessa suurnopeustekniikka ja siihen liittyvän tutkimuksen tekeminen LUTissa on ennen kaikkea yhteistyötä.

"Suurnopeustekniikan kehittäminen ja vuoropuhelu eri sovellusalojen asiantuntijoiden kanssa on loputtoman kiinnostavaa. Hyötysuhteiden parantaminen kompressorin ja turbiinin ominaisuuksia optimoimalla jatkuva kiinnostuksen kohde. On ollut mahtava huomata, kuinka schoolin sisällä puhumme koko ajan vahvemmin samaa kieltä ja etsimme ratkaisuja tieteenalojen risteyskohdista".

Backman luettelee tukun esimerkkejä naapuriryhmistä, joiden kanssa vaikuttavuutta on vuosien saatossa syntynyt.

"Turbiinin ja sähkökoneen välillä on selkeä teknologinen symbioosi, ja tässä rajapinnassa on muun muassa Juha Pyrhösen tutkimusryhmän kanssa merkittävästi pystytty tukemaan yrityskenttää. Ja sama pätee myös tehoelektroniikkaa edustavan Pertti Silventoisen ryhmään sekä säätötekniikkaan ja Olli Pyrhösen tiimin kanssa tehtyyn yhteistyöhön. Roottoridynamiikkaa puolestaan on kehitetty Jussi Sopasen johdolla. Olennaista on myös se, että vaativillekin rakennusvaiheille uusissa laitteistoissa on löytynyt talosta kokeneita ammattilaisia."

Yrityskumppaneille tutkimuksen ristiinlinkitys näkyy parhaimmillaan ketteränä ja kokonaisvaltaisena osaamiskumppaanuutena. Muun muassa sähkön- ja lämmön yhteistuotantoon soveltuvia kaasuturbiineja valmistavan Aurelia Turbines -yhtiön tarina on oiva esimerkki tästä.

"Uuden yhtiön perustamisvaiheessa kehitetty tuote, kokoluokassaan uudentyyppistä ja poikkeuksellisen korkeaa hyötysuhdetta edustava 450 kW:n kaasuturbiini pohjautui pitkälti LUTin energia- ja suurnopeustekniikan osaamiseen. Se on myös turbiinin huoltovapauden taustalla. Tämän yrityksen kohdalla myös kaupallistamiseen tuli vahva tuki yliopistolta."

Opetustyön loppuessa mieli on haikea

Jari Backmanin pitkäaikainen työkaveri ja innoittaja Jaakko Larjola siirtyi muutamia vuosia sitten ansaittujen eläkepäivien viettoon, ja sama muutos on edessä Backmanilla.

Backmanin ja LUTin yhteinen matka on ollut pitkä ja antoisa. Energiatekniikan teekkari toimi opintojensa aikana ylioppilaskunnan puheenjohtajana, tuore diplomi-insinööri jatkoi suoraan tutkimustehtäviin, ja jatkotutkintoina syntyivät sekä lisensiaatin että tohtorin tutkinnot.

Vietnamissa Asian Institute of Technologyn johtotehtävissä viettämiensä vuosien jälkeen Backman valittiin 2000-luvun alussa hoitamaan virtaustekniikan professuuria, aluksi osittain ja myöhemmin kokoaikaisena.

"Vaimo on saanut joustaa. Taisin lisensiaatin tutkintoa tehdessäni luvata, että tämä on viimeinen projekti, johon tällä tapaa uppoudun. Sen jälkeen on kuitenkin tullut aika monta muuta, jotka ovat vieneet mennessään. Työni on ollut pitkiä pätkiä enemmän tai vähemmän yhteisestä vapaa-ajasta pois."

Backman kuvaa tunnelmiaan haikeiksi, kun aktiivinen työura päättyy. Hän ennakoi tulevansa kaipaamaan erityisesti opetustyötä, jota tärkeäksi muodostuneessa työyhteisössä on kehitetty vaivaa säästämättä.

"Meillä on virtaustekniikan vastuualueilla tusinan verran asiantuntijoita, enimmäkseen tohtoreita ja väitöskirjatutkijoita, joista kaikki osallistuvat opetukseen ja sen kehittämiseen. Mielestäni lähestymme oppimisen tukemista hyvin tarkoituksenmukaisesti. Viemme virtuaaliympäristöihin sen mikä sinne soveltuu, mutta pidämme huolen, että tuemme opiskelijoita matkan varrella lähiopetuksessa. Teemme mittauksia, keräämme tietoja ja prosessoimme tuloksia, jotta ilmiöt ja käsitteet tulivat alusta asti opiskelijoille ymmärrettäväksi. Kuva kirjassa ei koskaan aja samaa asiaa."

LUT-yliopisto kiittää Jari Backmania ansiokkaasta työstä tiedeyhteisön hyväksi, ja toivottaa sopivasti kiireitä uuteen ajanjaksoon elämässä.

Lue lisää: