23.4.2025
Tämä kirjoitus on julkaistu 23.4.2025. / Harri Uusi-Äijö
EnergyWeek järjestettiin 17.–20. maaliskuuta 2025 Vaasassa. Tässä blogissa kurkistamme Engine Technology Seminar 2025 -seminaariin.
Torstaina 20. maaliskuuta järjestetty Engine Technology Seminar 2025 tarjosi ainutlaatuisen tilaisuuden sukeltaa moottoriteknologian tulevaisuuteen ja kuulla alan huippuasiantuntijoiden näkemyksiä. Tapahtuma kokosi yhteen alan ammattilaiset inspiroitumaan ja verkostoitumaan. Seminaarin avasi Wärtsilä Finland Oy:n Mikael Wideskog, joka korosti polttomoottoriteknologian merkittävää kehitystä ympäristövaatimusten ja teknologisen innovaation myötä. Wideskog toi esille polttomoottoritekniikan kehitystä ajavia trendejä, kuten siirtymisen kohti puhtaampia polttoaineita, hybriditeknologian integroinnin eri sovelluksiin, polttoainetehokkuuden ja hyötysuhteen parantamisen, kansallisten ja kansainvälisten sääntöjen kiristymisen sekä erikoissovellusten, kuten pitkänmatkan laivojen, erityistarpeet. Näiden kehityssuuntien taustalla on tavoite hiilineutraaliudesta.
VTT:n Principal Scientist Kati Lehoranta kertoi Kaasumoottoreiden palamattoman metaanin hallinnasta. LNG:n (nesteytetty maakaasu) käyttö laivojen polttoaineena on lisääntynyt merkittävästi viime vuosina, ja sen ympäristöhyödyt ovat kiistattomia. Verrattuna perinteisiin öljypohjaisiin meripolttoaineisiin LNG vähentää huomattavasti rikkidioksidin (SO2), typpioksidin (NO2), hiilidioksidin (CO2) sekä pienhiukkasten päästöjä. Tämä tekee LNG:stä houkuttelevan vaihtoehdon, kun pyritään vähentämään meriliikenteen ympäristövaikutuksia. Vaikka LNG tarjoaa monia etuja, sen käyttöön liittyy myös merkittävä haaste: metaanipäästöt ilmakehään.
Metaani on voimakas kasvihuonekaasu, jonka ilmastovaikutukset ovat jopa 25 kertaa suuremmat kuin hiilidioksidin lyhyellä aikavälillä. Tämä tekee metaanipäästöistä erityisen ongelmallisia, sillä ne voivat merkittävästi heikentää LNG:n ympäristöetuja. Lehoranta toi esityksessään esille, että metaanipäästöt riippuvat suuresti moottorin kuormituksesta. Aikaisempien tutkimusten mukaan pienellä kuormituksella toimivissa moottoreissa metaanipäästöt ovat huomattavasti suuremmat kuin täydellä kuormituksella. Tämä tarkoittaa, että laivan moottorin käyttötavat ja kuormitustaso vaikuttavat merkittävästi siihen, kuinka paljon metaania pääsee ilmakehään.
Uusimmat tutkimukset ja teknologiset edistysaskeleet ovat kuitenkin tuoneet parannuksia metaanipäästöjen hallintaan. Vuonna 2023–2024 valmistuneet moottorit on suunniteltu siten, että palamattoman metaanin määrää on pystytty vähentämään huomattavasti. Näillä uusimmilla moottoreilla voidaan saavuttaa pienemmät metaanipäästöt, mikä tekee LNG:stä entistä ympäristöystävällisemmän vaihtoehdon. Lisäksi tietyissä käyttöolosuhteissa LNG:n CO2-päästöt voivat olla pienemmät kuin dieselillä, mikä korostaa LNG:n potentiaalia vähäpäästöisenä vaihtoehtona. Laivamoottoriteollisuuden ja tutkimusyhteisön on jatkettava kehitystyötä ja innovointia, jotta LNG:n ympäristövaikutukset saadaan minimoitua ja meriliikenteen hiilijalanjälki pienennettyä.
Professori Maciej Mikulskin esitteli Integrated Hydrogen-Argon Power Cycle (iHAPC) -järjestelmää. Tämä ratkaisu mahdollistaa polttomoottorin toiminnan ilman pakoputkea, mikä avaa ovet merkittäville ympäristö- ja tehokkuuseduille. iHAPC-polttomoottorissa käytetään polttoaineena vetyä (H₂), happea (O₂), minkä lisäksi moottoriin syötetään argonia. Argoni (Specific heat ratio 1,67) korvaa perinteisen ilman (Specific heat ratio 1,3–1,4) palotapahtumassa. Tämä muutos parantaa polttoprosessin hyötysuhdetta merkittävästi, jopa 15 prosenttiyksikköä verrattuna perinteisiin moottoreihin.
Polttoprosessi toimii suljetussa kierrossa. Polttamisen seurauksena syntyy vain vettä ja argonia (argon ei osallistu palotapahtumaan). Nämä ohjataan lauhduttimeen, joka erottaa argonin ja veden. Argon kierrätetään takaisin polttomoottoriin. Vesi puolestaan johdetaan elektrolyysiin, jossa se hajotetaan vedyksi ja hapeksi. Näitä kaasuja syötetään uudelleen polttomoottoriin, mikä tekee koko järjestelmästä nollapäästöisen. Koska iHAPC-järjestelmässä ei ole pakoputkea, ei myöskään tarvita äänenvaimenninta tai pakokaasujen puhdistuslaitteistoa, mikä yksinkertaistaa moottorin rakennetta ja vähentää huoltotarvetta. Tämä tekee iHAPC:stä paitsi ympäristöystävällisen ja parantaa kustannustehokkuutta.
Järjestelmän todellinen nerokkuus piilee siinä, miten se hyödyntää ylimääräistä uusiutuvaa energiaa. Uusiutuvat energialähteet, kuten aurinko ja tuuli, voivat tuottaa ajoittain enemmän energiaa kuin mitä kulutus vaatii. Tämä ylimääräinen energia voidaan käyttää elektrolyysissä hajottamaan vettä vedyksi ja hapeksi, jotka toimivat polttomoottorin energialähteenä. Näin iHAPC yhdistää uusiutuvan energian käytön ja polttomoottorin tehokkuuden saumattomaksi kokonaisuudeksi. Professor Mikulskin esittelemä iHAPC-ratkaisu tarjoaa siis kaksinkertaisen hyödyn: se parantaa moottorin hyötysuhdetta merkittävästi ja samalla poistaa kokonaan haitalliset päästöt. iHAPC osoittaa, että polttomoottoriteknologia voi edelleen kehittyä ja vastata nykypäivän ilmastohaasteisiin innovatiivisella ja ympäristöystävällisellä tavalla.
Aalto -yliopiston apulaisprofessori Ville Vuorisen esityksessä tarkasteltiin viimeaikaista tutkimusta, joka keskittyy ammoniakin ja vedyn palamissimulaatioon. Vuorisen tutkimus käsittelee vedyn ja ammoniakin polttamista polttomoottorissa ja tuo esiin uusia näkökulmia polttoprosessin ymmärtämiseen ja moottorisuunnitteluun. Tutkimuksessa on hyödynnetty Kajaanissa sijaitsevaa LUMI-superkonetta, joka on yksi maailman tehokkaimmista supertietokoneista. LUMI-superkoneen laskentateho mahdollisti erittäin tarkkojen ja monimutkaisten palamissimulaatioiden toteuttamisen, jotka tarjoavat syvällistä tietoa vedyn ja ammoniakin palotapahtumista. Simulaatiot osoittavat, että vedyn palaminen polttomoottorissa on huomattavan monimutkainen prosessi. Yksi keskeisistä löydöksistä on, että vedyn palamisen yhteydessä syntyy typpioksidia (NOx), mikä on tärkeä huomio, kun pyritään kehittämään puhtaampia polttoteknologioita. Vedyn polttoaineominaisuudet eroavat myös merkittävästi perinteisistä polttoaineista. Vety ei ole ainoastaan diffuusiivinen ja kevytrakenteinen, vaan sen liekin etenemisnopeus (2,91 m/s) on myös huomattavasti suurempi kuin monilla muilla polttoaineilla kuten esim. ammoniakilla (0,07 m/s) tai metaanilla (0,37 m/s). Tämä korkea liekin etenemisnopeus vaikuttaa suoraan polttoprosessin dynamiikkaan ja vaatii erityistä huomiota moottorin suunnittelussa.
Oulun yliopiston professori Juha Könnön mukaan polttomoottoriteknologian kehityksessä simulaatiot tarjoavat mahdollisuuden ennustaa uuden teknologian onnistumista ennakolta. Hän on tutkinut simulaatiopohjaisen suunnittelun ja validoinnin roolia polttomoottorikonseptien kehityksessä. Vaikka nykypäivän simulaatiotyökalut lupaavat mahdollisuuksia ennustaa uusien polttomoottorien toimivuus ennakolta, niiden perusteella antaman tiedon perusteella ei kuitenkaan olla valmiita tekemään merkittäviä investointeja. Simulaatiot voivat kuitenkin merkittävästi vähentää riskejä ja kustannuksia polttomoottorisuunnittelussa. On kuitenkin tärkeää huomioida, että vaikka simulaatiot voivat vähentää monia riskejä, niissä on yhä sokeita kohtia, joita ei voida mallintaa täydellisesti. Ilman luotettavaa ja robustia simulaatioprosessia, miljoonien eurojen kehityskustannukset voivat tuntua uhkapeliltä. Erityisesti polttomoottorin suunnittelussa on tärkeää muistaa, että simulaatiot eivät ole hyödyllisiä, jos ne eivät huomioi asiakkaan näkökulmaa. Jos järjestelmä ei vastaa asiakkaan tarpeita ja ei tuo asiakkaalle toivottuja hyötyjä, voi käydä niin, että ratkotaan väärää ongelmaa. Asiakaslähtöinen ajattelu on avainasemassa, ja suunnittelun tulee olla linjassa asiakkaan odotusten kanssa.
Simulaatioiden ja mallipohjainen järjestelmäsuunnittelu (MBSE) avulla voidaan vähentää kehitystyön viimehetken yllätyksiä ja parantaa ennakoitavuutta. Tämä lähestymistapa takaa johdonmukaisen jäljitettävyyden konseptista testaukseen. Simulaatioiden avulla kehitystyö voi olla tehokkaampaa, mutta niiden luotettavuutta ja tarkkuutta on kehitettävä edelleen. Seuraavat askeleet liittyvät tarkempaan validointiin, laajempaan skenaarioiden kattamiseen ja tiiviimpään eri toimintojen integraatioon.
Professori Teemu Turunen-Saaresti Lappeenrannan–Lahden teknillisestä yliopistosta keskittyi esityksessään lämpöpumppuihin, erityisesti niiden hyödyntämiseen jätehukkalämmön talteenotossa. Lämpöpumppujen rooli on kehittynyt ja laajentunut, ja niiden avulla voidaan nyt hyödyntää yhä suurempia lämpötiloja ja tehoja. Tämä kehitys on mahdollistanut entistä tehokkaamman hukkalämmön talteenoton, mikä puolestaan voi vähentää energian kulutusta ja edistää kestävän kehityksen tavoitteita. Kehityksessä painotetaan erityisesti kompressoreita, jotka toimivat korkeammilla paineilla ja tehoilla. Yksi lupaavimmista teknologioista on keskipakoiskompressorit, jotka mahdollistavat tehokkaamman lämmönsiirron ja korkeampien lämpötilojen saavuttamisen.
Samalla, kun lämpöpumppujen teknologia kehittyy, myös ympäristönäkökulmat ovat tulleet entistä tärkeämmiksi. Perinteisesti lämpöpumpuissa on käytetty fluoria sisältäviä kaasuja (ns. F-Gas), mutta näitä kaasuja on alettu säädellä tiukemmin. Myös PFAS-yhdisteiden käyttöön on tulossa rajoituksia.
Lämpöpumput tarjoavat kuitenkin merkittäviä etuja jätehukkalämmön talteenotossa. Niiden avulla voidaan hyödyntää matalan lämpötilan hukkalämpöjä tehokkaasti, ja korkean lämpötilan lämpöpumput voivat tuottaa jopa yli 160 celsiusasteen lämpöä ja prosessien tarvitsemaa höyryä. Suurempitehoisia lämpöpumppuja on jo nyt saatavilla.
EnergyWeek 2025 osoitti jälleen, kuinka tärkeässä roolissa teknologinen kehitys ja tutkimus ovat tulevaisuuden energiaratkaisujen muovaamisessa. Engine Technology Seminar 2025 nosti esiin polttomoottoriteknologian ajankohtaiset innovaatiot ja kehityssuunnat, joiden tavoitteena on yhdistää tehokkuus, ympäristöystävällisyys ja käytännön sovellettavuus.
Seminaarin esitykset toivat selkeästi esiin, että vaikka haasteita riittää – kuten metaanipäästöjen hallinta LNG-käytössä tai vedyn ja ammoniakin palamisen monimutkaisuus – teknologinen kehitys tarjoaa jatkuvasti uusia mahdollisuuksia. Uusien ratkaisujen, kuten iHAPC-järjestelmän myötä polttomoottorit voivat olla osa kestävää energiainfrastruktuuria vielä pitkään. Lisäksi simulaatiopohjainen suunnittelu tarjoaa tehokkaan välineen riskien hallintaan ja kehitystyön tehostamiseen, kunhan se tehdään asiakaslähtöisesti ja tarkasti validoiden.
Seminaarin monipuolinen sisältö osoitti, että energiatekniikan tulevaisuus ei ole yhden ratkaisun varassa, vaan se rakentuu laajalle yhteistyölle, eri teknologioiden yhdistämiselle ja jatkuvalle innovoinnille. Moottoriteknologian kehittyminen on keskeinen osa energiamurrosta, ja alan toimijoiden yhteinen tavoite hiilineutraaliudesta on voimakas ajuri kehitykselle. EnergyWeek 2025 tarjosi kattavan katsauksen siihen, miten ala vastaa näihin haasteisiin – rohkeasti, monipuolisesti ja yhteistyössä.