|
|
|
Hankekoodi: A74129
Hankkeen nimi: AMP - innovatiivisella mikrokaasuturbiiniteknologialla mahdollistetaan viisas ja laaja sähköautoilu
Toimintalinja: 2. Uusimman tiedon ja osaamisen tuottaminen ja hyödyntäminen
Erityistavoite: 3.2. Uusiutuvan energian ja energiatehokkaiden ratkaisujen kehittäminen
Suunnitelman mukainen toteutusaika: Alkaa 11.6.2018 ja päättyy 15.6.2020
Toiminnan tila: Toiminta päättynyt
Vastuuviranomainen: Uudenmaan liitto
Hakijan virallinen nimi: Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto LUT
Organisaatiotyyppi: Yliopisto
Y-tunnus: 0245904-2
Jakeluosoite: PL 20
Puhelinnumero: 0294 462 111
Postinumero: 53851
Postitoimipaikka: Lappeenranta
WWW-osoite: http://www.lut.fi
Hankkeen yhteyshenkilön nimi: Julia Vauterin-Pyrhönen
Yhteyshenkilön asema hakijaorganisaatiossa: Tutkijaopettaja
Yhteyshenkilön sähköpostisoite: julia.vauterin(at)lut.fi
Yhteyshenkilön puhelinnumero: 040 7379840
Hakijoiden lukumäärä tai tuen siirto -menettely:
Tulevaisuudessa autoteollisuuden kasvuliiketoimintaa ovat sähköistäminen, ja siihen liittyvät automatisointi- ja digitalisointijärjestelmät. Sähköakkujen hinnat ovat halventuneet ja sähköautot tulevat arkikäyttöön. Sähköautojen massatuotannossa ja -käytössä on kuitenkin suuria haasteita. Haasteet liittyvät sähköautojen akkujen valmistamiseen tarvittavien arvokkaiden raaka-aineiden saatavuuteen, akkujen kestoon ja lataustekniikkaan, niiden painoon ja sijoittamiseen ja latauspisteiden määrään. Akkujen valmistumismenetelmissä ja akkuteknologian kehittämisessä ei ole näköpiirissä mullistavaa teknologista ratkaisua. Tämä ongelma voidaan kiertää hyödyntämällä hybriditeknologiaa. Hybridiautossa on kaksi eri voimanlähdettä, usein polttomoottori ja sähkömoottori. Nykyisiä hybridejä myydään kahdella rinnakkaisella voimansiirtojärjestelmällä eli kaksinkertaisella teholla. Tämä ei ole järkevä ratkaisu, sillä hybridijärjestelmän mahdollistama energiatehokkuusparannus jää saavuttamatta. Liikenteen sähköistämiseksi tarvitaan siis uudenlaisia ratkaisuja, jotka mahdollistavat vihreän autoilun viisaalla ja kestävällä tavalla.
Sähköisen autoilun edistämisessä on valtava liiketoimintapotentiaali, ja sen suurimpia kasvualueita ovat pienet kaasuturbiinit, jotka tarjoavat luotettavan ja kestävän energian kysyntään joustavat ratkaisut.
Sähköautosta saadaan paras resurssitehokkuus käyttöön, kun uudenlaisella kaasuturbiinitekniikalla tehdään autosta käytännössä ladattava hybridi. Tällainen auto on perusrakenteeltaan puhdas sähköauto, mutta siihen varustetaan resurssitehokkuuden vuoksi vain esim. 50 km ajomatkan takaava akku, jolla valtaosa päivittäisestä autoilusta voidaan hoitaa. Näin voidaan paremmin varmistaa, että maapallon kobolttivarat riittävät sähköautoiluun. 10 – 15 kWh akku voidaan helposti ja nopeasti ladata normaaleista sähköpistokkeista.
Tässä hankkeessa kehitetään konsepti uudenlaiselle sähköauton voimanlähdejärjestelmälle, joka on varustettu pienitehoisella ja teknologiaratkaisultaan uudenlaisella ajomatkanpidentimella (AMP). Uudella ratkaisulla voidaan nostaa autoilun energiatehokkuutta aivan uudelle tasolle ja siten mahdollistaa älykkään ja aidosti vihreän sähköautoilun.
Hankkeen ensisijaisina kohderyhminä ovat Etelä-Karjalassa toimivat teolliset yritykset:
□ Maakunnalliset sähkökone- ja tehoelektroniikkayritykset, jotka toimittavat kestäviä energiaratkaisuja
□ Maakunnan metalliteollisuus
□ Maakunnan lämpöeristysteollisuus
□ Lappeenrannan kaupungin vihreän strategian mukaisen kasvuohjelman toimijat
□ Uuden yritystoiminnan potentiaaliset osaajat ja palvelutoimittajat
□ Kansainvälinen autoteollisuus
□ Kansainvälinen työkoneteollisuus
□ Kansainvälinen ilmailuteollisuus
□ Hajautetun voimantuotannon aurinkotalousyritykset
Välilliseen kohderyhmään kuuluvat AMP:n tilaajina, käyttäjinä ja hyödyntäjinä toimivat yritykset ja asiakkaat, sekä myös työmarkkinat.
□ Yritykset ja yhtiöt, jotka pystyvät muun muassa puhtaan energian talouteen liittyvällä omalla osaamisella ja tietotaidolla edistämään hankkeen tavoitteita
□ Teknologiayritykset, jotka pystyvät muun muassa digitalisaatioon (IoT-ratkaisut) liittyvällä omalla osaamisella ja tietotaidolla edistämään hankkeen tavoitteita
□ Palvelu-, konsultointi- ja ratkaisuliiketoiminnassa edistyneet organisaatiot, joiden kokemuksia ja osaamista voidaan hyödyntää
□ Uuden yritystoiminnan asiakkaat
□ Opiskelijat ja tulevat osaajat
Varsinaisten ja välillisten kohderyhmien kohtaaminen luo uusia innovaatioita ja synnyttää uutta osaamista sekä liiketoimintaa. Tämä on hanke, jota kaikki Etelä-Karjalan asukkaat ovat odottaneet. Tämä muuttaa maakuntaa perustavanlaatuisesti edetessään globaalin autoteollisuuden alihankkijaksi.
Maailmassa valmistetaan nykyisin noin 90 miljoonaa autoa vuosittain. 20-vuoden kuluttua jokaisessa niistä on AMP!
Myönnetty EU- ja valtion rahoitus: 169 780
Toteutunut EU- ja valtion rahoitus: 169 780
Suunniteltu julkinen rahoitus yhteensä: 242 544
Toteutunut julkinen rahoitus yhteensä: 242 544
Maakunnat: Etelä-Karjala
Seutukunnat: Imatran, Lappeenrannan
Kunnat: Lappeenranta, Imatra
Jakeluosoite: LUT, PL 20
Postinumero: 53851
Postitoimipaikka: Lappeenranta
Suunniteltu: 0, joihin työllistyvät naiset 0
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joihin työllistyvät naiset 0.00
Suunniteltu: 0, joista naisten perustamia 0
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joista naisten perustamia 0.00
| Välitön | Välillinen | |
| Ekologinen kestävyys | ||
| Luonnonvarojen käytön kestävyys | 10 | 0 |
| Hankkeen tavoitteena on äärimmäinen materiaali- ja energiatehokkuus | ||
| Ilmastonmuutoksen aiheuttamien riskien vähentäminen | 9 | 0 |
| Aurinkotalouden ja energiatehokkuuden edistäminen | ||
| Kasvillisuus, eliöt ja luonnon monimuotoisuus | 0 | 5 |
| Ilmastonmuutoksen vastainen taistelu | ||
| Pinta- ja pohjavedet, maaperä sekä ilma (ja kasvihuonekaasujen väheneminen) | 0 | 8 |
| CO2 päästöjen minimointi | ||
| Natura 2000 -ohjelman kohteet | 0 | 0 |
| Taloudellinen kestävyys | ||
| Materiaalit ja jätteet | 10 | 0 |
| Korkea materiaalitehokkuus, akkuihin tarvittavien harvinaisten maametallien louhinta ja käyttö vähennetään, komponenttien helppo kierrätettävyys | ||
| Uusiutuvien energialähteiden käyttö | 0 | 9 |
| Aurinkotalouden peruskomponentti | ||
| Paikallisen elinkeinorakenteen kestävä kehittäminen | 9 | 0 |
| Uuutta valmistavaa teollisuutta ja liiketoimintaa alueelle | ||
| Aineettomien tuotteiden ja palvelujen kehittäminen | 0 | 8 |
| Suurnopeussähkökäytön anturointi mahdollistaa prosessien monitoroinnin (IoT), josta teknologiayritykset voivat kehittää | ||
| Liikkuminen ja logistiikka | 0 | 8 |
| Akkujen materiaalien säästö pienentää logistiikkakuluja | ||
| Sosiaalinen ja kulttuurinen kestävyys sekä yhdenvertaisuus | ||
| Hyvinvoinnin edistäminen | 4 | 0 |
| Uudet työpaikat luovat uutta hyvinvointia | ||
| Tasa-arvon edistäminen | 3 | 0 |
| Passiivista edistämistä, naiset ovat varsin tervetulleita tekniselle alalle | ||
| Yhteiskunnallinen ja kulttuurinen yhdenvertaisuus | 0 | 0 |
| Kulttuuriympäristö | 0 | 0 |
| Ympäristöosaaminen | 0 | 8 |
| Liikenteen energiatehokkuuden parantaminen | ||
Hankkeen tavoitteena oli selvittää, onko mikrokaasuturbiinitekniikalla potentiaalia nousta ajoneuvojen tulevaisuuden voimanlähteeksi tilanteessa, jossa sähkön varastointi esim. vetynä on noussut merkittävään rooliin. Tätä on tarpeen tutkia, sillä näyttää vahvasti siltä, että luonnonvarojen niukkuus ja akkutekniikan kehityksen rajat johtavat siihen, että ns. täyssähköautot eivät voi kokonaan ratkaista tulevaisuuden liikkumistarpeita. Vuotuinen 100 miljoonan henkilö- ja 20 miljoonan raskaan ajoneuvon tuotanto vaatisi täyssähköisenä niin paljon materiaaliresursseja, että niitä ei näytä maapallolla olevan olemassa. Toinen sähköautoiluun liittyvä ongelma on se, että sähköauton käyttämän energian pitäisi olla täysin hiilineutraalia. Jos otetaan vaikkapa Tesla Model 3 ja ajetaan sillä Saksassa ruskohiilivoimalla, ovat ajoon käytetyn energian hiilidioksidipäätöt yli 200 g/km.
AMP-hankkeessa oletettiin, että tulevaisuudessa on käytössä aurinko- tai tuulisähköllä tuotettua vetyä tai hiilivetyä, esim. metaania, jota voidaan käyttää energiavarastona tulevaisuuden sähköautoissa. Sensijaan, että auto kuljettaisi aina mukanaan erittäin raskasta akkua (150 Wh/kg), sen pitkä ajomatka voidaan taata käyttämällä esim. kevyttä vetyä energiavarastona. Vedyn alempi lämpöarvo on 120 MJ/kg, joka vastaa 33.3 kWh/kg. Tämä on perinteisiin polttonesteisiin verrattuna noin kolminkertainen.
Kaasuturbiinin hyötysuhde riippuu kovin laitoksen järjestelystä. AMP-henkkeessa on lähdetty siitä, että kaasun kompressointi on kaksivaiheinen, jolloin ilmavirtaus voidaan välijäähdyttää. Toisen kompressointiaiheen jälkeen on tehokas rekuperaattori, jolla pakokaasujen lämpö saadaan paloilmaan.
Viimeisin järjestelmä sisältää kaksi pyörivää akselia, joista ns. korkapaineakseli toimii kaasugeneraattorina. Toisin sanoen tämä akseli muistuttaa perinteistä turboahdinta. Akselilla ei ole generaattoria. Vain matalapaineakselilla on generaattori, joten tehoelektroniikkajärjestelmiäkään ei tarvitse kahdentaa.
Polttokammio voidaan optimoida mille tahansa nestemäiselle tai kaasumaiselle polttoaineelle. Tällä järjestelyllä on mahdollista saada mikrokaasuturbiinin terminen hyötysuhde korkeammaksi kuin 40 %.
Hankkeessa on käytetty paljon aikaa prosessioptiointiin ja sen seurauksena on useaan kertaan suunniteltu laitoksen muita osia kuten lämmönvaihtimia, pyöriviä akseleita ja pyöriviä sähkökoneita sekä tehoelektroniikkaa.
Hankkeen yhteydessä on löydetty lähellä kaupallista tuotetta oleva laakerointikonsepti. Yli 100 000 r/min pyörivä akseli voidaan laakeroida luotettavasti käyttäen turboahtimista tuttua kuulalaakeritekniikkaa ja öljykalvoon perustuvaa passiivista vaimenninta.
Sähkökoneeksi soveltuu parhaiten kestomagneettitahtikone. Kompaktin koneen jäähdytysratkaisuksi ehdotetaan staattorin suoraa öljyjäähdytystä laakeroinnissa käytettävällä öljyllä.
Järjestelmän jännitetaso kannattaa tutkimuksen mukaan nostaa lähelle ajoneuvon akun jännitetasoa, jolloin ei tarvita nostavaa tehohakkuria.
Sähkötekniikan suhteen hyötysuhteen maksimointiajatus on keskeinen, sillä termisen hyötysuhteen jälkeen ei juuri ole varaa hukata energiaa häviöihin, jotta lopullinen sähköntuotantohyötysuhde olisi lähellä tavoiteltu 40 %:a.
Useiden suunnittelukierrosten jälkeen olemme vakuuttuneet siitä, että tällaiseen kaksiportaiseen kompressointiin perustuva mikrokaasuturbiini on toteutettavissa lähes 40 % hyötysuhteella.
Erityisiä haasteita laitteen toteuttamisessa prototyyppiasteelle asettaa valmistustekniikka. Uusimmat valmistustekniikat, kuten 3D tulostus, voivat auttaa kilpailukykyisen kokonaisuuden kehittämisessä.