Sähköverkot useimmissa kehittyneissä maissa toimivat edelleen keskitetyn tuotantomallin mukaisesti, jolloin sähköä tuotetaan suuressa mittakaavassa fossiilisia polttoaineita käyttävissä voimalaitoksissa sekä ydinvoimalaitoksissa ja jaetaan useille loppukäyttäjille suurjännitejohtoverkon kautta1.
Tätä mallia suositaan osittain mittakaavaedun vuoksi sekä nopean teollistumisen ja tehokkaan energiahuollon tarpeen vuoksi 2. Se tarjoaa jatkuvaa ja luotettavaa tehoa, joka on sovitettu hyvin vakiintuneiden ja ymmärrettyjen kysyntäprofiilien mukaan. Tämä on tärkeää, koska vakaan sähköverkon ylläpitämiseksi tuotanto ja kysyntä on tasapainotettava taajuusvaihtelujen välttämiseksi.
Siirtyminen hajautettuihin energiajärjestelmiin
Toimintaympäristö kuitenkin muuttuu. Maailmanlaajuiset pyrkimykset hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi energiajärjestelmistä ja ilmastonmuutoksen vaikutusten torjumiseksi johtavat uusiutuvien energialähteiden, kuten tuulen, aurinkoenergian ja vihreän vedyn, lisääntyvään integrointiin. Lisäksi kun verkkoon kytketään enemmän epävakaasti kysyttyjä virtalähteitä, kuten sähköajoneuvoja, myös sähkön kysyntä muuttuu hajautetummaksi ja epävakaammaksi 3.
Tämä korostaa enemmän hajautettuja energiajärjestelmiä muuttuvien muuttujien hallinnassa, kuten sektorikytkettyjä järjestelmiä, joissa eri energiasektorit, kuten teollisuus ja sähkö, on kytketty toisiinsa siten, että ne voivat vaihtaa energiaa keskenään 4 – ja puskuroida (varastointiin) joustavuuden vuoksi. 5.
Tässä uudessa hajautetussa energiaympäristössä perinteisempi suunnittelutapa, jossa luodaan suuria ohjausjärjestelmiä – joista puuttuu standardointi moduulitoimittajien, järjestelmäintegraattoreiden ja laitosten omistajien välillä – ei ehkä ole enää tehokkain lähestymistapa. Sen sijaan toimintolähtöinen lähestymistapa voisi olla tehokkaampi prosessimoduuleissa tai laitteissa, jotka ovat joustavuuden ja puskuroinnin elementtien vieressä. OEM-näkökulmasta tämä olisi otettava huomioon jo suunnitteluvaiheessa.
Modulaarinen lähestymistapa automaatioon
Sen sijaan modulaariset automaatiojärjestelmät tunnustetaan yhä enemmän tehokkaaksi tavaksi tukea siirtymistä kohti hajauttamista. Tämäntyyppiset teknologiaratkaisut hyötyvät standardoinnista ja vaihdettavista moduuleista, jotka mahdollistavat esikokoonpanon, testauksen ja saumattoman integroinnin useisiin eri järjestelmiin, vähentäen valmistukseen ja kokoonpanoon liittyvää monimutkaisuutta ja kustannuksia 6.
Tämä saavutetaan Module Type Package (MTP) -standardin avulla, joka mahdollistaa yhteen toimivuuden minkä tahansa MTP-kehyksessä kehitetyn moduulin ja orkestrointijärjestelmän välillä.
Tässä skenaariossa Distributed Control System (DCS) toimii prosessin orkestrointijärjestelmänä, joka hallitsee modulaaristen aliyksiköiden toimintaa. MTP sisältää kaikki tarvittavat tiedot moduulin integroimiseksi laitokseen, kuten viestinnän, palveluiden ja käyttöliittymän (HMI) kuvaukset ja huoltotiedot.
ABB on julkaissut maailman ensimmäisen kaupallisen modulaarisen prosessiautomaatioratkaisun, joka yhdistää ensimmäisenä orkestrointikerroksen ja MTP-teknologiaan integroidun moduulikerroksen 7.
Standardit, kuten VDI/VDE/NAMUR 2658, antavat ohjeita, jotka koskevat modulaaristen laitosten automatisointia, MTP:n ollessa keskeinen elementti, joka tarjoaa rajapinnan moduulin ja prosessin organisointikerroksen välillä. Monimutkaisten prosessien jakaminen hallittaviin, itsenäisiin moduuleihin lisää toimittajien välistä yhteen toimivuutta, lyhentää käyttöönotto- ja korjausaikaa sekä mahdollistaa laitosten tehokkaan muuntamisen 8.
Suomi johtaa vihreän vedyn rintamaa
Suomi luo polkua globaalissa energiamuutoksessa hyödyntämällä vihreää vetyä ja Power-to-X:ää (P2X) käyttäen sähköä raaka-aineena. Maassa on Euroopan halvinta ja vähiten hiilidioksidipäästöjä aiheuttavaa sähköä, tehokas sähköverkko ja suuret mahdollisuudet laajentaa tuulivoimaa, mikä puolestaan merkitsee vedyn tuotantokapasiteetin huomattavaa lisäystä 9.
Suomen kunnianhimoinen tavoite on olla hiilineutraali vuoteen 2035 mennessä ja tuottaa vähintään 10 prosenttia kaikesta Euroopan unionin vihreästä vedystä vuoteen 2030 mennessä 10.
Suomella on hyvät mahdollisuudet hyödyntää tämä mahdollisuus monien kilpailuetujensa ansiosta: vankka ja puhdas sähköjärjestelmä, kustannuskilpailukykyinen uusiutuvan energian tuotantopotentiaali, runsaat luonnonvarat metsätaloudessa, biogeeninen hiilidioksidi, metallit ja vesi, vakaa liiketoimintaympäristö, hallituksen tuki, korkean teknologian yhteiskunta ja olemassa oleva asiantuntemus aloilla, joiden odotetaan olevan suuria vetytalouden teknologioiden ja palvelujen toimittajia sekä vedyn käyttäjiä.
Suomi voisi saavuttaa yli 14 % kotimaisesta RePowerEU:n tavoitteesta (10 miljoonaa tonnia/v) vuoteen 2030 mennessä puhtaalla vedyn tuotannolla. Teollisuusklusterien ympärille kehittyvät alueelliset verkostot tukemaan uutta puhdasta valmistusta ja teollisuutta koko alueella. Ylimääräistä puhdasta vetyä ja vetyjohdannaisia voitaisiin viedä Suomesta myös muihin kysyntäkeskuksiin, erityisesti Keski-Eurooppaan.
Yhdessä uusien modulaaristen automaatioratkaisujen kanssa, joilla on potentiaalia rakentaa älykkyyttä suuriin teollisiin vetyjärjestelmiin (ks. seuraava osio ABB:n yhteistyöprojektista VTT:n kanssa), tämä on merkittävä kilpailuetu suomalaisille OEM-valmistajille sekä kotimaassa että maailmanlaajuisesti.
ABB, B&R ja VTT: kumppanuuden voimaa
Modularisaation kehittyvässä maailmassa menestymisen avain on kilpailevien teknologiatoimittajien, OEM-valmistajien ja valtiollisten tahojen välinen yhteistyö tehokkuutta lisäävien teknologioiden yhteiskehittämiseksi.
IEA:n11 mukaan yli 70 % potentiaalisesta vähäpäästöisen vedyn vuosituotannosta (38 miljoonaa tonnia vuodessa vuoteen 2030 mennessä) perustuu elektrolyysiin ja vähäpäästöiseen sähköön. Siksi on ratkaisevan tärkeää nopeuttaa elektrolyysilaitteistojen kapasiteetin skaalaa. Yksi tapa saavuttaa tämä on ottamalla käyttöön standardoitu elektrolyysilaitteistojen konsepti, joka perustuu jatkuvaan testaukseen sekä kaikkien projektikumppaneiden ja tuotteiden asiantuntemukseen ja integraatioon, mikä vähentää kustannuksia ja parantaa tuotannon tehokkuutta.
ABB ja VTT, yksi Euroopan johtavista tutkimuslaitoksista, aloittivat äskettäin konseptiprojektin, jossa selvitetään modulaarisen automaation mahdollisuuksia vihreän vedyn tuotannossa. VTT toimitti elektrolyysijärjestelmäteknologian, kun taas ABB:n kone- ja tehdasautomaatiotiimi keskittyi modulaariseen automaatioon ja MTP:hen hyödyntäen OPC UA:ta tiedon mallintamiseen ja viestintään.
MTP käyttää OPC UA:ta tiedon siirtämiseen moduulitason ja orkestrointitason välillä, jolloin edellinen toimii ohjekirjana moduulin käyttämisestä ja siitä, mitä tietoja siirretään rajapinnan avulla. Lopullisena tavoitteena oli ymmärtää, kuinka tämä vetysovelluksen käyttöohje kirjoitetaan.
Yhteistyökumppanit keräsivät tietoa, rakensivat ja testasivat modulaarisia automaatiokonsepteja sekä toteuttivat MTP:n teknisen toteutuksen. Projektin tavoitteena oli myös ymmärtää ja parantaa yhteenliitettävyyttä OEM-moduulitoimittajien ja järjestelmäintegraattoreiden välillä – todellisen liiketoiminta-arvon lisäämiseksi.
Yhteenvetona voidaan todeta, että tällaiset yhteistyöprojektit ovat välttämättömiä testattaessa modulaaristen automaatioratkaisujen tehokkuutta ja luotettavuutta elektrolyysikapasiteetin lisäämisessä, tukemalla siirtymistä kohti energian hajauttamista ja auttamalla varmistamaan, että vihreä vety täyttää potentiaalinsa puhtaaseen energiaan siirtymisessä.
1,3 A digital path to grid code compliance’ - ABB white paper, May 2021
2,5,8 Modular Automation
4 https://www.gridx.ai/knowledge/sector-coupling
6 https://www.ppcanda.com/designing-for-modular-control-automation-systems/
7 https://new.abb.com/control-systems/modular-automation/module-type-package
9, 10 https://h2cluster.fi/wp-content/uploads/2023/06/H2C-H2-Strategy-for-Finland.pdf
11 https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2023/executive-summary
12 Setting the standard for cost-effective green hydrogen production
