Oulun ammattikorkeakoulu
ePooki 89/2019

Oulussa kehitetään energiatekniikan oppimista

Metatiedot

Nimeke: Oulussa kehitetään energiatekniikan oppimista. Teoksessa M. Paldanius (toim.) Oulun alueen ja Pohjois-Suomen kehitystä tuetaan monipuolisella tutkimus-, kehitys- ja innovaatiotyöllä

Tekijä: Korhonen Markku; Ylikunnari Jukka; Pitkänen Ismo; Jäävirta Tomi; Tervaskanto Manne

Aihe, asiasanat: energiateknologia, korkeakouluopetus, korkeakoulut, yhteistyö

Tiivistelmä: Oulun ammattikorkeakoulu ja Oulun yliopisto kehittävät yhdessä uusia oppimisympäristöjä energiatekniikan alalla. Toimenpiteet kohdistuvat laaja-alaisesti useille energiatekniikan osa-alueille lähtien energian tuotannosta ja edeten energia siirron kautta aina kulutukseen. Sovellusaloina on uusiutuvat energiantuotantotavat, älykkäät energian jakelutekniikat ja kuluttajasovellukset sekä koko ketjua ohjaavat automaatioratkaisut. Tavoitteena on että ammattikorkeakoulun ja yliopiston opiskelijat tutustuvat energiajärjestelmien toimintaan ja osallistuvat niiden tutkimukseen ja kehitykseen jo opiskeluaikana. Tavoitteen saavuttamiseksi on käynnistetty yhteisiä kehityshankkeita joissa oppimisympäristöjä ja niissä toteuttavia oppimismoduuleita toteutetaan ja testataan. Automaation opetuksessa yhteistyössä tehtyjä ympäristöjä on jo otettu käyttöön. Energiatekniikka kattaen lämpö- ja sähkötekniset sovellukset on tulossa seuraavassa vaiheessa kun Oulun ammattikorkeakoulu siirtyy Oulun yliopiston yhteyteen Linnanmaan kampukselle. Tässä yhteydessä otetaan käyttöön hybridilaboratorio, jossa kaikkia näitä toimia harjoitetaan. Tuloksena olevissa ympäristöissä opitaan ymmärtämään ilmiöitä simulaatiomalleja, digitaalisen kaksosta, käyttäen ja todentaminen tapahtuu todellisia järjestelmiä käyttäen.

Julkaisija: Oulun ammattikorkeakoulu, Oamk

Aikamääre: Julkaistu 2019-12-11

Pysyvä osoite: http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2019110536727

Kieli: suomi

Suhde: http://urn.fi/URN:ISSN:1798-2022, ePooki - Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut

Oikeudet: CC BY-NC-ND 4.0

Näin viittaat tähän julkaisuun

Korhonen, M., Ylikunnari, J., Pitkänen, I., Jäävirta, T. & Tervaskanto, M. 2019. Oulussa kehitetään energiatekniikan oppimista. Teoksessa M. Paldanius (toim.) Oulun alueen ja Pohjois-Suomen kehitystä tuetaan monipuolisella tutkimus-, kehitys- ja innovaatiotyöllä. ePooki. Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut 89. Hakupäivä 28.5.2020. http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2019110536727.

Oulun ammattikorkeakoulu ja Oulun yliopisto kehittävät yhdessä uusia ratkaisuja energiatekniikan oppimiseen. Ratkaisuissa hyödynnetään toisiaan vastaavia simulaatiomalleja ja todellisia ympäristöjä. Kehitettävillä menetelmillä saavutetaan sekä tehokkuutta että kokonaisvaltaista energiajärjestelmien ymmärrystä.

Kuva: Shutterstock

KUVA: Stanisic Vladimir/Shutterstock.com

Nykyaikainen energiajärjestelmä oppimisympäristönä

Konseptin keskeisenä tavoitteena on luoda toimiva energiatekninen yhteistyökonsepti energia-, talotekniikka- ja sähköautomaatioaloille koulutuksen kehittämiseen, tutkimukseen ja yritysyhteistyöhön. Oulun ammattikorkeakoulu (Oamk) ja Oulun yliopisto kehittävät koulutusta ja panostavat tulevaisuuden vähähiilisten energian tuotantomuotojen ja älykkään energian käytön innovointiin, tutkimukseen ja suunnittelu- ja palvelutoimintaan. Tämä mahdollistaa korkeakoulujen koulutusyhteistyön pitkäjänteisen laadullisen kehittämisen koulutusalojen välillä sekä luo edellytyksiä lisätä tutkimus-, kehitys- ja innovaatio (tki) -yhteistyötä Oulun seudun yritysten kanssa niin teknologisessa kuin taloudellisessa mielessä.

Energiaan liittyvät palvelukonseptit ovat keskeinen osa nykyaikaista energiajärjestelmää ja Energy as a Service -ajattelu ohjaa kehitettävää konseptia. Energy as a service sisältää sekä teknisen että businessnäkökulman. Älykäs energiaratkaisu tarjoaa mahdollisuuden uusien palvelukonseptien ideoimiseen ja testaamiseen. Energian säästämisen lisäksi tarvitaan älykästä ohjaustekniikkaa, energian varastointia ja asiakaslähtöisiä palveluja. Nämä tarpeet korostuvat erityisesti, kun uusiutuvia energialähteitä otetaan käyttöön. Tulevaisuuden 5G-verkko mahdollistaa uusien innovaatioiden kehittämisen rakennettavassa ympäristössä.

Oppimisympäristöissä on tavoitteena tutkia ja ratkaista aitoja, yrityksistä saatuja energiateknisiä ongelmia eli ne toimivat innovaatioalustana, jossa alueen yritykset voivat yhdessä oppilaitosten henkilöstön ja opiskelijoiden kanssa kokeilla ja kehittää uusia tuotteita tai tuoteominaisuuksia. Esimerkiksi älykkäässä energiaverkossa kiinteistö kykenee sekä tuottamaan energiaa että säätelemään automaattisesti energiankulutustaan ostamalla, varastoimalla ja kuluttamalla energiaa kulloisenkin tarpeen mukaan. Koska uusiutuva energia on sääriippuvaista, on sen tuotanto ajoittaista. Yhdistämällä perinteisten toimialojen osaaminen on mahdollista luoda uusia menetelmiä opetukseen ja edelleen teknisten ratkaisujen suunnitteluun, testaamiseen ja tarjota uusille vähähiilistä yhteiskuntaa toteuttaville innovaatioille tulevaisuuden kehitysalusta, jossa syntyy toimintamalleja energiansäästämiseen, kaupallisten tuotteiden ja palvelujen synnyttämiseen.

Oppiminen tapahtuu sekä simulaatio- että todellisissa ympäristöissä. Simulaatioympäristön etuna on, että sitä voidaan käyttää ajasta ja paikasta riippumatta sekä niiden avulla voidaan tutustua aihealueen ongelmiin nopeasti ja turvallisesti. Esimerkiksi voidaan lisätä aurinko- tai tuulienergialähteitä ja energian talteenottokomponentteja, tehdä virityksiä ja säätöjä ja suorittaa optimointia sekä koeajoja tehden mittauksia ja tuloksia analysoiden. Kun simuloiden on saavutettu riittävä ymmärrys kyseisen järjestelmän toiminnasta, voidaan siirtyä tutustumaan ja kokeilemaan todellista ympäristöä. Simulaatiomallien ja vastaavien todellisten ympäristöjen rinnakkaisuus vähentää aikatarvetta reaaliaikaisiin testauksiin ja siten mahdollistaa järjestelmien tehokkaamman käyttöasteen ja useiden ryhmien rinnakkaisen toiminnan. Lisäksi simulaatiomallien avulla voidaan helposti tarkastella ratkaisujen ympäristövaikutuksia (kuvio 1).

Oppimisympäristön periaatteellinen sisältö

KUVIO 1. Oppimisympäristön periaatteellinen sisältö

Seuraavassa tarkastellaan tulevaisuuden oppimis- ja tki-ympäristöjä eri toimialojen näkökulmasta. Ne toimivat jo yksittäisinä ympäristöinä mutta verkottuneena ne tarjoavat todellisen mahdollisuuden kehittää ja tutkia tulevaisuuden älykkäitä energiajärjestelmiä aina energian tuotannosta siirron kautta kulutukseen.

Lämpöenergiajärjestelmät hajautetussa energian tuotannossa

Lämpöenergiaa voidaan uudessa oppimisympäristössä (EasLab-hanke) tuottaa joustavasti laboratorion sisäiseen lämpöverkkoon sekä simuloiden todellisen lämpöverkon eri kulutus- ja tuotantotilanteita. Lämmöntuottajina toimivat erilaiset biopolttoaineet, aurinko sekä erilaiset lämpöpumppuratkaisut. Kaikki liitettävien laitteistojen ohjaus- ja säätöjärjestelmät liitetään ylemmän tason automaatioverkkoon, jonka kautta kerätään kattavasti dataa jokaisesta mittaus- ja ohjauspisteestä. Näin oppimisympäristöllä opiskelijat pääsevät tutustumaan nykyaikaiseen, monimuotoiseen ja joustavaan lämpöenergiajärjestelmään sekä käytännössä että kattavalla virtuaaliympäristöllä. Lämpöenergiajärjestelmään voidaan myös joustavasti liittää tutkimus- ja oppimismielessä lähes mitä hyvänsä lämmöntuotantolaitteistoja. Lämpöenergiajärjestelmän avulla opitaan perusteet nykyaikaisen, monimuotoisen ja hajautetun lämmöntuotannon toiminnasta.

Useat energiatekniikan opiskelijat pääsevät tki-hankkeiden kautta osallistumaan myös erilaisten lämpö- ja sähköenergiajärjestelmien suunnitteluun ja kehitykseen. Näistä esimerkkeinä H-CHP-hanke, jossa suunnitellaan ja rakennetaan microkokoluokan CHP-pilot-laitteistoa. Pelkästään tähän hankkeeseen on osallistunut noin 10 opiskelijaa. Toisena esimerkkinä SmartRenew-hanke, jossa niin ikään useat opiskelijat ovat päässeet suunnittelemaan ja analysoimaan pienen kokoluokan hajautettuja energiajärjestelmiä.

Sähkön tuotanto ja jakelujärjestelmät

Sähkötekniikan opetuksessa kiinnitetään huomiota entistä enemmän älykkääseen sähköverkkoon, jossa tuodaan esille ja testataan erilaisia sähkön käytön joustomahdollisuuksia sekä omaa tuotantoa aurinkopaneeleiden sekä generaattorin avulla. Osa laboratoriolaitteista on kytketty kysyntäjouston piiriin. Joustoon liittyviä algoritmeja voidaan kehittää ja kokeilla perustuen esimerkiksi sähkömarkkinoilta saataviin hintatietoihin. Osana kysyntäjoustoa ja älysähköverkon tehotasapainon hallintaa testataan sähköautojen kaksisuuntaisen latauksen mahdollisuutta. Omaa tuotettua sähköä varastoidaan akustoon ja superkondensaattoreihin, joiden avulla voidaan edelleen toimia omavaraisesti koko hybridilaboratorioalueella niin sanottuna saarekeverkkona. Saarekekäytön saumaton hallinta on keskeinen asia nykyajan jakeluverkoissa, jota nyt pystytään harjoittelemaan oikeassa ympäristössä. Ylijäävää sähköntuotantoa käytetään hyödyksi kampusalueen muissa rakennuksissa.

Laboratorion sähköverkko sisältää myös sähkön laatuun liittyvää mittaamista esimerkiksi harmonisten yliaaltojen suhteen. Erilaisten häiriölähteiden vaikutusta voidaan myös demonstroida aiheuttamalla yhtäällä keinotekoista häiriötä ja toisaalla suodattamalla niitä pois. Älysähköverkkoa monitoroidaan ja ohjataan uusimmilla ohjelmistoilla, jossa kerättyä dataa tallennetaan tietokantoihin mahdollistaen esimerkiksi aurinkopaneelien kesäajan tuottotietojen analysoinnin talviaikaan. Myöhemmässä vaiheessa tavoitteena on luoda digitaalinen kaksonen, jossa luodaan matemaattinen malli olemassa olevasta sähköverkosta. Tämä mahdollistaa erilaiset verkon simuloinnit, joiden tuloksia voidaan verrata oikeasta ympäristöstä saatuihin kokemuksiin. Älysähkökokonaisuuteen kuluu myös DALI-valaisimet, joiden toimintaa voidaan opettaa aidossa ympäristössä.

Talotekniikka 

Uusien mahdollisuuksien lisäksi uudet oppimisympäristöt luovat hyvän pohjan myös perusteiden opettelulle. Oppimisympäristöjen suunnittelussa on otettu huomioon nykyisissä tiloissa olevia haasteita ja tehty muutoksia. Esimerkkinä tästä toimii omakotitalokokoluokan ilmanvaihtokanavisto, joka uusissa tiloissa toteutetaan seinäasenteisena. Tämä asennustapa helpottaa laboratorioharjoitteiden suoritusta, koska tikkaiden kanssa toimiminen jää pois. Lisäksi uusiin tiloihin saadaan kattavasti esille eri ilmanjakojärjestelmiä ja myös eri teknisiä ratkaisuja esimerkiksi lämmöntalteenottoon liittyen. Lämmityksen osalta uuteen oppimisympäristöön on tavoitteena toteuttaa oma kaukolämpöverkko, jota voidaan ohjata omien tarpeiden mukaan. Oma verkko mahdollistaa verkon käytön talviolosuhteiden arvoilla keväällä ja syksyllä. Aikaisemmin tämä ei ole ollut mahdollista, koska verkko on ollut sama kuin kiinteistön verkko.

Energiajärjestelmien automaatio ja tietotekniikka 

Teollisuuden digitalisaation edetessä oppilaitosten on muokattava oppimisympäristöjään vastaamaan työelämän muuttuvia tarpeita. Oululaiset automaatiotekniikan koulutusorganisaatiot ovat kehittäneet uutta keskitettyä digitaalista oppimisympäristöä (DigiAuto-hanke) ja uudenlaista toimintamallia automaatiokoulutukseen (EduAuto-hanke). Mukana ovat kaikki alueen ammatillisen koulutuksen kouluttajat (Oamk, Oulun yliopisto, Oulun seudun ammattiopisto) ja tämä muodostaa uudenlaisen eri kouluttajien välisen toimintaympäristön. Hankkeiden kohteina ovat olleet opetusympäristöjen kehitystyö sekä pilotoidut automaatiototeutukset. 

Toteutuksilla tarkoitetaan vähintään kahden eri oppilaitoksen välisiä yhteisprojekteja. Ideana on ollut yhdistää samaan projektiin automaatio-osaamista erilaisista lähtökohdista, tämähän vastaa usein myös käytännön työelämän projektitoteutusta. Tiimityö tulevien automaatioinsinöörien, -asentajien ja -asiantuntijoiden kesken nousee tämän mahdollisuuden myötä aivan uudelle tasolle ja lisää opintoihin todentuntua ennennäkemättömällä tavalla. Tosielämän tapaan he pystyvät työskentelemään yhteisissä projekteissa sen sijaan, että kukin opiskelija harjoittelisi vain oman alansa taitoja. 

Modernin teknologian ja kehittyneiden työkalujen ansiosta oppiminen ei ole enää sidoksissa tiettyyn luokkahuoneeseen ja rajalliseen määrään tietokoneita. Opiskelijat pääsevät järjestelmään etäyhteydellä omilta kannettaviltaan missä ja milloin tahansa. Uutta oppimisympäristöä käyttää noin 200 opiskelijaa. Luvussa on mukana opiskelijoita myös Oulun yliopistosta ja Oulun seudun ammattiopistosta.

Energiajärjestelmät

Hankkeissa on investoitu uuteen teknologiaan ja uusien yhteistyömuotojen kehittämiseen. Hankittua teknologiaa käytetään prosessiautomaation, tuotantoautomaation, rakennusautomaation sekä teollisuuden tietojärjestelmien kouluttamiseen kuvion 2 mukaisesti. Yhteisinä tekijöinä ovat IoT, digitalisaatio sekä mainittu etäkäytettävyys.

DigiAuto-hankkeen hankintalinjat

KUVIO 2. DigiAuto-hankkeen hankintalinjat

Keskeisimpänä rakennusautomaation hankintana on laivakonttiin rakennettu energia- ja LVI-tekniikkaa sisältävä hybridijärjestelmä. LVI-kontti on kokonaisuus, joka sisältää useita eri järjestelmiä ja prosesseja. Nämä on sijoitettu prosessitilana toimivan merikontin sisä- ja ulkopuolelle. Kontin katolla on aurinkopaneelisto ja tuuligeneraattori mastoineen. Kontin toiselta sivuseinältä löytyvät aurinkokeräimet. Päätyseinään on kiinnitetty sähköauton latauspisteet, kontin sähkönsyöttöön käytettävät pistorasiat ja kiinteistöautomaatioon liittyviä laitteita. 

Kontin sisäpuolelta löytyy varsinainen prosessitila. Prosesseja ja niihin liittyvää laitteistoa kontissa on paljon. Ilmavesilämpöpumpulla voidaan lämmittää tai viilentää konttia. Lämminvesivaraaja varastoi lämmitykseen käytettävän veden. Lämmönjakokeskus ohjaa varastoidun veden joko kontin lämmitykseen tai käyttöveden lämmitykseen. Ilmanvaihto hoidetaan kahdella eri ilmanvaihtokoneella. Näihin prosesseihin kuuluu lukuisia antureita ja toimilaitteita. Tämän lisäksi kontissa on paljon esimerkiksi kiinteistöautomaatioon ja sähkönjakeluun liittyvää laitteistoa. Kontti on siis hyvin laaja kokonaisuus ja automaation näkökulmasta se mahdollistaakin hyvin erityyppisiä moderneja rakennusautomaation harjoitusympäristöjä (kuvio 3).

Rakennusautomaation oppimisympäristön teknologiaa

KUVIO 3. Rakennusautomaation oppimisympäristön teknologiaa

Laitteistoa ohjataan Fidelixin automaatiojärjestelmällä. Laitteiston etäohjauksessa hyödynnetään Tosibox-tekniikkaa. Lisäksi Fidelix on toimittanut taloteknisten järjestelmien simulointiympäristön. Suojattua 4G yhteyttä hyväksi käyttäen voidaan kontin mittaus- ja ohjaustietoja lukea muun muassa OPC-linkin kautta myös muihin Oamkin automaatiolaboratorion historiatietokantoihin. Tämä mahdollistaa muun muassa pitkäaikaisen LVI-prosessin monitoroinnin, hälytystiedon käsittelyn ja etäkonfiguroinnin.    

Yhteisiin oppilaitosten välisiin hankkeisiin liittyen opiskelijat ovat ottaneet yhteistyön vastaan myönteisesti ja osallistuminen on ollut aktiivista. Yhteishankkeiden voidaankin sanoa antavan hyvän valmennuksen eri automaatioalan tehtäviin liittyviin työelämärooleihin. 

    Kommentit

    blog comments powered by Disqus