Euroopan unionin alueella menetetään vuosittain miljardeja euroja tehoelektroniikkalaitteiden energiahäviöihin. Suomessa vuotuinen energiahäviö on arviolta vähintään 90 miljoonaa euroa.
Tampereen yliopiston sähkömekaniikan tenure track -tutkija Paavo Rasilo sai EU-rahoituksen tutkimukselle, jossa kehitetään malleja tehoelektroniikkalaitteiden energiahäviöiden syntymekanismien ymmärtämiseksi ja niiden pienentämiseksi. Rasilo on ensimmäinen uuden Tampereen yliopiston tutkija, joka on saanut Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) apurahan.
Viisivuotinen 1,5 miljoonan euron ERC Starting Grant on tarkoitettu huippututkijoille, joilla on 2–7 vuoden kokemus väitöskirjansa valmistumisen jälkeen. Tutkimusneuvosto myönsi yhteensä 603 miljoonaa euroa 408 eurooppalaiselle tutkijalle Horisontti 2020 -ohjelmasta.
Rasilo voi palkata apurahan avulla uusia tutkijoita tutkimusryhmäänsä, johon kuuluu nyt hänen lisäkseen neljä väitöskirjatutkijaa ja yksi postdoc-tutkija.
– Apuraha kertoo siitä, että tämä meidän tutkimuksemme kiinnostaa maailmalla ja se koetaan tärkeäksi. Tämä lisää motivaatiota jatkaa hommia, Rasilo kertoo.
Hiilipäästöt pienenevät, energiatehokkuus paranee
Paavo Rasilo sai ERC-rahoituksen johtamalleen tutkimushankkeelle, jossa kehitetään mallinnustyökaluja tehoelektroniikkalaitteissa käytettävien magneettisten komponenttien energia- ja materiaalitehokkuuden parantamiseksi.
Tehoelektroniikkaa käytetään sähköenergian muokkaukseen esimerkiksi tasavirrasta vaihtovirraksi tai toisinpäin. Tehoelektroniikkaa tarvitaan esimerkiksi sähkömoottorien ohjaukseen, ja sitä löytyy myös monista kodin laitteista, kuten tietokoneiden teholähteistä ja latureista.
Suuri osa tehoelektroniikkalaitteiden painosta ja energiahäviöistä johtuu niissä tarvittavista magneettisista komponenteista eli rautasydämisistä kuristimista ja muuntajista.
Rasilo arvioi, että 30 prosenttia kaikesta tuotetusta sähköenergiasta kulkee nykyisin tehoelektroniikkalaitteiden läpi. Osuuden odotetaan nousevan 80 prosenttiin 10–15 vuoden aikana.
Laitteiden lisääntyminen johtuu siitä, että tulevaisuuden älykkäässä sähköverkossa käytetään nykyistä enemmän tasavirtaa. Myös uusiutuvien energialähteiden kuten tuulivoiman ja aurinkopaneelien sekä datakeskusten kytkeminen verkkoon vaatii ympärilleen tehoelektroniikkaa.
Rasilon kehitteillä olevat mallit auttavat pienentämään sähköenergian muokkauksesta johtuvia hiilidioksidipäästöjä. Mallit edesauttavat sitä, että Suomi voi paremmin saavuttaa Euroopan komission sille asettamat päästötavoitteet.
Hävikit tunnetaan, keinot puuttuvat
Paavo Rasilo sanoo, että merkittävä energiahävikki on laajasti tiedossa, mutta keinoja sen pienentämiseksi ei ole olemassa. Sähkötekniikan alalta puuttuu tehokkaita mallinnustyökaluja siihen, miten voitaisiin suunnitella pienemmän sähköhävikin laitteita.
– Pyrimme kehittämään menetelmiä, joilla pystytään tarkemmin ymmärtämään häviöiden syntymekanismeja magneettisissa materiaaleissa ja käämityksissä. Kun ilmiöt ymmärretään paremmin, voivat insinöörit suunnitella parempia laitteita.
Rasilo sanoo, että usein joudutaan tekemään kompromisseja tehotiheyden ja hyötysuhteen välillä. Tehotiheys tarkoittaa siitä, miten paljon tehoa pystytään siirtämään kilogramman painoisella laitteella.
– Voidaan käyttää paljon materiaalia, millä saadaan hyötysuhde paremmaksi, mutta paino kasvaa eli pitää tehdä kompromisseja tehotiheyden ja hyötysuhteen välillä.
Tutkija mallintaa, insinööri valmistaa
Paavo Rasilo tutkimusryhmineen pyrkii tekemään mahdollisimman helpoksi sen, että heidän kehittämänsä uudet menetelmät voidaan ottaa käyttöön tehoelektroniikkalaitteiden suunnittelutyössä.
– Olennaista on pystyä tekemään parempia laitteita, mutta me emme itse rupea parantamaan laitteiden hyötysuhdetta täällä. Me pyrimme luomaan menetelmiä, joita yritykset voivat käyttää ympäri maailman, Rasilo sanoo.
Rasilo ei ota kantaa siihen, milloin hänen mallinnuksensa pohjalta syntyvät laitteet saadaan käyttöön.
– Tämä on viisivuotinen projekti, mutta ei muutos niin nopeasti tapahdu. Pitää ymmärtää, että nämä laitteet lisääntyvät koko ajan ja tällä hetkellä ei ole olemassa malleja, joilla pystyttäisiin näitä hävikkejä tarkkaan laskemaan. Mitä aikaisemin menetelmät tuodaan saataville, niin sitä aikaisemmassa vaiheessa me pystymme hyötymään niistä sitä mukaa, kun laitteet lisääntyvät.
Tietokoneilta vaaditaan suurta laskentatehoa
Tehoelektroniikkalaitteiden magneettisten komponenttien energiahävikin laskeminen tarkoilla geometrisillä malleilla on vaikeaa, koska laskentataakka on nykyisille tietokoneille valtavan suuri. Koneiden teho ei riitä.
– Jos halutaan ymmärtää, mitä magneettisissa komponenteissa tapahtuu, niin sähkömagneettiset kentät tulee ratkaista numeerisesti tietokoneella. Esimerkiksi käämeissä voi olla satoja pieniä rinnakkaisia johdinlankoja, minkä vuoksi laskentamallit kasvavat mahdottoman suuriksi, Paavo Rasilo sanoo.
Käytännön suunnittelutyötä varten pitää Rasilon mukaan pyrkiä sellaisiin laskentamenetelmiin, joita oikeasti pystytään käyttämään arkipäivän työssä.
Gentin kautta Tampereelle
Paavo Rasilo on 36-vuotias sähkömekaniikan tenure track -tutkija Tampereen yliopiston informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnassa.
Rasilo väitteli sähkötekniikasta vuonna 2012 Aalto-yliopistossa Otaniemessä, työskenteli sen jälkeen post doc -tutkijana Aallossa ja vierailevana tutkijana Gentin yliopistossa Belgiassa. Tampereella hän on ollut vuodesta 2015 saakka.
– Suomi tunnetaan meidän alallamme erityisesti sähkökoneisiin liittyvästä tutkimuksesta, tehoelektroniikasta ja teoreettisesta sähkömagnetiikasta. Me pyrimme yhdistämään numeerisen sähkömagnetiikan näihin tehoelektroniikan sovelluksiin, Rasilo sanoo.
Teksti: Heikki Laurinolli
Kuvat: Jonne Renvall
www.tut.fi