MAJAKKA STATE OF THE ART -SELVITYS Digitalisaation työkalupakista eväitä vähähiiliseen teollisuuteen
Hietala, Risto; Isokangas, Ari; Jose, Mitha; Kaakinen, Heikki; Koistinen, Antti; Känsäkoski, Janne; Mäkelä, Jyri; Ruusunen, Outi (2023)
Hietala, Risto
Isokangas, Ari
Jose, Mitha
Kaakinen, Heikki
Koistinen, Antti
Känsäkoski, Janne
Mäkelä, Jyri
Ruusunen, Outi
Centria-ammattikorkeakoulu
2023
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231208152403
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231208152403
Tiivistelmä
Valtioneuvoston tulevaisuusselonteon visiossa Vähäpäästöinen Suomi 2050, nykyisellä Suomen päästöjakaumalla suurimmat säästöt saavutetaan teollisuuden prosessien vähäpäästöisillä ratkaisuilla (Kokkolan kaupunki, 2011). World Economic Forumin mukaan esimerkiksi kemianteollisuuden digitalisaation avulla voidaan maailmaanlaajuisesti vähentää 60–100 miljoonaa tonnia hiilidioksidipäästöjä vuodessa. Digitalisaatio on perusta teollisen tuotannon vähähiilisyystavoitteiden saavuttamiseksi:
Vähähiilisyyttä toteuttaa resurssitehokkuus, jonka osa-alueita ovat kestävästi tuotetut uusiutuvat energiamuodot, materiaalitehokkuus sekä viisas liikkuminen ja kestävä kulutus. Nämä liittyvät monin tavoin toisiinsa. Esimerkiksi materiaalitehokkuuden parantaminen kytkeytyy myös energiatehokkuuden paranemiseen, koska raaka-aineiden ja muiden materiaalipanosten käytön tehostaminen koko tuote- ja tuotantoketjussa useissa tapauksissa vähentää välillisesti myös energian tarvetta. (Maaseutu.fi 2020.)
Digitalisaatio mahdollistaa etätyötä sekä esimerkiksi prosessien etäohjausta ja -valvontaa ja tällä tavoin vähentää liikkumisesta aiheutuvia päästöjä. ”Digitalisaatio, tieto- ja viestintäteknologian yhä laajempi hyödyntäminen yhteiskunnassa tehostaa toimintoja, vähentää niiden paikkasidonnaisuutta ja tuo tarjolle uusia työkaluja ja työmenetelmiä.” (Työ- ja elinkeinoministeriö 2019.) Edellä mainitun lisäksi Työ- ja elinkeinoministeriön mukaan digitalisoituminen ja tieto- ja viestintäteknologian hyödyntäminen ovat Suomelle keskeisiä keinoja lisätä tuottavuutta, vastata julkisen sektorin kestävyysvajeeseen sekä luoda uutta elinkeinotoimintaa.
Majakka-hankkeessa keskiössä ovat digitaaliset tiedonkäsittelymenetelmät, joiden avulla esimerkiksi olemassa olevasta informaatiosta voidaan tuottaa uusia laskennallisia suureita ja arvioida mittaustiedon luotettavuutta. Kasvaneen ymmärryksen ja luotettavan informaation myötä prosesseja voidaan ohjata optimaalisissa olosuhteissa ja hyödyt realisoituvat laitteiden pidempänä elinkaarena, energia- ja resurssitehokkuutena sekä lopulta vähähiilisyytenä (Kuvio 1).
Teollisuudessa pyritään tyypillisesti vähähiilisyystavoitteisiin uusien tuotantolaitteiden avulla, mutta investoinnit tuovat ympäristönsuojelun näkökulman lisäksi usein myös taloudellista hyötyä. Kasvihuonekaasupäästöjen vähentäminen koetaan usein ”pakolliseksi kulueräksi” samalla tavalla kuin rikkidirektiivi, johon on mukauduttava yleisten linjausten mukaisesti. Ympäristökuormituksen minimointi voi aiheuttaa yritykselle kustannuksia, mutta ympäristöekologisella yritysmielikuvalla ainakin osa vähähiilisyyteen tähtäävistä investoinneista saadaan takaisin. Digitaalisten tiedonkäsittelymenetelmien avulla teollista tuotantoa voidaan tehostaa jopa ilman muutoksia tuotantolaitteistoihin. Hankkeen hyötypotentiaalia kuvastaa esimerkiksi autojen ”lastutus”, jolla tarkoitetaan ohjelmistopäivityksen avulla saatuja hyötyjä nykyiseen moottoriin, jolloin tehoa voidaan saada lisää jopa pienemmällä polttoainekulutuksella.
Perinteinen teollisuus on varsin pitkälle automatisoitua, mutta haasteena ovat usein mittauksien kattavuus ja luotettavuus. Useat mittausteknologiat perustuvat epäsuoriin mittauksiin, koska suora mittaaminen voi olla haasteellista tai jopa mahdotonta. Mittalaitteet on tyypillisesti kalibroitu toimimaan tietyissä toimintaolosuhteissa, ja poikkeamat niistä vaikuttavat suoraan virheeseen. Tiedonkäsittelymenetelmiä hyödyntämällä nykyisistäkin mittauksista voidaan saada enemmän irti ja arvioida niiden luotettavuutta. Esimerkiksi soft sensor –tyyppisillä ratkaisuilla pystytään kompensoimaan olosuhdemuutoksia ja tuottamaan jalostettua tietoa sellaisista suureista, joiden mittaaminen on muuten haasteellista.
Digitaalisten tiedonkäsittelymenetelmien lisäksi raportissa esitetään muitakin digitalisaation menetelmiä, joilla voidaan vaikuttaa vähähiilisyyteen. Kirjallisuudessa hyötyjä on kuitenkin raportoitu varsin niukasti – tai ne on raportoitu varsin yleisellä tasolla. Kirjallisuusselvityksessä pyritään ennen kaikkea esittämään tapauksia, joissa on esitetty digitaalisten menetelmien vaikuttavuus prosessien tilan parempaan ymmärtämiseen ja sitä kautta mahdollisuudet prosessien parempaan ohjaukseen. Mahdollisuuksien mukaan hyödyt on raportoitu energia- ja materiaalitehokkuuden tai jopa vähähiilisyyden suhteen. Tässä kirjallisuuskatsauksessa esitellään lisäksi vähähiilisyyteen liittyviä keskeisiä käsitteitä sekä vähähiilisyysvaikutuksen määrittämiseen kehitettyjä työkaluja.
Vähähiilisyyttä toteuttaa resurssitehokkuus, jonka osa-alueita ovat kestävästi tuotetut uusiutuvat energiamuodot, materiaalitehokkuus sekä viisas liikkuminen ja kestävä kulutus. Nämä liittyvät monin tavoin toisiinsa. Esimerkiksi materiaalitehokkuuden parantaminen kytkeytyy myös energiatehokkuuden paranemiseen, koska raaka-aineiden ja muiden materiaalipanosten käytön tehostaminen koko tuote- ja tuotantoketjussa useissa tapauksissa vähentää välillisesti myös energian tarvetta. (Maaseutu.fi 2020.)
Digitalisaatio mahdollistaa etätyötä sekä esimerkiksi prosessien etäohjausta ja -valvontaa ja tällä tavoin vähentää liikkumisesta aiheutuvia päästöjä. ”Digitalisaatio, tieto- ja viestintäteknologian yhä laajempi hyödyntäminen yhteiskunnassa tehostaa toimintoja, vähentää niiden paikkasidonnaisuutta ja tuo tarjolle uusia työkaluja ja työmenetelmiä.” (Työ- ja elinkeinoministeriö 2019.) Edellä mainitun lisäksi Työ- ja elinkeinoministeriön mukaan digitalisoituminen ja tieto- ja viestintäteknologian hyödyntäminen ovat Suomelle keskeisiä keinoja lisätä tuottavuutta, vastata julkisen sektorin kestävyysvajeeseen sekä luoda uutta elinkeinotoimintaa.
Majakka-hankkeessa keskiössä ovat digitaaliset tiedonkäsittelymenetelmät, joiden avulla esimerkiksi olemassa olevasta informaatiosta voidaan tuottaa uusia laskennallisia suureita ja arvioida mittaustiedon luotettavuutta. Kasvaneen ymmärryksen ja luotettavan informaation myötä prosesseja voidaan ohjata optimaalisissa olosuhteissa ja hyödyt realisoituvat laitteiden pidempänä elinkaarena, energia- ja resurssitehokkuutena sekä lopulta vähähiilisyytenä (Kuvio 1).
Teollisuudessa pyritään tyypillisesti vähähiilisyystavoitteisiin uusien tuotantolaitteiden avulla, mutta investoinnit tuovat ympäristönsuojelun näkökulman lisäksi usein myös taloudellista hyötyä. Kasvihuonekaasupäästöjen vähentäminen koetaan usein ”pakolliseksi kulueräksi” samalla tavalla kuin rikkidirektiivi, johon on mukauduttava yleisten linjausten mukaisesti. Ympäristökuormituksen minimointi voi aiheuttaa yritykselle kustannuksia, mutta ympäristöekologisella yritysmielikuvalla ainakin osa vähähiilisyyteen tähtäävistä investoinneista saadaan takaisin. Digitaalisten tiedonkäsittelymenetelmien avulla teollista tuotantoa voidaan tehostaa jopa ilman muutoksia tuotantolaitteistoihin. Hankkeen hyötypotentiaalia kuvastaa esimerkiksi autojen ”lastutus”, jolla tarkoitetaan ohjelmistopäivityksen avulla saatuja hyötyjä nykyiseen moottoriin, jolloin tehoa voidaan saada lisää jopa pienemmällä polttoainekulutuksella.
Perinteinen teollisuus on varsin pitkälle automatisoitua, mutta haasteena ovat usein mittauksien kattavuus ja luotettavuus. Useat mittausteknologiat perustuvat epäsuoriin mittauksiin, koska suora mittaaminen voi olla haasteellista tai jopa mahdotonta. Mittalaitteet on tyypillisesti kalibroitu toimimaan tietyissä toimintaolosuhteissa, ja poikkeamat niistä vaikuttavat suoraan virheeseen. Tiedonkäsittelymenetelmiä hyödyntämällä nykyisistäkin mittauksista voidaan saada enemmän irti ja arvioida niiden luotettavuutta. Esimerkiksi soft sensor –tyyppisillä ratkaisuilla pystytään kompensoimaan olosuhdemuutoksia ja tuottamaan jalostettua tietoa sellaisista suureista, joiden mittaaminen on muuten haasteellista.
Digitaalisten tiedonkäsittelymenetelmien lisäksi raportissa esitetään muitakin digitalisaation menetelmiä, joilla voidaan vaikuttaa vähähiilisyyteen. Kirjallisuudessa hyötyjä on kuitenkin raportoitu varsin niukasti – tai ne on raportoitu varsin yleisellä tasolla. Kirjallisuusselvityksessä pyritään ennen kaikkea esittämään tapauksia, joissa on esitetty digitaalisten menetelmien vaikuttavuus prosessien tilan parempaan ymmärtämiseen ja sitä kautta mahdollisuudet prosessien parempaan ohjaukseen. Mahdollisuuksien mukaan hyödyt on raportoitu energia- ja materiaalitehokkuuden tai jopa vähähiilisyyden suhteen. Tässä kirjallisuuskatsauksessa esitellään lisäksi vähähiilisyyteen liittyviä keskeisiä käsitteitä sekä vähähiilisyysvaikutuksen määrittämiseen kehitettyjä työkaluja.