Tuuliturbiinin siiven eroosio-ongelma ratkesi tekoälyn avulla

Tuulivoimaloiden lavat altistuvat vuosien ja vuosikymmenien ajan valtaville voimille ja armottomalle säälle. Piiskaavan tuulen, sateen ja salamoiden lisäksi ilmassa on myös epäpuhtauksia, jotka aiheuttavat lavoille voimakasta eroosiota. Lapojen korjaaminen ja vaihtaminen on iso juttu, mikä tekee eroosiosta merkittävän ongelman. Ratkaisu löytyi VTT:llä antiAGE-projektissatekoälyn avulla. Voimalavalmistajat ovat hyvin kiinnostuneita uudesta tavasta taistella eroosiota vastaan.

Tuulivoimatuotanto - Julkaistu: 14.2.2019 - Teksti: Heidi Paalatie, Suomen Tuulivoimayhdistys ry Kuva: wpd windmanager Scandinavia Oy

Uusiutuva energia on nouseva ja maailman tulevaisuuden kannalta merkittävä tekijä, joten sieltä löytyvän ongelman kohtauttaminen VTT:n ohjelmisto- ja materiaaliosaamisen kanssa motivoi perustamaan antiAGE-projektin tuulivoimaloiden lapojen eroosio-ongelman ratkaisemiseksi.

”Tuulivoimaloiden lapamateriaali kuluu muun muassa sateen, rakeiden ja hiekkapölyn vaikutuksesta, mikä vähentää merkittävästi voimalan tai vähintäänkin sen lapojen elinikää. Voimaloiden tai niiden lapojen välttämätöntä nopeampi uusiminen tulee kalliiksi: jopa 2-4 prosenttia kaikesta tuulella tuotetun sähkön arvosta menetetään tämän ongelman seurauksena”, kertoo johtava tutkija Anssi Laukkanen VTT:ltä.

”Eroosio on kiinnostanut meitä pitkään. Kyseessä on tämän teollisuusalan klassinen ongelma, joka maksaa miljardeja euroja ja tuo ylimääräisiä kustannuksia kaikkeen tuulella tuotettuun sähköön. Ongelman merkitys lisääntyy entisestään tuulivoimaloiden koon kasvaessa ja kun tuulivoimaloita sijoitetaan merelle yhä vaativampiin olosuhteisiin. Ongelma on globaali, sillä missään päin maailmaa tuulivoimalat eivät ole suojassa eroosion vaikutuksilta, vaikka sen määrä vaihteleekin alueittain”, Laukkanen jatkaa.

3D-tulostusta ja tekoälyä

VTT:n antiAGE-projektissa etsittiin mahdollisimman optimaalista materiaalia erilaisiin olosuhteisiin. Erilaisia materiaalivaihtoehtoja samoin kuin olosuhteita on periaatteessa rajaton määrä. Perinteisillä menetelmillä pilottilapojen tekeminen eri materiaaleista on ollut hidasta ja kallista. Tähän ongelmavyyhteen löydettiin apu tekoälystä ja 3D-tulostuksesta.

Rautalankamalliksi väännettynä oivallus on siinä, että tekoäly saa kaksi erilaista sovellusta keskustelemaan, ja voi näin seuloa valtavasta datamäärästä optimaaliset vaihtoehdot, joita sitten voidaan testata muun muassa 3D-tulostamalla testikappaleita. Toinen sovellus on virtuaalimalli siitä, millaisia erilaisia olosuhteita ja muuttujien yhdistelmiä lapa voi joutua kokemaan. Toinen sovellus puolestaan perustuu VTT:n syvään materiaaliymmärrykseen ja sen pohjalta rakennettuihin monimutkaisiin virtuaalimalleihin. Tekoäly sukkuloi näiden sovellusten välillä vaihtoehtojen viidakossa, josta ihmisäly ei selviytyisi viidakkoveitsenkään avulla. Tekoäly siis saa materiaali- ja kulumismallit keskustelemaan keskenään  ja kykenee optimointiin.

”Ihmisten hahmotuskyky ei riitä näkemään kaikkia materiaaliratkaisun optimointiin liittyviä ulottuvuuksia. Tekoäly sen sijaan kykenee purkamaan hyvin monimutkaisia syy-seuraussuhteita, simuloimaan ratkaisuja sekä löytämään äärettömistä vaihtoehdoista sen, joka toimii vaatimuksiin nähden parhaiten”, Laukkanen kuvaa tekoälyn luomia uusia ulottuvuuksia.

”Tilanne on tähän asti ollut se, että on etsitty maailman parasta materiaalia, mikä usein on myös hinnakkaimmasta päästä. Joihinkin olosuhteisiin se onkin tarpeen, mutta monessa muussa tapauksessa se ei välttämättä olekaan optimaalisin tai on jopa liian hyvä ja samalla liian kallis. AntiAGE-projektin tulosten avulla on mahdollista löytää riittävän hyvä materiaali. Optimoimalla voidaan löytää tietylle alueella paitsi paras, myös taloudellisin materiaali”, Laukkanen kertoo.

Ajatuksena tässä vaiheessa on, että lavat valmistetaan melko perinteisesti myös jatkossa. Tarkoitus ei siis ole, että valmistus siirtyisi tämän projektin myötä 3D-printtaukseen sarjatuotannon osalta. Sen sijaan 3D-printtauksen avulla voidaan testata optimaaliseksi arvioitua materiaalia ja testata erilaisia pinnoitteiden ja kalvojen vaihtoehtoja järkevillä kustannuksilla.

”Tuulipuisto- tai markkina-aluekohtainen optimointi voidaan viedä aivan eri tasolle kuin missä se on tähän asti ollut”, Laukkanen toteaa.

Ensi vuonna yhteistyöhön tuuliturbiinivalmistajan kanssa 

AntiAGE-projektin taustalla on vuosikymmenien työ ja osaamisen kerryttäminen, mutta itse sovellus syntyi nopeasti hyvin rakennetulle pohjalle. Projektin tulokset ylittivätkin tekijöidensä odotukset. Virtuaalista testausta ja koneoppimista hyödyntävän suunnitteluprosessin kautta onnistuttiin vuodessa kehittämään hyvin hankalaan materiaaliongelmaan optimoitu ratkaisu.

”Olemme miettineet kaupallistamista projektin alusta asti pitäen sitä yhtenä suunnittelun lähtökohtana. Aivan alussa happotestasimme ideaa johtavia voimalavalmistajia jututtamalla ja samalla validoimme ongelmaa”, Laukkanen sanoo.

”Usein on niin, että eksoottiset, aivan uudentyyppiset materiaalit ovat liian kalliita tai jopa mahdottomia valmistaa. Olemme pitäneet tämän asian myös mielessä matkan varrella, ja panostaneet erilaisiin esivalmistettuihin pinnoitteisiin ja pinnoitemateriaaleihin. Tämä suoraviivaistaa kaupallistamista”, Laukkanen kertoo. 

”Tuuliturbiinien valmistajat kiinnostuivat ratkaisustamme heti, kun kerroimme siitä julkisuuteen. Nyt neuvottelemme yksityiskohdista kaupallisten toimijoiden kanssa. Toiveena myös on, että kotimaiset materiaalivalmistajat pääsisivät tähän mukaan. Suomessa on paljon osaamista ja komponenttivientiä, mitä haluaisimme suomalaisen keksinnön avulla voimistaa”, kertoo Laukkanen.

Projektille haetaan myös jatkorahoitusta, sillä tarkasti optimoiduille materiaaliratkaisuille on runsaasti käyttökohteita myös muilla teollisuuden aloilla. Mitä monimutkaisempi tuote on kyseessä, sitä kalliimmaksi käyttötarkoitukseen soveltuvien materiaalien kehittäminen tulee ja sitä vaikeampi hyvin suoriutuvia materiaaliratkaisuja on yleensäkin edes löytää. Tekoälyn avulla voidaan tehokkaasti hyökätä tällaisten ongelmien kimppuun.

AntiAGE-projekti toteutettiin VTT:n Ibex-rahoituksella. Kyseessä on VTT:n oma haastelähtöinen tutkimusrahoitusinstrumentti, joka mahdollistaa talossa olevan erikoisosaamisen valjastamisen jo tunnistettujen merkittävien ongelmien ratkaisemiseen VTT:n omalla rahoituksella.

Mainoskuva