Työkoneiden tulevaisuuden kehitystä ohjaavat ilmastovaikutukset ja turvallisuus

Työkoneiden sähköistyminen tarkoittaa todella merkittävää muutosta kaivosteollisuudelle, maa- ja metsätaloudelle, maarakentamiselle sekä logistiikalle. Vihreä siirtymä ja työkoneiden sähköistyminen myllertää työmaiden toimintalogiikkaa perustavalla tavalla. Sähköistymisen ja autonomisten ratkaisujen pitäisi kehittää liikkuvia työkoneita ympäristöystävällisemmiksi, suorituskykyisemmiksi ja turvallisemmiksi. 

Hankkeessa tutkitaan ja kehitetään laajaa työkoneisiin ja niiden käyttöön liittyvää kokonaisuutta, joka sisältää erilaisia tutkimusalueita. Näitä ovat muun muassa työkoneiden komponentit, itse työkoneet kokonaisuutena, työsyklit, työmaan koordinaatio ja työmaiden energiajakelu.

– Sovellamme robotiikassakin käytettyjä menetelmiä, joiden avulla työkone pystyy autonomisesti käsittelemään raskaita työkuormia hyvällä paikoitustarkkuudella. Lisäksi hajautetulla ohjausjärjestelmällä voidaan hallita joustavasti ja räätälöidysti kokonaisia työkonelaivueita, kertoo
professori Matti Vilkko Tampereen yliopistosta FEMMa-hankkeen tiedotteessa.

Hankekonsortio kehittää puhtaita ratkaisuja työkoneiden ja meriliikenteen tarpeisiin

Vastaavaa tutkimusyhteistyötä ilmaston kannalta puhtaampiin ratkaisuihin työkoneissa ja merikuljetuksissa tekee Vaasan yliopiston johtama Clean Propulsion Technologies -hankekonsortio. Hankekonsortioon osallistuvien tutkimusorganisaatioiden ja yritysten on tarkoitus kehittää lupaavimmista ja innovatiivisimmista voimalaiteteknologioista uusia tuotteita. Pidemmällä aikavälillä on tarkoitus kehittää meriliikenteelle ja työkoneille yhteinen teknologian kehittämissuunnitelma, jolla yritetään vastata vuoden 2050 vaatimuksiin.

Tiedotteen mukaan hankkeen merkittävimmät odotettavissa olevat teknilliset tulokset ovat uraauurtava, uutta reaktiivisuudella hallittavaa puristussytytystä (RCCI) hyödyntävä keskinopea monipolttoainemoottori sekä nopeakäyntinen vetymoottoriratkaisu. Molempia hankkeita, Clean
Propulsion Technologies- sekä FEMMa-hanketta rahoittaa Business Finland.

Sähköistys vaatii alkuvaiheessa rinnalleen muitakin vaihtoehtoja

Edellä mainitut hankkeet ovat tulevaisuuteen suuntaavaa tutkimusta, joka jossain vaiheessa tuottaa tuloksia. Käytännössä työkonemarkkinat eivät ole ihan vielä noin pitkällä. Sähköistymisen lisäksi myös uusiutuvat polttoaineet ja vaihtoehtoiset käyttövoimat pysyvät työkoneissa edelleen
tapetilla vielä ainakin 2030-luvulle asti, kuvailevat johtava asiantuntija Juha Ala-Hiiro Teknisen Kaupan Liitosta sekä avainasiakkuuspäällikkö Jari Salomäki Suomen Rakennuskone Oy:ltä työkoneiden kehitystrendejä.

Hybridikoneet ovat kummankin näkemyksen mukaan se, jolla ensivaiheessa päästään parhaiten pureutumaan työkoneiden päästöihin. Tosin niidenkin kanssa oleellista on, että hybridien polttomoottoreissa aletaan käyttää johdonmukaisesti uusiutuvia polttoaineita. Ensimmäiseksi ovat sähköistyneet pienet alle 10 tonnin työkoneet sekä suuret yli 200 tonnin työkoneet. Tällä hetkellä kuitenkin lähes kaikilla kansainvälisillä työkoneiden valmistajilla on olemassa suunnitelmat siitä, että vuoden 2025 kieppeillä sähköistettyjä erilaisilla akuilla varustettuja koneita tulee markkinoille aina 35 tonniin asti. Arvio on, että niiden hinta on ainakin 20–30 prosenttia nykyisiä polttomoottoriratkaisuja käyttäviä työkoneita kalliimpi.

Työkoneisiin pitää kehittää vaativia oloja kestävät energiaratkaisut

Työkoneiden akkujärjestelmiltä vaaditaan paljon: koneet vaativat hetkellisesti suuria virtoja ja synnyttävät käytön aikana lämpöä. Lisäksi akkujen latauksen ja niiden varauksen tulisi kestää Suomessa neljää eri vuodenaikaa eli akuille ei-optimaalisia kylmiä ja lämpimiä, ilmastonmuutoksen myötä jopa yhä kuumempia, käyttölämpötiloja. FEMMa-hankkeessa syntyy yritysten tarpeisiin uutta tietoa akkujen ominaisuuksista ja toiminnan optimoinnista.

– Kehitämme reaaliaikaisia menetelmiä akun dynamiikan ja lämmöntuoton havainnointiin sekä akkujen kunnonvalvontaan ja käytön optimointiin. Menetelmien avulla voidaan ohjata tarkemmin akkujen käyttöä ja työkoneen tehonhallintaa, mikä mahdollistaa nopeamman lataamisen ja paremman suorituskyvyn, kuvailee FEMMa-hankkeen tiedotteessa hiilineutraalien ja älykkäiden laiteratkaisujen vetäjä Johannes Hyrynen VTT:ltä.

Akkujen varaus on erityisen iso kysymys. Niiden pitäisi tuottavuuden kannalta kestää vähintään työpäivä eli 8–9 tuntia. Sitä ne eivät vielä kestä. Vaihtoehtoisesti latausinfran työmailla pitäisi olla niin nopeaa, että työkoneiden lataus onnistuisi esimerkiksi noin puolen tunnin ruokatauon
aikana.Tämä on sellainen asia, jota ei ole ratkaistu vielä. Työkoneiden latausinfraa maa- ja vesirakentamisessa sekä myös esimerkiksi puunkorjuussa vaikeuttaa myös työmaiden vaihtelevuus: yhdessä työpäivässä voi pahimmillaan olla 2–4 työkohdetta.

Kehitysjohtaja Joni Niskala Suomen Rakennuskone Oy:stä arvioikin, että työkoneiden trendinä on edelleen se, että niiden lopullista teknologiaa käyttöenergian suhteen ei ole lyöty lukkoon. Niskala kertoi, että hänen näkemyksensä mukaan työkoneet suunnitellaan vielä vuosia perusrakenteeltaan sellaisiksi, että niihin voidaan sijoittaa akkuja tai polttokennoja. Tai mikä tahansa muu voimanlähde. Riippuen siitä, mikä katsotaan parhaaksi ratkaisuksi. Toki kaikki konevalmistajat tavoittelevat tällä hetkellä kiivaasti mahdollisimman vähäpäästöisiä, jopa fossiilittomia ratkaisuja koneiden käyttövoimiksi.

Niskala kertoo, että esimerkiksi heidän edustamallaan Komatsulla on kaivosteollisuudelle jo paljon erilaisia ratkaisuja työkoneiden erittäin vähäpäästöisten ratkaisujen tai autonomian suhteen. Nyt niitä vain aletaan skaalata esimerkiksi maarakennusalalla. Skaalausta tosin vaikeuttaa maarakennusalan työmaiden monipuolisuus.

– Tällä hetkellä työkoneiden suurimmat päästövähennykset on mahdollista saavuttaa optimoimalla työmaita, Niskala arvioi. 

Se tarkoittaa käytännössä työkoneiden käytön optimointia, materiaalien ja työvaiheiden optimointia sekä työmaan tarkempaa suunnittelua.Siinä mielessä vähennyskeinoina eivät ole suoraan työkoneen tekniikkaan liittyvät tekniset ratkaisut vaan työkoneen käyttöä (koneohjausjärjestelmät, tietomallit) sekä työn suunnittelua avustavat järjestelmät.

Tulevaisuus tuo lisää kamera- ja paikannusteknologiaa työkoneisiin

– Etäohjaus työkoneissa alkaa olla kaupallistamisen kynnyksellä, kuvailee Niskala nykytilannetta Suomessa. 

Niskalan mukaan muun muassa kamera- ja tutkatekniikka sekä työkoneen kuljettajaa avustava pysäytys- ja turvallisuustekniikka on jo hyvinkin valmista. Uudesta avustavasta tekniikasta voidaan mainita esimerkiksi Doosanin kameraratkaisu pyöräkuormaajan kauhan näkyvyyden parantamisessa sekä erilaiset valotutkaratkaisut. 

Ongelmana on ehkä ollut vielä niiden kustannus suhteessa kuviteltuihin tai saavutettuihin hyötyihin työmailla nykyisellä urakoinnin hintatasolla. Nyt siihen alkaa pikkuhiljaa tulla muutosta. Joka tapauksessa Niskala arvioi, että vuoden 2023 aikana tulevat ensimmäiset kaupallistetut etäohjausratkaisut Suomassakin käyttöön.

– Etäohjauksen kehitystä Suomessa on maarakennusalalla ajanut osittain yhä paheneva koneenkuljettajapula, Niskala kertoo.

Täydellisen autonomian suhteen ollaan työkoneissa vielä hieman kaukana. Tekniikka on periaatteessa olemassa ja maailmalla on jo useampia kohtuullisen pitkälle vietyjä pilotteja. Suomessa tienhoitoon ja katujen kunnossapitoon hieman liittyvä ja mainittava pilotti voisi olla Trombia Technologiesin autonomiset lakaisukoneet Helsinki-Vantaan lentokentällä. 

Niskala arvioikin, että suurimmat ongelmat täydellisen autonomian tuomisessa työkoneisiin ovat lainsäädännössä sekä ihmisten totutussa tavassa toimia. Hänen mukaansa voisi olla realistisen toiveikasta, että työkoneiden täydellinen autonomia voisi toteutua joskus 2030-luvun alussa.

 

Teksti: Ville Järvinen
Kuvat: Suomen Rakennuskone Oy / Joni Niskala