DIGICARBA
Tausta
Aalto-yliopiston Vesi- ja ympäristötekniikan ryhmän vesihuollon tutkijat kehittävät Viikinmäen jätevedenpuhdistamon jätevedenkäsittelyprosessin digitaalista kaksosta DIGICARBA-hankkeessa. Digitaalinen kaksonen on oikean fyysisen jätevedenkäsittelyprosessin virtuaalinen vastine. Digitaalisen ja fyysisen kaksosen välillä on automatisoitu datansiirto, ja digitaalinen kaksonen luo ennusteita puhdistamon käyttäjien päätöksenteon tueksi. Hankkeen tutkimuksellinen uutuus on digitaalisen kaksosen hyödyntäminen kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä. Uuden digitaalisen työkalun käytännön hyöty Viikinmäen puhdistamon päivittäisessä toiminnassa liittyy sen avulla tuotetun tiedon mahdollistamaan ennakoivaan prosessin operointiin ja ohjaukseen.
Tärkeänä motivaationa puhdistusprosessin käytön tehostamisessa oli EU:n yhdyskuntajätevesienkäsittelyä koskevan direktiivin päivitysehdotus, joka sisältää vaatimuksia suurten ja keskikokoisten jätevedenpuhdistamojen energianeutraaliudesta vuoteen 2040 mennessä. Kasvihuonepäästöjen monitorointi ja hallinta ovat tulossa enenevässä määrin tarpeelliseksi jätevedenpuhdistamojen kestävän operoinnin mahdollistamisessa. Monilla jätevedenpuhdistamoilla tulee lähitulevaisuudessa tehostaa nykyisten prosessien operointia uusien vaatimusten vuoksi, mutta samalla pyritään myös välttämään kustannusten nousua.
Kuvaus
Mekanistisiin, biokineettisiin prosessimalleihin perustuva digitaalinen kaksonen mahdollistaa automatisoidut ennustavat prosessisimuloinnit. Laitoksen käyttäjät voivat hyödyntää simulointien tuloksista johdettua uutta tietoa prosessin ajotapojen valinnassa siten, että minimoidaan kasvihuonekaasupäästöt ilman käsitellyn jäteveden laadun huonontumista. Näin puhdistamon ilmastotase paranee kasvihuonekaasupäästöjen pienentyessä.
¶Ù²¹³Ù²¹±ôä³ó³Ù±ð±ð³Ù
Suunniteltu digitaalinen kaksonen tulee hyödyntämään eri datalähteitä: mm. teknistä tietoa, instrumentti- ja laboratoriomittausten historiadataa sekä ajan tasalla olevaa online-prosessininstrumentoinnin tuottamaa dataa. Lisäksi jäteveden tarkempia laatuanalyysejä tehdään prosessimallin parametrien määrittämiseksi. Data esikäsitellään, järjestetään, ja sitä käytetään prosessimallin luomiseen kalibrointiin ja validointiin. Mekanistista prosessimallia ja koneoppimistyökaluja käytetään ennustaviin prosessisimulointeihin.
Prosessimalli
SUMO-prosessimallinnusohjelmistoa () käytetään jätevedenpuhdistamon prosessin digitaalisen kaksosen toteuttamisessa. SUMO-ohjelmistoa on jo käytetty prosessimallinnustutkimuksissa maailmanlaajuisesti laajalti ja se soveltuu hyvin digitaalisen kaksosen kehittämiseen. Viikinmäen puhdistamon malli tulee sisältämään prosessivaiheet, jotka tarvitaan päätavoitteiden saavuttamiseksi eli kasvihuonekaasupäästöjen, hiilijalanjäljen ja energiankulutuksen pienentämiseksi.
Keskitymme kasvihuonekaasupäästöihin
Puhdistamon kasvihuonekaasupäästöjen mallintaminen edellyttää yhä kattavaa tutkimusta, koska päästöihin vaikuttaa mm. useat ohjausparametrit, operointiolosuhteet ja puhdistusprosessin toteutus. Viikinmäen puhdistamolla on kuitenkin merkittävä etu tässä tapaustutkimuksessa – se on rakennettu maan alle kallioluoliin ja kaikki prosessi-ilma johdetaan ulos poistoilmaputkessa, jossa on kaasumittaus. Kattava kasvihuonekaasupäästöjen monitorointi on siten mahdollista. Pääasiallinen puhdistamojen hiilijalanjälkeen vaikuttava kasvihuonekaasu on typpioksiduuli (N2O). Viikinmäen puhdistamo on varustettu neste- ja kaasufaasin typpioksiduulisensoreilla. Yksi digitaalisen kaksosen päätavoitteista onkin tuottaa riittävän tarkkoja kasvihuonekaasupäästöjen simulointeja.
³Û³ó³Ù±ð¾±²õ³Ù²âö
Aalto-yliopiston työryhmän ja ranskalaisen -tutkimuslaitoksen tutkimusjohtaja Sylvie Gillot:n välillä on ollut jo olemassa yhteistyötä keskittyen jätevedenpuhdistuksen ilmastopäästöjen vähentämiseksi jo ennen hankkeen aloittamista. Gillot osallistuu myös DIGICARBA-hankkeeseen. Myös yhteistyö :in kanssa on aloitettu keskittyen tutkimuksessa tarvittavan prosessinmallin kehittämiseen.
Rahoitus ja teollisuuden osallistuminen
DIGICARBA-hanke on Business Finlandin rahoittama () vuodesta 2023 vuoteen 2025 ja se suoritetaan yhteistyössä , , , , , , ja kanssa.
Aalto-uutiset verkossa
Digitaalinen kaksonen auttaa tasapainottamaan jätevedenpuhdistuksen hiilitasetta
Aallon tutkijat kehittävät DIGICARBA-hankkeessa automatisoituihin, jatkuvatoimisiin prosessisimulaatioihin perustuvan työkalun jätevesilaitosten ennakoivan käytön tueksi. Työkalu sisältää jätevesipuhdistamon prosessimallin, joka on jatkuvassa tietoyhteydessä Helsingissä toimivaan laitokseen.