Energiatehokkuuden parantaminen valaistuksessa

Kari Mönkkönen

Karelia-amk:ssa on panostettu vuosia tarkkuus­teknologioiden kehit­tämi­seen ja soveltamiseen. Yhdessä Itä-Suomen yliopiston kanssa viime vuonna aloitettu TEKESin EAKR-ohjelmaan kuuluva energiatehokkuuden parantaminen valaistuksessa (ENETE) -hanke tavoittelee merkittäviä energian säästöjä LED valaistuksessa fotoniikan avulla.

Uudet valaisinteknologiat pienentävät energiankulutusta

EU on asetti uuden energiankulutuksen säästötavoitteen lokakuussa 2014. Tämä tavoite vuodelle 2030 on vähintään 27% nykyisestä energian kulutuksen tasosta. Globaalisti nykyisin noin viidesosa kaikesta energiasta käytetään valaisuun, joten valaisun energiatehokkuuden parantamisella on valtavasti taloudellista merkitystä. Valaisuteknologian kehittämisen tarve liittyy globaaliin tarpeeseen vähentää energian kulutusta ja CO2 päästöjä. Uudet näyttö- ja valaisinteknologiat voivat tulevaisuudessa säästää 30 % sähkön kulutuksesta nykyiseen verrattuna.

EcoDesign-direktiivi ohjaa tuotekehitystä

Energiaa käyttävien tuotteiden EuP-direktiivi korvattiin marraskuussa 2009 soveltamisalaltaan laajemmalla EcoDesign-direktiivillä. Tässä direktiivissä määritellään energiaa käyttävien tuotteiden suunnittelun ja tuotekehityksen ekologiset vaatimukset. Tavoitteena on ympäristönäkökohtien ja elinkaariajattelun integrointi tuotteiden suunnitteluvaiheessa. Direktiivillä edistetään kestävää kehitystä parantamalla energiatehokkuutta ja ympäristön suojelun tasoa sekä samalla energiahuoltovarmuutta. Energiaa kuluttavien tuotteiden ekologisten direktiivien tavoitteiden saavuttaminen edellyttää toimenpiteitä, jotka tähtäävät tuotteen elinkaaren aikana syntyvän energia- ja materiaali kuormituksen vähentämiseen.

EU:n avainteknologiat luovat kasvumahdollisuuksia myös Suomessa

Euroopan komissio on määrittänyt joukon avainteknologioita, jotka tulevat vaikuttamaan Euroopan teollisuuden rakenteen kehittymiseen vuoteen 2020 mennessä. Näitä avainteknologioita ovat nanoteknologia, mikro- ja nanoelektroniikka, puolijohdeteknologiat, kehittyneet materiaali-teknologiat, bioteknologia ja fotoniikka. Edellä mainittujen teknologisten osa-alueiden poikkitieteellinen hyödyntäminen tarjoaa uusia mahdollisuuksia resurssitehokkaissa talouden, ympäristön ja teollisuuden sovelluksissa. Merkittävää kasvupotentiaalia on erityisesti terveysteollisuudessa, ympäristön puhtauden mittaamisessa ja monitoroinnissa sekä energiatehokkaissa valaisuratkaisuissa. Valaisun energiatehokkuuden parantamisessa nähdään, että erityisesti SSL-teknologiaan (SSL = Solid State Lightning, esim. led, oled) perustuvat ratkaisut tulevat olemaan avainasemassa.

Fotoniikka itsessään on Suomessa nousemassa merkittäväksi teknologia-alaksi. Suomen fotoniikkaklusteriin kuuluu jo yli 50 yritystä ja näiden lisäksi 7 tutkimuslaitosta ympäri Suomen. Monet näistä yrityksistä tarvitsevat tuotteissaan erilaisia valaisuratkaisuja tai tuottavat suoraan valaisuratkaisuja eri tarpeisiin. Lisäksi Suomessa on paljon automaatio-, ruiskuvalu- ja muottiteknologia-osaamista, jota tarvitaan kehitettäessä valaisuun soveltuvia ja hinnoiltaan kilpailukykyisiä tuotteita kuluttajamarkkinoille. Uutta kasvua etsittäessä on jatkuvasti panostettava avainteknologioiden tutkimukseen, investointeihin ja teolliseen soveltamiseen sekä pilotointi- ja demonstraatioympäristöihin.

Mitä hankkeessa ollaan tekemässä?

Energiatehokkuuden parantaminen valaistuksessa (Enete) hankkeen tarve liittyy globaaliin tarpeeseen vähentää energian kulutusta. Hankkeen visio on LED-teknologia-arvoketjun täydentäminen kehittämällä ainutlaatuisia tuotannollisia ja suunnittelullisia menetelmiä energiatehokkaisiin valaisuratkaisuihin. Demonstraatiomallissa huomioidaan arvoketjun muuttujien vaikutukset (valonlähteet, materiaalit, käyttöolosuhteet, standardit, mekaniikka ja optiikka) ja näiden prosessiparametrit. Tavoitteena on kokonaisvaltaisesti kehittää LED-valaisinratkaisujen lisäarvon tuottoa. Kehitettävien valaisuratkaisujen tulisi vähentää materiaalikulutusta tuotteiden elinkaaren aikana. Hankkeessa yhdistetään Joensuun seudulla kehitettyä fotoniikan ja tarkkuusteknologioiden osaamista toisiinsa. LED tarvitsee aina optiikkaa (fotoniikkaa) toimiakseen käyttökohteessa. Optiikalla on suuri merkitys valon ohjaamisessa oikeaan paikkaa valonlähteestä valaistavaan kohteeseen sekä väritasapainon hallinnassa. Lisäksi optiikan avulla hallitaan hajavalon muodostuminen sekä valosaaste. Suunnittelun ja valmistustekniikan energiatehokkuus korostuu myös pienihäviöisen LED-optiikan tuotteissa.

Hanke etenee seuraavasti:
1. Hankitaan tieto ja osaaminen siitä mihin suuntaan säädökset, direktiivit ja standardit liittyen energian ja resurssien säästöön kehittyvät energiatehokkaassa valaistuksessa
2. Käyttöönotetaan toimialakohtainen (ajoneuvot, taustavalot, lääketiede) tieto ja osaaminen tuotesuunnitteluun (fotoniikka, materiaalit, tuotantoteknologiat ja mittaaminen)
3. Sovelletaan ja tutkitaan avainteknologioita (timanttityöstö, litografiset menetelmät, UV-valu menetelmät) valaisuratkaisujen pilotoinnissa.
4. Valmistetaan hankkeen aikana yhteinen prototyyppivalaisin, jonka avulla voidaan esitellä projektin tuloksia.

Hankkeessa valmistettava prototyyppivalaisin.

Projektin tuloksia voidaan hyödyntää seuraavilla osa-alueilla:

• Fotoniikan, pinnoitusteknologioiden ja avainvalmistusteknologioiden osaamisen hyödyntäminen seuraavilla toimialoilla:
  • ympäristön puhtauden mittaaminen
  • elintarviketuotannon prosessien mittaaminen
  • diagnostiikkalaitteet
• ajoneuvoteollisuus (optiset sensorit, optinen tiedonsiirto)
• Bioteknologisten tuotteiden kehittäminen (helppokäyttöiset fotoniikkaan perustuvat diagnostiikkalaitteet, solunkasvatusalustat ja lääkediagnostiikan kehittäminen)
• Fotoniikan hyödyntämien elektroniikkateollisuuden tuotteissa (näyttöteknologiat ja optinen tiedonsiirto)
• Valosähköiset energian keräimet (Photovoltaics PV) ja reflektori aurinko-energia keräimet

Energiatehokkaat valaistus- ja näyttöteknologiat tarjoavat lukuisia sosiaalisia ja yhteiskunnallisia etuja: visuaalisesti miellyttävämpi ympäristö, parempi valaistus, korkeampi turvallisuus, vähemmän hajavaloa ja parempi yksilön terveys. Onnistuessaan tämän projektin tulokset yhdistävät energiatehokkaiden valaisinratkaisujen pilotointia, fotoniikkaa, pinnoitusteknologioita, materiaaliteknologiaa, avainteknologioita ja teollista hyödyntämistä. Edellä mainittujen yhdistäminen tuottaa uusia valoa hyödyntäviä innovaatioita ja tuotteita. Fotoniikka itsessään ei tuo suoraa ratkaisuja siihen, miten uusia innovaatioita saadaan tuotettua niin että lopputuloksena syntyy yhteiskuntarakennetta muuttava tuote tai palvelu. Ilman monialaista yritysten, korkeakoulujen ja tutkimuskeskusten yhteistyötä tutkimus jää tutkimukseksi eikä kaupallista hyödyntämispolkua synny.

Kari Mönkkönen
yliopettaja
Karelia-ammattikorkeakoulu