Infrarakentamista sähköisesti

Rakennusteollisuus voi työskennellä älykkäämmin ja olla samalla johtavassa asemassa maailmanlaajuisissa ponnisteluissa kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi. Siirtyminen päästöttömiin rakennuskoneisiin on ollut hidasta, ja sitä ovat haitanneet korkeat kustannukset, teknologiset haasteet ja muutosvastarinta. Etenkin viimeisin mainittu on johtanut kysymykseen, miksi rakennusalan yrityksensä pitäisi investoida sähkökäyttöisiin koneisiin, kun Stage 5 -dieselmoottorilla varustetut koneet hoitavat työnsä? No, sähköistämisessä ei ole kyse vain päästöttömyydestä. Siitä lisää hetken kuluttua.

Nykyisissä päästöttömyysstrategioissa keskitytään yksittäisten koneiden sähköistämiseen. Päästöttömän työkoneen sijoittaminen dieselkäyttöiseen työmaahan ei toimi. Tämä on osittain syy siihen, miksi käyttöönotto on ollut tuskallista. Päästöttömän työkoneen käyttöönotto merkitsee uutta infrastruktuuria ja toimintoja, jotka ovat kaikki ”kiinteitä kustannuksia”. Jotta sähköistäminen luo lisäarvoa, se on levitettävä useisiin työmaan työkoneisiin ja käyttötapauksiin.

Rakennustoimialan päästöttömyyshaasteet

Maailmanlaajuisesti rakentaminen on edelleen yksi suurimmista kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttajista, mutta rakennuskoneiden sähköistäminen on ollut vain asteittaista.  Huolimatta Norjan ja Alankomaiden kaltaisten maiden lainsäädännöllisistä paineista, joissa päästöttömille työkoneille on asetettu käyttöönottovaatimuksia. Dieselkäyttöiset laitteet ovat edelleen hallitsevassa asemassa. Vuonna 2022 pelkästään Pohjois-Amerikassa myytiin 41 320 dieselkäyttöistä kaivukonetta, mikä kuvastaa alan hidasta vauhtia sähköisten vaihtoehtojen käyttöönotossa.

Yhdysvalloissa muutoksen vauhdittaminen perustuu suurelta osin ympäristövastuun, sosiaalisen vastuun ja hyvän hallinnointitavat (ESG) ajamiini aloitteisiin, sekä yritysten ympäristötavoitteisiin. Vaikka suuret työkonevalmistajat, kuten Caterpillar, Volvo ja Komatsu, ovat kehittäneet päästöttömien työkoneiden prototyyppejä, nämä innovaatiot eivät ole laajalti saatavilla korkeiden tuotantokustannusten ja epävarmojen tuottojen vuoksi. Tämän vuoksi rakennusalan yritysten vaihtoehdot ovat rajalliset, ja niiden täytyy valita kalliiden prototyyppien, tai kolmannen osapuolen jälkiasennettujen ratkaisujen välillä.

On ymmärrettävää, että toimialan kiinnostus on vielä vähäistä. Siirtyminen sähköisiin koneisiin merkitsee suuria investointikustannuksia, toimitusketjun haavoittuvuutta ja riskiä teknologian mahdollisesta vanhentumisesta. Akkujärjestelmien integroiminen suurta tehoa vaativiin työkoneisiin asettaa ainutlaatuisia teknisiä haasteita, joiden ratkaisemiseen joillakin yrityksillä ei ole riittävästi asiantuntemusta.

Mitä työmaan sähköistäminen tarkoittaa verrattuna yksittäiseen koneeseen?

Ajattele, miten akkukäyttöisten käsityökalujen valmistajat antavat käyttäjien vaihtaa samaa akkua akkuporakoneen, iskuporakoneen ja mutterivääntimen välillä. Kuvittele nyt, että akku on samankokoinen, mutta se on vaihdettavissa minkä tahansa merkin tai työkalutyypin välillä. Kuvittele tämän ajatuksen pohjalta paljon suurempi, esimerkiksi 140 kWh:n akku, jonka työkoneiden omistajat voivat vaihtaa pyöräkuormaajan, kaivukoneen tai pienkoneen välillä. Modulaariset järjestelmät eivät ainoastaan optimoi tehonkäyttöä vaan myös minimoivat kustannukset, ja yritykset voivat mukauttaa akun kapasiteettia päivittäisen työmäärän mukaan.

Tarkastellaan työmaata, jossa on kuusi konetta. Nykyisellä sähköistämistavalla jokainen sähkökone vaatii oman akun, jonka kapasiteetti on ylimitoitettu riittävän käyttöajan varmistamiseksi, mikä johtaa energian tuhlaukseen ja korkeampiin kustannuksiin. Modulaarinen järjestelmä mahdollistaa kuitenkin energian jakamisen tarpeen mukaan (esim. akkujen vaihtaminen), mikä vähentää tehottomuutta merkittävästi. Yritykset voivat vaihtaa akkumoduuleja koneiden välillä, jakaa sähköä paikan päällä, käyttää sähköä valaistukseen, lämmitykseen, tai jäähdytykseen, tai ladata muita moduuleja nopeasti ja kätevästi.

Tämän johdosta koko työmaan kattava sähköistäminen ei ole vain älykkäämpi tapa toimia, kuin perinteisiin dieselmoottoreihin tukeutuminen, vaan se on myös paljon enemmän kuin päästöttömyyden saavuttaminen. Sähköistäminen voi sisältää ohjelmiston, jolla voidaan ohjata, valvoa ja raportoida koneen toimintoja, mikä on vaikeampaa perinteisten dieselkoneiden kohdalla. Kaikkiin työkonetyyppeihin sopivan akkumoduuliin sisällytetään ohjelmisto, joka mahdollistaa sähkömoottorin, älykkään ohjausyksikön ja lämmönhallintajärjestelmän ohjaamisen siten, että akkumoduulin toimintakyky on paras mahdollinen kaikissa ilmasto-olosuhteissa. Lisäksi se lähettäisi tietoja laitteiden omistajille, vuokrausyrityksille ja jälleenmyyjille, jotta nämä tietäisivät, millaista työtä heidän koneensa tekevät, missä ne sijaitsevat, kuinka tuottavia ne ovat ja kuinka paljon energiaa ne kuluttavat.

Kun kuljettaja tietää, että akkumoduuli on tyhjenemässä, hän voi vaihtaa moduulin ajassa, joka on lyhyempi kuin dieselin tankkaamiseen kuluva aika. Jos koneen omistaa vuokraamo, akkumoduulin ohjelmisto ilmoittaa vuokraamolle, että on aika toimittaa yksi, tai useampi akkumoduuli työmaalle. Työkoneeseen toimitetaan ladattu akkumoduuli silloin, kun kuljettajan on sopivaa pitää tauko ja vaihtaa akut. Näin vältetään käyttöaikaongelmat ja varmistetaan, että koneen omistaja maksaa vain siitä sähköenergiasta, jota hän tarvitsee kyseisellä työmaalla kyseisenä päivänä. Tämän tapaiset ohjelmistot voivat myös lähettää raportteja, joista käy ilmi koneen hiilijalanjälki.

Päivä sähköistetyllä työmaalla

Kuvittele rakennustyömaa, joka toimii modulaarisen mallin mukaisesti ja siellä on kuusi työkonetta: Kaksi tela-alustaista kaivinkonetta, pyöräalustainen kaivukone, pyöräkuormaaja ja kaksi pienkuormaajaa, jotka kaikki työskentelevät yhdessä. Jokainen kone on varustettu akkumoduuleilla, jotka ovat räätälöity koneiden erityistarpeisiin. Kaivinkoneissa käytetään neljää 140 kWh:n moduulia, pyöräkuormaajissa kolmea 140 kWh:n moduulia ja pienemmissä koneissa yhtä tai kahta moduulia.

Päivän edetessä pienkuormaajan akkumoduuli tyhjenee. Sen sijaan, että kuljettaja keskeyttäisi työt, hän vaihtaa tyhjän moduulin täyteen moduuliin työmaan energiakeskuksesta, joka on kuin polttoainesäiliörivi. Samaan aikaan kaivukone, joka kuluttaa enemmän energiaa, saa ”täydennystä” pyöräkuormaajalta, mikä on toteutettu moduulit yhdistävällä latausjohdolla. Tämä tarkoittaa keskeytymätöntä tuottavaa työtä ilman ylisuuria akkuja, tai lisälaitteita.

Päivän päätteeksi työntekijät asettavat käytetyt moduulit esimerkiksi kurottajalla energiakeskukseen ladattavaksi. Moduulijärjestelmän ohjelmisto analysoi energiankulutustottumukset ja tarjoaa tietoa seuraavan päivän rakennustöitä varten. Kun energian tarjonta ja kysyntä sovitetaan yhteen, järjestelmä maksimoi tehokkuuden ja minimoi kustannukset.

Dieselkoneiden muuttaminen sähköiseksi: tie eteenpäin

Uusien sähkökoneiden korkeat kustannukset ovat merkittävä este monille rakennusyrityksille. Olemassa olevien dieselkoneiden muuttaminen sähköiseksi tarjoaa vaihtoehdon, joka myös pidentää sellaisten dieselkäyttöisten laitteiden käyttöikää, joiden päästöluokitus ei ole enää ajan tasalla. Muutostyössä irrotetaan dieselmoottori, polttoainesäiliö ja siihen liittyvät komponentit ja korvataan ne sähkömoottoreilla ja akkumoduuleilla. Kaikki hydrauliikkalinjat moottorin jälkeen säilyvät ennallaan. Akkumoduulit toimivat myös vastapainoina ja ovat helpompia huoltaa kuin perinteiset hydraulijärjestelmät.

Sähkökäyttöiseksi muuttamisessa on useita etuja.

• Ensinnäkin omistajat hyödyntävät olemassa olevaa kalustoa sen sijaan, että ostaisivat uutta kalustoa.
• Toiseksi modulaarinen lähestymistapa varmistaa, että samat akkumoduulit toimivat useissa eri konetyypeissä ja -merkeissä kaivinkoneista pyöräkuormaajiin, mikä vähentää monimutkaisuutta ja kustannuksia. Standardointi yksinkertaistaa huoltoa ja toimintaa työmailla.

Tämä auttaa urakoitsijoita sopeuttamaan energiantarpeen erilaisiin hankkeisiin, joissa energiantarve vaihtelee.

Käyttöönoton esteiden poistaminen

Modulaarinen energiajärjestelmä vähentää työkoneiden sähköistämiseen liittyviä taloudellisia riskejä, sillä yritykset voivat skaalata energiainvestoinnit tarpeiden mukaan. Esimerkiksi rakennusyritykset voivat aloittaa pienellä määrällä akkumoduuleja ja laajentaa kapasiteettia hankkeiden kasvaessa. Tämä pay-as-you-go -malli sovittaa kustannukset yhteen projektin vaatimusten kanssa, mikä tekee päästöttömistä ratkaisuista helpommin käyttöönotettavia pienemmille yrityksille.

Älykkäällä modulaarisella energiajärjestelmällä (eli järjestelmällä, joka sisältää tiedonkeruu- ja energianhallintaohjelmiston) projektipäällikkö, tai vuokrausyritys saa reaaliaikaisia tietoja, joiden avulla se voi paremmin käyttää laitteita ja ylläpitää projektiaikatauluja. Edistyneet ominaisuudet, kuten ennakoiva kunnossapito, ehkäisevät ongelmia ennen kuin ne aiheuttavat seisokkeja. Tämä on toinen tapa työskennellä älykkäämmin.

Oikean modulaarisen energiajärjestelmän käyttöönotto voi myös vähentää vanhentumisen riskiä. Esimerkiksi ZQUIP-energiamoduuleissa voidaan käyttää erilaisia energialähteitä, kuten dieseliä, litiumioniakkuja ja vetypolttokennoja, joten laitteiden omistajat ja vuokrausyritykset voivat käyttää mitä tahansa energialähdettä, joita markkinoilla on.

Tehomoduulien standardointi yksinkertaistaa myös toimitusketjuja ja vähentää huoltoon, varastointiin ja logistiikkaan liittyviä kustannuksia.

Edessä oleva matka: modulaarisen sähköistyksen skaalaus

Päästöttömyysmääräysten kasvaessa rakennusteollisuus voi tasapainottaa ympäristönsuojelun ja taloudellisuuden. Modulaarinen sähköistys tarjoaa käytännöllisen reitin eteenpäin. Keskittymällä nykyisten koneiden muuttamiseen ja optimoimalla energiankäyttöä modulaaristen järjestelmien avulla rakennusteollisuus voi siirtyä päästöttömään tulevaisuuteen.

Modulaarinen malli voisi toimia myös kaivostoiminnassa ja maataloudessa. Se on ratkaisu monille teollisuudenaloille, joilla tarvitaan suuritehoisia työkoneita. Tulevina vuosina, kun tekniikka kehittyy ja sääntelypaineet kasvavat, modulaarisesta energiasta pitäisi tulla päästöttömän rakentamisen standardi. Ottamalla tämän mallin käyttöön rakennusteollisuus voi hoitaa työmaita ja kalustoa tehokkaasti, tuottavasti ja kustannustehokkaasti. Rakentamisen tulevaisuus ei ole vain sähköinen – se on modulaarista energiaa. Tällä tavoin paketoitu energia vastaa nopeasti muuttuvan maailman vaatimuksia.

Tämän artikkelin kirjoittaja Chris LaFleur on ZQUIPin toimitusjohtaja. Ennen ZQUIPiin liittymistään Chris oli erikoistunut teknologiaan, rahoitukseen ja pääomasijoituksiin. Hän on perustanut start-up-yrityksiä, omistaa erikoisurakointiyrityksen ja työskennellyt HSBC:ssä. Hänellä on kauppatieteiden maisterin tutkinto Harvard Business Schoolista. Ota häneen yhteyttä osoitteessa  https://zquip.tech/talk-to-a-zquip-expert/

• Lue myös: ZQUIP ja Leica Geosystems esiintyivät yhdessä Bauma-messuilla