Insenerile on ilmelt kõige suurem kompliment, kui tema loodud seade töötab sedavõrd tähelepandamatult ja hästi, et keegi ei märka isegi selle olemasolu. Kuna jõuelektroonika on kõikjal meie ümber ja enamik meist pole seda mõistet isegi kuulnud, siis milleks see üleüldse hea on?

Üldistades on jõuelektroonika distsipliinideülene valdkond, mis põimib endasse elektrotehnika, elektroonika ja IT. Neid teadmisi kombineerides saame ehitada rakendusi, millega energiat muundada.

Näiteks poleks võimalik jõuelektroonikata kasutada nii laialt taastuvatest allikatest pärit elektrit, sest me ei saaks tuuleturbiinide ja päikesepaneelide toodetud energiat otse võrku saata. Sama kehtib elektriautode ja muude elektril töötavate liikurite kohta. Neid ei saaks jõuelektroonikata laadida ega käitada. Jõuelektroonikat kasutatakse ka lennukites üha rohkemate süsteemide asendamiseks ja nende elektrilisemaks muutmiseks.

Laiemalt mõeldes poleks elektrisüsteemide areng ja tarkvõrkude areng jõuelektroonikata võimalik.

Teadusliku teadmuse hulk on kasvanud viimasel paaril kümnendil iga aastaga, kuid paistab, et jõuelektroonika vallas on olnud see eriti jõuline. Mis seda kasvu juhib? Kas selle taga on maailma püüe liikuda jõulisemalt taastuvenergeetika suunas või on muutnud midagi olemuslikumat ka elektroonikatööstuses endas?

See on hea küsimus, sest oleme näinud nii avaldatud uurimustes kui ka rakendustes tõelist plahvatust. Võiksime öelda, et elame isegi jõuelektroonika kuldajal. Seda kasvu juhib nõudlus. Rakendused ei piirdu seejuures vaid tarkvõrkude, elektroliikuvuse ja taastuvenergiaga.

Ühest küljest vajatakse üha rohkem energiat ja seda üle terve maailma, sest rahvaarvu kasv pole peatunud. Ent lisaks sellele on vaja kasvatada seadmete tõhusust. Tänu jõuelektroonikale ja optimiseerimissüsteemidele, uutele materjalidele, nagu ränikarbiit, on võimalik tõsta seda enneolematutesse kõrgustesse – peaaegu 99,9 protsendini. See tähendab, et energia muundamisel tekkivad kaod on praeguseks sisuliselt olematud.

Ajalukku vaadates toimus enam kui saja aasta eest võidujooks Thomas Edisoni ja Nikola Tesla vahel. Edison eelistas alalis-, Tesla vahelduvvoolu. Toona oli Tesla lahendus selgelt ülimuslik, sest vahelduvvoolu pinget sai muunduritega kergemini kasvatada, mis oli kaugemate piirkondade elektriga varustamiseks hädavajalik. Edisonil polnud aimu, kuidas teha sama alalisvooluga. Praegu võime jõuelektroonikat kasutades öelda, et saame teha ka alalisvooluga.

Üldiselt on alalisvoolu kasutamine tõhusam. Kui vaadata kasvõi kodumajapidamisi, töötab enamik sealsetest elektroonikaseadmetest juba praegu alalisvoolul. Kuigi lähitulevikus jätkub ilmselt hübriidsete süsteemide kasutamine, muutub see mujalgi üha tähtsamaks. Ilma jõuelektroonikata oleks taoline siire võimatu.

Jõuelektroonika võib võimaldada energiat kokku hoida ja peale selle säästa läbi väiksemate muundurite loodusvarasid ja keskkonda. Reeglina pole aga head ilma halvata. Mida keerukamad on seadmed, seda rohkem on võimalusi nende katki minemiseks ja kui mul pole võimalik juba praegu näiteks autot ise parandada, võib rännata see seade prügikasti või tuleb maksta selle remondi eest hunnik raha. Kus see sääst tarbija jaoks sellisel juhul avaldub?

Taaskord on tegu hea küsimusega. Paljud jõuelektroonika elemendid on äärmiselt keerukad, isegi lihtsast muundurist leiab tuhandeid komponente: transistore, kondensaatoreid, mikroprotsessoreid jne. Paratamatult tähendab see, et need pole sedavõrd töökindlad. See annab põhjuse, miks peaksime kasutama lihtsamaid süsteeme.

Teisest küljest annavad keerukamad seadeldised meile suurema paindlikkuse ja võimaluse kasutada neid süsteeme rohkemates rakendustes, näiteks saata talletatud energiat kergemini võrku ja vastupidi. Probleemide vähendamiseks töötame inseneridena veajärgsete süsteemide loomise kallal. Kuna süsteem on keerukas, saame programmeerida seda viisil, et see suudab tõrke korral end ümber seadistada ja saab oma tööd jätkata.

Näiteks töötab üks mu doktorantidest lennukite jaoks mõeldud vahelduvvoolusüsteemi kallal. Mõte tekkis sellest, kui mu ühe lennu ajal lakkas üks elektrigeneraatoritest töötamast. See tähendab, et pooled lennuki seadmetest oli vaja välja lülitada ja piloot tegema otsuse esimesel võimalusel maanduda. Reisijad otseselt ohtu ei sattunud, ent lend sai ikkagi häiritud.

Minu lahendus oli kasutada veidi keerukamat seadet, generaatorit, millel on kolme faasi asemele viit või kuus faasi. Isegi kui generaatori või muunduri ühe faasiga midagi juhtub, saab süsteem end rekonfigureerida ja miski ei jää selle vältel toiteta. Piloot saab küll teate, et generaatoriga juhtus midagi, kuid ta saab oma lendu jätkata.

Teine näide on avameretuulepargid. Kui nendega midagi juhtub, tuleb lihtsa süsteemi korral tuulik täielikult seisma panna. Veidi keerukamat jõuelektroonikat appi võttes saame mõned nädalad tootmist jätkata, kui midagi katki läheb, kuigi veidi väiksema võimsusega, kuni inimesest tehnik probleemi kõrvaldab.

Kolmas näide puudutab riikidevahelisi ühendusi, näiteks Eestit Soomega siduvad Estlinki kaableid. Sealsed muundurid põhinevad teatud moodulitel, neist mõned on tavaolukorras liigsed, kuid kui midagi peaks töös olevate moodulitega juhtuma, saavad need sujuvalt töö üle võtta.

Energiasüsteemide elektrifitseerimises nähakse olulist rolli kliimakriisi pehmendamiseks, olgu siis elektrisõidukite või soojuspumpade kasutamise näol. Iga taoline jõuelektroonikat sisaldav seade tekitab aga võrgus väikesi häiringuid. Kas meie võrgud on selliseks nihkeks üleüldse valmis ja kuidas saavad insenerid oma seadmeid disainides nende mõju vähendada?

Elektrifitseerimine ja elektromobiilsuse kasv toob kolm peamist probleemi. Autode ja rongide ajamite ning nende laadijate puhul on need võrdlemisi kergesti lahendatavad.

Kolmas on kõige nurjatum – see on meie energiasüsteemide ülesehitus. Kui meil oleks võimalik asendada praegu kõik sisepõlemismootoril töötavad autod elektriautodega ja seda ka tahaksime, ei jätkuks süsteemis selle jaoks energiat. Elektrivõrk pole selleks muutuseks valmis.

Jõuelektroonikast on siinkohal kasu mitmes vallas. Näiteks võimaldab muuta see taastuvatest allikatest pärit elektri kohe selliseks, millega saab autosid laadida.

Veelgi paremana võimaldab paigaldada see meil osa elektri talletamiseks kasutatavatest elementidest, näiteks akud, laadijate vahetusse lähedusse. Võime näiteks ette kujutada, kuidas neid akusid laaditakse pidevalt ja auto saabudes saadetakse sellest märkimisväärne osa kiirlaadijaga autoakusse ehk me ei koorma sellega võrku tervikuna. Jõuelektroonikata poleks taoline lahendus võimalik.

Eriti oluline on see just elektrirongide puhul. Nende võimsus küündib kümnete tuhandete kilovattideni ja peame neid pidevalt vooluga varustama. Tüüpiliselt tähendab see, et raudtee kõrvale tuleb rajada kõrgepingeliin koos alajaamavõrgustikuga. Võime küsida, kui mõistlik taoline investeering on, kui sellel liinil sõidab tunnis üks rong.

Meil on Poolas käimas katseprojekt, kus on alajaamad varustatud akudega. Me ei pea seeläbi varustama süsteemi mitte kümne megavatilise, vaid ühe megavatilise ühendusega ja kasutame seda akude laadimiseks. Alajaama mõjupiirkonda sattudes kasutame kiirrongi elektriga varustamiseks akudesse talletatud energiat.

Taolise süsteemi rajamine tuleb palju odavam. Hakatuseks pole vaja rajada uusi kõrgepingeliine, millega vähendab selle lepingu maht kümme korda. Teiseks saame töötada taolist süsteemi aluseks võttes uusi tehnoloogiaid ka ülejäänud riigi elektrifitseerimisel.

Viimasel kümnendil oleme näinud tahet liikuda detsentraliseeritud elektrivõrgu suunas, olgu see põhjus ideoloogiline või soov muuta elektrivõrku lihtsalt vastupidavaks. Samas ilmestas hiljuti Baltimaades tekkinud hirm seoses Venemaa elektrivõrgust lahti haakimisega, et meil on vaja võrgu sageduse hoidmiseks endiselt suurtootjaid. Mida me selle sõltuvuse vähendamiseks teha saame, arvestades kui alalhoidlikud kipuvad võrguhaldurid olema?

Laiemat pilti vaadates on olemas nutivõrgud, mis muudaks sageduse hoidmise tehniliselt võimalikuks. Suurte jõujaamade, ülekandeliinide ja muundurite järele jaoks vajadus. Jõuelektroonika abil saaks luua väiksemaid alasüsteeme, näiteks ühe tänava või linnaosa jaoks, mis suudaks toimida üldisest elektrivõrgust täielikult sõltumatult. Selles peaksid olema lisaks elektritarbijatele nii tootmisüksused kui ka võimalused energia salvestamiseks.

Jõuelektroonika kontrollerid on tavaliselt väikesed. Neile saab lisada juurde kommunikatsiooniprotokollid, et nad saaksid omavahel suhelda. Piltlikult võib võrrelda seda internetiga, milles ruuterid omavahel energiat vahetavad.

Vastavalt sellele, kuidas parasjagu mõistlikum paistab, saab süsteemis energiat talletada või nihutada vajadusel tarbimist paremale ajale, näiteks pesumasinat ei pea alati ilmtingimata kindlal kellaajal tööle panema. Kui omanik on sellise lahendusega nõus, saab ta kõik valmis panna ja laseb teha süsteemil ära oma töö.

Seega, tehniliselt on see juba praegu võimalik ja tehnoloogia on olemas. Oleme oodanud tarkvõrkude juurutamisega liiga kaua. Praeguses energiakriisis oleks osutunud see väga kasulikuks. Olemuslikult on need väga tõhusad.

Teisisõnu on võimalik praegust tootmise ja tarbimise õrna tasakaalu hoida ka teisiti ning tulevikule mõeldes peaks muutuma seeläbi meie vooluvõrk rohkem internetisarnaseks moodustiseks?

Oleme avaldanud tegelikult sel teemal oma Tallinna Tehnikaülikooli kolleegidega transaktiivse energia kohta isegi teadustöö. Idee seisneb sellest, et vooluvõrk töötab nagu börs. Energiahind poleks kunagi konstantne, suure nõudluse korral läheb hind üles ja vastupidi. Selle eeldusena leidub süsteemis energiasalvesteid ja väiketootjaid.

Võime ette kujutada, et taoline süsteem hakkab end ise stabiliseerima. Miks? Arvutile ette kirjutatud reeglite järgi hakatakse vastavalt tarbijate hinnatundlikkusele tema mõningaid seadmeid välja lülitama. Tarbimine hakkab seepeale vähenema ja hind tuleb alla. Kui aga tootmist on palju ja seda ei tarbita ära, hakkab süsteem akusid laadima. Taaskord, tehniliselt on see juba praegu võimalik.

Millega te Tallinna Tehnikaülikooliga koostöös veel praegu tegelete või mis on mõned paljutõotavad tulevikusuunad, mille kallal edaspidi tegeleda võiks?

Alustasime koostööd juba umbes 20 aasta eest. Viimasel ajal oleme keskendunud tarkvõrkudele ja tarkmuunduritele ning energiaruuteritele, sh kojumajapidamisse sobivatele vahelduvvoolu-alalisvoolumuunduritele, samuti päikesepaneelide muunduritele. Poola ja Eesti Teaduste Akadeemia toetusel otsime lisaks võimalusi veajärgsete operatsioonide tagamiseks, et muundurid töötaksid ka siis edasi, kui midagi katki läheb.

Alusuuringute raames võib tegeleda paljude asjadega, ent kui palju te näete, et Poolas ja Balti piirkondades tegutsevatel ettevõtetel on huvi neid praktikas kasutusse võtta või tuleb otsida paratamatult partnereid riikidest, mille majandus on teadmusmahukam?

Jõuelektroonikat rakendatakse valdkonnas, mis on olemuslikult alalhoidlik ja konservatiivne. Süsteemihalduritest võib aru saada, sest praktikas varem laiemal skaalal rakendamata süsteemide kasutamine võib tunduda riskantsena. Energiakriis on hakanud aga uute kaasaegsete lahenduste, sh tarkvõrkude kasutuselevõttu kiirendama. Kahtlustan seega, et süsteemihaldurid muutuvad uute lahenduste suhtes avatumaks.

Teisi võimalusi lihtsalt pole. Peame muutma oma süsteeme tõhusamaks kasvõi kasvava elanikkonna tõttu. Teame, et traditsioonilised fossiilkütuste, nagu nafta ja gaasi, allikad hakkavad lõppema või pole meil võimalik neid vähemalt tulevastele põlvkondadele mõeldes kasutada.