Wallenberg Scholars

Energibesparing genom uppkopplade apparater och fordon

Tåg av lastbilar, lokaler som bara värms upp om någon är där och tvättmaskiner som anpassar sig efter elnätets kapacitet. Det är några tillämpningar av Karl Henrik Johanssons annars ganska teoretiska forskning. Om nätverk av datorer och sensorer får styra finliret i vår vardag, går det att göra stora energibesparingar.

Några radiostyrda lastbilar står parkerade i experimentverkstaden. Det är högt i tak, nakna ventilationsrör och slitna målade betonggolv, lite som i en lagerlokal. Karl Henrik Johansson, professor i nätverksreglering, har just flyttat hit den praktiska biten av sin verksamhet.

Några hundra meter bort på KTH:s campus ligger institutionen där hans forskargrupp utvecklar ny teori för nätverksreglering: hur olika enheter ska samarbeta föratt lösa en gemensam uppgift.

I fallet med lastbilarna handlar det om att räkna ut hur de, genom att kommunicera med varandra, kan åka tätare ihop utan att krocka. Fordonet längst fram ska ha en förare, men sen rullar resten av bilarna automatiskt efter, på ett avstånd om bara ett tiotal meter. Ju närmare, desto mindre luftmotstånd och desto större bränslebesparing.

− Mellan år 2000 och 2020 beräknas antalet godstransporter i världen växa med 50 procent. Om vi grupperar lastbilar i tåg, så att de kör ihop, kan vi spara 5–10 procent i bränsle, säger Karl Henrik Johansson, som blev utsedd till Wallenberg Scholar år 2009.

En trådlös konvoj

Redan nu använder Scania hans teknik ute på vägarna. Företaget har ett åkeri där de bland annat provar att köra konvojer om 3–4 lastbilar åt gången mellan Stockholm och Zwolle i Holland. Men här på KTH ska tekniken optimeras ytterligare. Fordonen ska bli än bättre på att samverka, transporter ska ske på utsatt tid och vägnätet ska användas effektivare.

Lastbilsmodellerna och andra fordon i lokalen utrustas med datorer, sensorer och trådlös kommunikation.

− Om lastbilarna ska köra på ett visst avstånd från varandra måste de kunna kommunicera. De bilar som följer efter måste snabbt anpassa sig om den framför till exempel bromsar eller gasar, säger Karl Henrik Johansson.

Lastbilarna blir till mobila sensorer som vet var i världen de befinner sig och som kan ta till sig och kommunicera information om vägförhållanden och övrig trafik. I lagerlokalen har forskargruppen med hjälp av infraröda kameror satt upp ett GPS-system för inomhusbruk. Det är samma slags system som filmindustrin använder när de animerar figurer som Gollum i Sagan om ringen.

Själva vägnätet ska forskargruppen projicera på golvet. Tanken är att kartan ska rulla fram så att modellbilarna kan köra runt i hela i Europa trots att lokalen bara är 10–15 meter lång.

Lastbilar och tvättmaskiner – enheter i ett nätverk

För Karl Henrik Johansson handlar lastbilsexperimenten om mer än bara bränsleförbrukning. Han ser lastbilarna som mobila enheter i ett dynamiskt nätverk, där varje enhet är mer eller mindre beroende av alla de andra. När enheterna kommunicerar kan de anpassa sig efter varandra och dra nytta av varandras information. Dessa enheter kan vara något helt annat än lastbilar, till exempel rum i ett hus eller sammankopplade processer i en industri.

− Vi utvecklar grundläggande teorier för hur de här sammankopplade systemen ska vara uppbyggda, säger Karl Henrik Johansson.

De tar fram ekvationer som beskriver enheternas kommunikation och programmerar datorer som styr och optimerar processerna automatiskt. På engelska heter ämnesområdet »net worked control« och det kan översättas till »reglering av dynamiska nätverk «.

Karl Henrik Johansson tar ett annat exempel: tvättmaskiner utvecklade för Norra Djurgårdsstaden, en miljöstadsdel som byggs i Stockholm. Tvättmaskinerna, framtagna av Electrolux, känner av tillfälliga toppar och dalar i elförbrukningen och rättar sig därefter.

Genom sådana här automatiska anpassningar blir belastningen på elnätet jämnare.

− En maskin spelar ingen roll, men när alla hushåll i Norra Djurgårdsstaden, eller hela Stockholm, tvättar så här gör det helt plötsligt skillnad, säger Karl Henrik Johansson.

Små förändringar som ger stor effekt

När han tillämpar sina teorier handlar det ofta om små förändringar som leder till stora energibesparingar; enkla men smarta innovationer som göra saker effektivare.

En doktorand har nyligen börjat experimentera med energianvändningen på KTH. Han ska koppla temperaturregleringen till universitetets undervisningsschema. En tom föreläsningssal ska förbruka minimalt med energi. Först någon timme innan studenterna fyller salen, ska värme och ventilation gå igång.

Men Karl Henrik Johansson har också lite mer vilda framtidsvisioner. På en hylla i experimentverkstaden står helikopterliknande modeller. Dessa ska, med hjälp av dynamisk nätverksreglering, flyga i formation i lagerlokalen. Helikoptrarna ska känna av och anpassa sig till varandra och till trafiken på golvet – helt automatiskt.

Han hoppas kunna bjuda in skolelever som kan få prova på och inspireras av den spektakulära tekniken.

Så det är tur att det är högt i tak i Karl Henrik Johanssons experimentverkstad.

Text Ann Fernholm
Bild Magnus Bergström