blog-background.png

Mitä haasteita muuttuva energiantuotannon kenttä tuo mukanaan?

Antti Leinonen
Antti Leinonen - 10. maaliskuuta 2017 klo 9.34.36

ThinkstockPhotos-484905986_FI_Antti Leinonen_Blog 1.jpgSuomalaiset verkkoyhtiöt ovat jo ottaneet yhden merkittävän askeleen kohti verkon digitalisaatiota, kun älykäs mittaus ja etäluentajärjestelmät on otettu käyttöön. Seuraava teknologinen kehitysaskel lähestyy jo, kun energiantuotantokenttä hajautuu, uusiutuvan energian tuotanto lisääntyy ja sähkölaitteiden määrä verkossa kasvaa. Myös energiankäyttäjät muuttuvat kuluttajista aktiivisiksi kuluttajatuottajiksi, ja uudenlaiset verkkoteknologiat ja ICT nostavat päätään.

Kolmiosainen blogisarjani käsittelee tulevaisuuden sähköverkkoa sekä akustojen hyödyntämistä osana joustavaa sähköenergiajärjestelmää. Sarja perustuu Tampereen teknilliselle yliopistolle tekemääni diplomityöhön. Ensimmäinen osa keskittyy tulevaisuuden sähköverkkojärjestelmässä tapahtuviin oletettuihin muutoksiin ja muutosten mukanaan tuomiin kysymyksiin.

Inertian säilyminen ratkaistava hajautetun ja uusiutuvan energian tuotannon integroinnissa

Suomessa sähköverkon infrastruktuuri on ollut erinomainen ja jakelukatkot vähäisiä, joten on ollut helppo ajatella: ”Sähkö tulee seinästä”. Verkkoyhtiöissä toki tiedetään, että laadukas sähkönjakelu ei ole itsestäänselvyys vaan vaatii onnistuakseen monenlaisia toimenpiteitä ja työkaluja.

Kansainväliset päästövähennystavoitteet, kuten EU:n ilmastosopimukset ja viime vuoden lopulla julkaistu talvipaketti  sekä YK:n ilmastosopimukset, kuten myös uusiutuvien energiateknologioiden hintojen aleneminen ovat niitä ajureita, jotka tulevat lisäämään uusiutuvien energialähteiden määrää tulevaisuudessa. Nämä tuotantoteknologiat muovaavat keskitettyä tuotantoa hajautetuksi: esimerkiksi omavaraisten asuinrakennusten aurinkopaneeleilla voidaan paitsi kattaa oma energian kulutus myös myydä yli jäänyt energia verkkoon. Näin sähkönkäyttäjistä tuleekin tulevaisuudessa aktiivisia kuluttajatuottajia. Uusiutuvien energialähteiden esiinmarssi näkyi konkreettisesti myös esimerkiksi Verkosto 2017 -messuilla, jossa erilaisia aurinkopaneeleihin ja tuulivoimaan liittyviä osastoja oli esillä vaikka kuinka paljon.

Uusiutuvan energian teknologiat tuovat mukanaan myös haasteita, kuten uusiutuvien energialähteiden liitettävyyden verkkoon. Sähköntuotanto on tasavirtaa, joka tehoelektroniikan avulla muutetaan vaihtovirraksi, jotta se saadaan liitettyä verkkoon. Suurten ja nopeiden tuotantovaihteluiden takia heikommissa verkoissa tämä voi aiheuttaa paikallisia yli- ja alijännitteitä. Suuremmassa mittakaavassa haasteeksi tulee verkon inertia, joka tarkoittaa kykyä vastustaa taajuuden muutosta: kun pyörivillä koneilla toimivia tuotantolaitoksia korvataan aurinkopaneeleilla ja tuulivoimaloilla, häviää verkosta samalla huomattava määrä inertiaa. Pienemmillä inertiamäärillä voimaloiden äkilliset putoamiset verkosta aiheuttavat suurempia taajuusheilahteluita koko sähköverkkoon.

Miten käy toimitusvarmuuden sähkölaitteiden määrän lisääntyessä?

Sähköä tarvitsevien laitteiden määrä on jo nykyään suuri, ja se kasvaa tulevaisuudessa. Yksi tulevaisuuden sähköverkon haasteista onkin toimitusvarmuuden takaaminen niin kuluttajalle, teollisuudelle kuin koko infrastruktuurille yhteiskunnassa. Miten esimerkiksi varmistetaan sähkönsaanti kriittisissä kohteissa, kuten sairaaloissa, jotka muodostavat itsenäisen, paikallista tuotantoa ja kulutusta sisältävän pienjänniteverkon osan? Nämä pienet mikroverkot tarvitsevat varavoimalähteitä, jotta sähkön toimitus voidaan taata muun verkon romahtaessakin. Erilaiset varavoimalähteet, kuten UPS:t, dieselgeneraattorit ja kaasuturbiinit, ovat nykypäivän ratkaisuja. Onko UPS:ien käyttöaika riittävän pitkä ja käynnistyvätkö dieselgeneraattorit tarpeeksi nopeasti?

Yksinkertaistettu mallinos mikroverkkoalueesta: 

Yksinkertainen mallinnos mikroverkkoalueesta.png

Suomessa toimitusvarmuuteen ja pitkiin jakelukatkoksiin ovat vaikuttaneet eniten myrskyt, joiden takia sähköverkkoyhtiöt ovat alkaneet tehdä investointeja. Maakaapelointi on ollut yksi suosittu vaihtoehto jakelukatkojen ehkäisemisessä, mutta löytyykö sille tulevaisuudessa kustannustehokkaampia vaihtoehtoja ja onko olemassa voimalinjoja, joita kannattaa esimerkiksi maaseudulla korvata erilaisilla teknologioilla? Kuinka paljon toimitusvarmuuteen ja verkon vikatilanteiden paikallistamiseen voidaan vaikuttaa lisäämällä älykkyyttä ja kommunikaatiomahdollisuuksia verkon eri komponentteihin?

Virtapiikkien hallinta vaatii uusia sähkön hinnoittelu- ja kysyntäjoustomalleja

Kuluttajat vaikuttavat yksinään sähköverkkoon vain vähän, mutta massoittain vaikutus on suuri. Esimerkiksi kuluttajien lämpöpumput lisääntyvät ja aiheuttavat verkkoon virtapiikkejä käynnistyessään. Lämpöpumppujen käynnistäminen samanaikaisesti heikon jakeluverkon alueella voi aiheuttaa alueelle sähkönlaadun heikkenemistä, kuten välkyntää, ja jännitteen alenemia.

Myös sähköautojen määrä kasvaa jo lähitulevaisuudessa niin kuluttajien kuin julkisenkin liikenteen osalta. Miten sähköverkko kestää lisääntyvät kulutuspiikit, joita syntyy, kun autojen lataaminen ajoittuu samalle ajanjaksolle? Minkälaisella algoritmilla saadaan eri tuntien sähkönhintaa muokattua niin, ettei lataaminen aina ajoitu oletetulle halvimmalle tunnille? Ja millaisella kysyntäjoustojärjestelmällä saadaan latauspisteet kommunikoimaan keskenään niin, että sähköautojen akut ovat täynnä, kun tarve vaatii, mutta samalla lataukset ajoittuisivat alueella joustavasti minimoiden piikit?

Uudet verkkoteknologiat ja ICT tarjoavat mahdollisuuksia

Uudet verkkoteknologiat tukevat sähköverkon toimintaa ja lisäävät sen älykkäitä ominaisuuksia. Smart Grid on ollut yksi 2000-luvun puhutuimmista termeistä verkkoyhtiöiden keskuudessa, mutta missä vaiheessa sähköverkon älykkyys on ja miten sitä täytyisi kehittää? Suomessa sähköverkon automatisointi on jo pitkällä, kun älykkäät mittarit ja etäluentajärjestelmät mittaavat sähkönkulutusta. Älykkään mittarin ansiosta voidaan myös seurata paikallisesti jännitteen laatua sekä paikallistaa verkon vikakohtia nopeammin ja tarkemmin. Myös uuden sukupolven suojareleistä ym. verkon suojausmenetelmistä löytyy samanlaisia älykkäitä ominaisuuksia keskijänniteverkon vikojen paikantamiseksi.

Informaatio- ja kommunikaatioteknologioiden kehittyminen on myös oleellista sähköverkon kehittymiselle älykkääksi sähköverkoksi. Kehittyvät kommunikaatiotavat mahdollistavat nopeamman ja varmemman datansiirron, ja lisäksi pilvipalvelut helpottavat datan saatavuutta. Koska kommunikaatio on nykypäivänä jo varsin edullista ja kuuluvuusalueet paranevat esimerkiksi 4G- ja tulevassa 5G-teknologiassa, on verkon laitteiden välisen kommunikaation kehittäminen helpompaa. On kuitenkin muistettava, että teknologioiden kehittyessä esimerkiksi tietoturvallisuuden merkitys kasvaa entisestään – niin verkon toimintakyvyn kuin vaikkapa asiakastietojen säilymisen osalta.

Tulevaisuuden energiaverkko on varmasti erilainen kuin verkko tänään, mutta yksi asia ei muutu: laadukas ja varma sähkönjakelu vaatii työtä ja toimivaa teknologiaa – tulevaisuudessakaan sähkö ei vain tule seinästä.

 

Seuraa meitä LinkedInissä:   Landis+Gyr in the Nordics

Viimeisimmät artikkelit

Suositut artikkelit