Älykkäät sähköverkot ja energiamarkkinat - SGEM-ohjelman loppuraportti

ÄLYKKÄÄT SÄHKÖVERKOT JA ENERGIAMARKKINAT

SISÄLLYS 4 Älyverkkotutkimus luo perustaa tulevaisuuden energiajärjestelmälle 6

Ohjelman vaikuttavuus

7

Osallistujan puheenvuoro

8

Älykäs sähköverkko

10

Tulevaisuuden energiajärjestelmä

12

Tasasähkö tuo varmuutta sähkönjakeluun

14

Sähköautot sujuvasti sähköverkkoon

17

Sähkön kysynnästä joustavaa – ja joustosta kannattavaa

19

Kaikki hyöty etäluettavasta sähkömittarista

21

Tuulivoima ja sähköverkko haastavat toisensa

23

Kotitaloudet kasvavat sähköntuottajiksi vähitellen

24

Älykäs sähköverkko vaatii uutta teknologiaa

27

Älykäs sähköverkko korjaa itse vikansa

29

Nopea tiedonkulku helpottaa vikatilanteissa

4

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

Ä LY V E R K KOT U T K I M U S L U O P E R U S TA A T U L E VA I S U U D E N ENERGIAJÄRJESTELMÄLLE Suomalaiset yritykset ja tutkimuslaitokset kehittivät tulevaisuuden energiajärjestelmää monialaisessa tutkimusohjelmassa Älykkäät sähköverkot ja energiamarkkinat.

Sähköverkon älykkyydellä tarkoitetaan yksinkertaisimmillaan automaatiota, joka parantaa verkkojen luotettavuutta ja kannattavuutta. ”Pitkällä aikavälillä älyverkkotutkimus tähtää kuitenkin radikaaleihin muutoksiin energiamarkkinoilla niin kansallisella kuin kansainväliselläkin tasolla”, kertoo ohjelmapäällikkö Jani Valtari.

Muutoksia edellyttävät kestävän kehityksen tavoitteet energiantuotannossa sekä lisääntyvä sähköenergian tarve. On varmistettava, että tulevaisuuden sähköjärjestelmä tukee uusiutuvan energian tuotantoa.

Tutkimusohjelman tavoitteena oli kehittää älyverkkoratkaisuja, joita voidaan havainnollistaa Suomen energiajärjestelmässä ja hyödyntää maailmanlaajuisesti. Ratkaisut liittyvät verkkojen arkkitehtuuriin, komponentteihin, hallintaan ja ylläpitoon.

Teknologian ohella ohjelmassa kehitettiin liiketoimintamalleja tulevaisuuden sähkömarkkinoille.

Tutkimuksen perimmäisenä tarkoituksena oli vahvistaa alan osaamista ja kilpailukykyä Suomessa. ”Lähtökohtamme on erittäin hyvä. Suomi ja muut pohjoismaat ovat aivan kärjessä automaatioteknologian hyödyntämisessä sähköverkoissa. Voidaan sanoa, että sähköverkot ovat jo nyt älykkäitä, mutta kehitys jatkuu yhä nopeampana”, Valtari toteaa.

Älyverkkojen kehittäminen edellyttää teknisesti ennen kaikkea energiateknologian sekä tietoja viestintäteknologian asiantuntemusta. Lisäksi käytännön ratkaisut vaativat tiivistä yhteistyötä sähkön myyjien ja jakelijoiden välillä. Yhteistyön eri tasot varmistettiin liittämällä ohjelmaan peräti 25 yrityksen ja 8 tutkimuslaitoksen voimat. Tutkijat hyödynsivät ja vahvistivat myös kansainvälisiä verkostojaan. ”Yhteistyö on mahdollistanut sen, että olemme voineet tutkia koko järjestelmän muutosta. Olemme luoneet tutkimusalustoja, joiden avulla olemme voineet demonstroida tutkimustuloksia todellisissa ympäristöissä. Samalla olemme rakentaneet valmiuksia uusille tuotteille ja toimintatavoille. Tästä yritysten on helppo jatkaa omaa tuotekehitystään”, Valtari sanoo. Hän itse työskentelee ABB:llä, joka oli yksi ohjelman osallistujista.

Tutkimusohjelmaa johti CLEEN Oy (Cluster for Energy and Environment), joka on strategisen huippuosaamisen keskittymä (SHOK) energia- ja ympäristöalan yrityksille ja tutkimusyhteisöille.

Ohjelma tunnetaan nimellä SGEM (Smart Grids and Energy Markets) eli Älykkäät sähköverkot ja energiamarkkinat. Sen kokonaisarvo oli 52 miljoonaa euroa, josta yritykset maksoivat 34 prosenttia, julkiset tutkimuslaitokset 10 prosenttia sekä Tekes 56 prosenttia.

Ohjelma alkoi vuoden 2010 alussa ja päättyy helmikuussa 2015.

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

A B B OY A I D O N OY A L S TO M G R I D OY C A R U N A OY OY C Y B E R S O F T A B E L E K T R O B I T W I R E L E S S CO M M U N I C AT I O N S OY E L E N I A OY E M P O W E R I M OY E M P O W E R OY E M T E L E OY F I N G R I D OY J H E L E N S Ä H KÖ V E R K KO OY HEL SINGIN ENERGIA I N N O -W OY M X E L E C T R I X OY N O K I A S I E M E N S N E T W O R K S OY O U L U N S Ä H KÖ N M Y Y N T I OY S U U R -S AV O N S Ä H KÖ OY T E K L A OY T E L I A S O N E R A F I N L A N D OY J T H E R E CO R P O R AT I O N OY T H E S W I TC H D R I V E S Y S T E M S OY T I E TO F I N L A N D OY

56

34

VA N TA A N E N E R G I A S Ä H KÖ V E R KOT OY

52 M I L J. €

V I O L A S Y S T E M S OY

34 % Y R I T Y K S E T

A A LTO - KO R K E A KO U L U S Ä ÄT I Ö

10

I TÄ -S U O M E N Y L I O P I S TO L A P P E E N R A N N A N T E K N I L L I N E N Y L I O P I S TO M I T TAT E K N I I K A N K E S K U S O U L U N Y L I O P I S TO TA M P E R E E N T E K N I L L I N E N Y L I O P I S TO T E K N O LO G I A N T U T K I M U S K E S K U S V T T VA A S A N Y L I O P I S TO

10 %

JULKISET TUTKIMUSL A I TO K S E T

56 % T E K E S

5

Ohjelman vaikuttavuus YHTEISKUNNALLISESTI VA I K U T TAVA

108 41 20

U U T TA D I P LO M I - I N S I N Ö Ö R I Ä C L E A N T EC H -A LU E E L L E J AT KO OPISKELIJA A U L KO M A I S TA TUTKIJA A

SGEM-ohjelmassa tehty selvitys tuki merkittävästi mikrotuotantolaitosten teknisten vaatimusten Euroopan tason harmonisointia Suomen osalta. Selvityksen pohjalta annoimmekin Energiateollisuudessa valtakunnallisen suosituksen hyväksyä Suomessa jakeluverkkoihin Saksan standardit täyttävät mikrotuotantolaitteet. Tämä avasi Suomen markkinat useille uusille mikrotuotantolaitteiden valmistajille ja näin edisti mm. aurinkosähkön yleistymistä I N A L E H TO, asiantuntija Energiateollisuus ry

O P E R AT I I V I S E S T I TEHOKAS

840 95

S U U N N I T E LT U A T U OTO S TA % B U DJ E TO I D U I S TA K U L U I S TA

SGEM on ollut paitsi rahoittaja, myös tärkeä kanava yhteistyöhön teollisuuden kanssa, mutta ennen kaikkea se on mahdollistanut pitkäjänteisen työskentelyn tutkimusaiheeni parissa. Tällainen sitoutuminen on poikkeuksellista nykyisessä pirstaloituneessa rahoituskentässä.

A N T T I M U TA N E N , tutkija Tampereen teknillinen yliopisto

TIETEELLISESTI KO R K E ATA S O I N E N

13 71 219

VÄ I TÖ S KIRJA A V E R TA I S A R V I O I T U A T I E T E E L L I S TÄ L E H T I ARTIKKELIA KO N F E R E N S S I JULK AISUA

SGEM on tuottanut uutta tietoa niin sähkömarkkinoista kuin verkkotekniikastakin.

Esimerkki teknologian kehittämisen tieteellisestä tuloksellisuudesta on maailman ensimmäinen jatkuvassa sähkönjakelukäytössä oleva haja-asutusalueen ±750 V pienjännitteinen tasasähkömikroverkko ja siihen liittyvät 3 väitöskirjaa, 8 lehtiartikkelia, ja kymmenet konferenssijulkaisut.

T E R O K A I P I A , tutkija Lappeenrannan teknillinen yliopisto

T E O L L I S E S T I M E R K I T TÄVÄ

240 13 23

T E K N I S TÄ R A P O R T T I A T E O L L I S U U D E N TA R P E I S I I N TUTKIMUSP I LOT T I A M I L J. € U U S I A S I S Ä I S I Ä T & K H A N K K E I TA

There Corporation on hyötynyt merkittävästi SGEM-ohjelmasta. Se on mahdollistanut kysynnänjouston ratkaisujen tutkimista yhdessä, mutta lisäksi se on auttanut luomaan business-kontakeja meille tärkeisiin partnereihin. SGEM-ohjelmaa on hallittu erittäin hyvin, mikä näkyy siinä että tekeminen ei ole siiloutunut vaan partnereiden aito kiinnostus yhteistyöhön on jatkunut koko ohjelman ajan.

MIKAEL LATVALA, teknologiajohtaja There Corporation Oy

OS ALLISTUJAN PUHEENVUORO Älykkäät sähköverkot ovat maailmanlaajuisesti yksi tärkeimmistä Cleantech-ratkaisuista. Juuri älykkäiden sähköverkkojen avulla mahdollistetaan uusiutuvan sähköntuontannon merkittävä lisäys. Uusiutuvan tuotannon lisääntyessä vaatimukset toimitusvarmuuden ja vikasietoisuuden osalta kasvavat. Yhteiskunta tulee yhä riippuvaisemmaksi sähköenergiasta, mikä edelleen korostaa älykkäiden sähköverkkojen merkitystä.

Suomessa on merkittävää älyverkko-osaamista eri toimialoilla ja tieteenaloilla. Osaaminen kohtaa SGEM-tutkimusohjelmassa. Laajan ja monialaisen konsortion avulla olemme yhdessä pystyneet mallintamaan tulevaisuuden sähköverkkoja jo tänään – yksin se ei olisi mahdollista. Tämä auttaa ABB:tä yhä kiristyvässä globaalissa kilpailussa monella tavalla. Yhteistyössä olemme rakentaneet uusia ratkaisuja, joilla Suomen oman sähköverkon älykkyys pysyy kehityksen kärjessä ja Suomessa kehitetyistä ratkaisuista saadaan globaaleja huippuvientituotteita. Tämä on tutkimuspanostuksemme lopullinen päätavoite.

Tulevaisuudessa Suomi tarvitsee entistä enemmän korkean jalostusarvon Cleantech-osaamista sekä toimialarajat ylittävää innovointia.

SGEM -ohjelma on ollut hyvä esimerkki siitä, miten innovaatiokeskittymiä luodaan. Toivomme laajapohjaisen tutkimusyhteistyön jatkuvan myös SGEM-ohjelman jälkeen.

TA U N O H E I N O L A Toimitusjohtaja ABB Oy

8

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

Älykäs sähköverkko HAASTEENA toimitusvarmuus ja sähköverkon uudet komponentit

HAJAUTE T TU T U OTA N TO

K A A P E LO I N T I

S Ä H KÖ A U TOT

O H J AT TAVA KULUTUS

E N E R G I AVA R A S TOT

APUNA uudet tietotekniset ratkaisut

AV O I M E T T I E TO L Ä H T E E T

4G

E TÄ L U E T TAVAT S Ä H KÖ M I T TA R I T

MOBIILILAITTEET

TULOKSENA uudet älykkäät toiminnot

I T S E KO R J A AVAT V E R KOT

S Ä Ä S TÖJ Ä V E R KO N VA H V I S T U S K U L U I S TA

KYSYNNÄNJ O U S TO

E N N A KO I VA K U N N O N VA LV O N TA

TAVOITTEENA uudet tuotteet, palvelut ja liiketoimintamallit

VIRTUA ALISE T V O I M A L A I TO K S E T

J O U S TO N M Y Y N T I S Ä H KÖ M A R K K I N O I L L A

AKTIIVISEN K U L U T TA J A N PA LV E L U T

CLEANTECHV I E N T I T U OT T E I TA

SUOSITUKSE T R E G U L A AT I O O N J A TUKIPOLITIIKK A AN

PERINTEINEN S Ä H KÖ V E R K KO

Ä LY K Ä S S Ä H KÖ V E R K KO

PERUSVOIMA SUURJÄNNITE 110–400 KV KESKIJÄNNITE 10–60 KV PIENJÄNNITE 400 V / 230 V

TUULIP U I S TO

REAALIAIKAISET S Ä H KÖ M A R K K I N AT

S Ä ÄTÖ V O I M A AKTIIVISEN V E R KO N H A L L I N TA

Ä LY K Ä S S Ä H KÖA S E M A NOPEA TIEDONS I I R TO

Ä LY K Ä S M U U N TA M O

HAJAUTE T TU T U OTA N TO

Ä LY KOT I , S Ä H KÖA U TO, E TÄ L U E T TAVA S Ä H KÖ M I T TA R I , O H J AT TAVA K U L U T U S . . .

E N E RG I AVA R A S TOT

TA S A S Ä H KÖ SAAREKEV E R K KO

10

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

Tulevaisuuden energiajärjestelmä Uusiutuvat energialähteet mullistavat sähköverkot ja -markkinat. Ennen jousti vain sähkön tuotanto, tulevaisuudessa joustaa myös kysyntä.

”Käsillä on energia-alan suurin murros sitten sähkön käyttöönoton”, toteaa sähkötekniikan professori Jarmo Partanen Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta. Uudistusten ketju on käynnistynyt energiantuotannosta.

Uusiutuvien energialähteiden, kuten auringon ja tuulen, suosio kasvaa, koska energiantuotannossa pyritään rajoittamaan hiilidioksidipäästöjä ja hillitsemään siten ilmastonmuutosta. Saman aikaan alaa ajaa muutokseen lisääntyvä sähköenergian tarve.

Hajautettua tuotantoa hallitusti Aurinko- ja tuulivoimalat ovat poikkeuksia sähköjärjestelmissä alkaen niiden pienestä koosta. Suurehkoja tuulipuistoja lukuun ottamatta tyypillisiä tuottajia ovat omakotitalot, toimistotalot sekä julkiset tilat. Nämä pientuottajat pyrkivät tavallisesti käyttämään tuottamansa sähkön itse ja myymään ylijäämän verkkoon.

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

”Haasteena on se, miten hajautettu tuotanto liitetään verkkoon tehokkaasti ja luotettavasti”, Partanen sanoo. Hänen mukaansa liittymä itsessään on ratkaistu jo varsin kelvollisesti, mutta verkon kuormitus vaatii yhä enemmän huomiota, jotta sähkön tuotanto ja kulutus pysyisivät tasapainossa.

Perinteisessä energiajärjestelmässä voimalaitokset ennustavat kulutusta ja säätävät tuotantoa ennustuksen mukaan. Sen sijaan aurinko ja tuuli tuottavat milloin tuottavat ja vieläpä minimaalisin kustannuksin. Tästä seuraa tuotannon ennakoimatonta heilahtelua, joka koettelee järjestelmän tehotasapainon hallintaa mutta myös sähköntuottajien taloutta. Aurinkoisena ja tuulisena päivänä perinteisen voimalaitoksen tulot romahtavat, kun sähkön markkinahinta painuu alas. Pahimmissa tilanteissa tuottaja maksaa asiakkaalle siitä, että tämä ottaa sähköä vastaan. ”Jos sähköntuotanto ei kannata, voimalaitokset poistuvat markkinoilta. Mutta miten silloin taataan sähkön tarjonta pilvisenä päivänä?” Partasen mukaan sähköjärjestelmän uudistuksessa on alkamassa toinen aalto. ”Tähän mennessä on saatu aikaiseksi paljon hyvää mutta myös ongelmia. Nyt ratkaistaan ongelmat ja luodaan sähkömarkkinoiden uusi malli.”

Joustoa kysyntään ja tarjontaan Tulevaisuuden sähköjärjestelmässä sähkön kysyntä joustaa. Partasen mukaan olennaista on saada kotitaloudet mukaan joustamaan tarjoamalla niille helppoja ja taloudellisesti kannattavia ratkaisuja. ”Esimerkiksi Suomessa on paljon sähkölämmitteisiä taloja, joissa vesivaraajan voisi lämmittää järjestelmän kannalta parhaaseen aikaan. Varaajan lämmitysteho sopii erinomaisesti myös reserviksi häiriötilanteiden varalle”, Partanen sanoo. Hän odottaa, että ensi vuosikymmenellä myös sähköenergian varastoinnista tulee taloudellisesti kannattavaa. Silloin joustoa voivat tarjota muun muassa sähköautojen akut.

11

Partanen painottaa, että joustavasta kysynnästä huolimatta myös tarjonnan on joustettava, jotta sähkönjakelu pysyisi luotettavana. Ketterä, ohjattava säätövoima voisi täydentää kankeasti säädettävää perusvoimaa ja hallitsemattomasti heiluvaa tuuli- ja aurinkovoimaa. ”Ohjattava tuotanto voi tarkoittaa esimerkiksi hetkessä käynnistettävää ja pysäytettävää polttomoottorivoimalaitosta, nopeasti ohjattavaa vesivoimaa tai nykyistä paremmin ohjattavia polttoon perustuvia lauhde- ja vastapainelaitoksia.

Joustotuotteiden kasvava kysyntä edistää markkinatalouden mukaisesti kehitystä myös olemassa olevissa järjestelmissä”, Partanen sanoo. Sähköverkon kuormitusta tasoittaisi myös mahdollisuus siirtää sähköä yhä pidemmälle. ”Esimerkiksi Keski-Euroopassa tuuli- ja aurinkoenergiaa voisi siirtää pitkiäkin matkoja sen mukaan, missä aurinko kulloinkin paistaa. Siellä haasteena ovat lupa-asiat.”

Lisää älyä sähköverkkoon Joustavat ratkaisut edellyttävät sähköverkon kehittämistä. Nyt yhteinen sähköverkko liittää toisiinsa sähkön käyttäjien, tuottajien ja siirtäjien laitteet.

Tulevaisuudessa laitteiden välillä kulkee myös yhä enemmän tietoa tietoliikenneyhteyksien avulla – teollisessa internetissä. Viimeistään silloin on kyse älykkäästä sähköverkosta.

Partasen mukaan suomalaista sähköverkkoa voi kutsua älykkääksi jo nyt. Esimerkiksi valtaosassa suomalaiskodeista on etäluettava sähkömittari, joka tarjoaa erinomaiset edellytykset älyverkon kehittämiselle edelleen. ”Sähköverkko kehittyy jatkuvasti ja juuri nyt nopeammin kuin koskaan”, Partanen toteaa.

12

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

Tasasähkö tuo varmuutta sähkönjakeluun Pienjännitteinen tasasähkö on taloudellisesti varteenotettava vaihtoehto, kun jakeluverkkoja uusitaan.

Se helpottaa myös hajautettua tuotantoa sekä alueellisten verkkojen erottamista omavaraisiksi saarekkeiksi.

Suomessa käytetään verkkovirtana vaihtovirtaa eli vaihtosähköä. Aikoinaan sähköverkkoon valittiin vaihtosähkö muun muassa siksi, että sen jännitettä on helppo säätää muuntajien avulla. Suurille siirtomäärille ja -matkoille sopivat suuret jännitteet, ja jakeluun pienemmät.

Tehoelektroniikan kehityttyä tasavirta eli tasasähkö on nostettu esille varteenotettavana vaihtoehtona pienjännitteisessä jakeluverkossa, ja sitä tutkittiin myös SGEM-ohjelmassa. ”Tutkimuksemme mukaan tasasähkö on järkevä vaihtoehto erityisesti harvaan asutun alueen jakeluverkoissa”, kertoo tutkija Tero Kaipia Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta. Hän perustelee väitettä muun muassa kustannuksilla, jotka syntyvät silloin, kun häiriöille alttiita keskijänniteverkon avojohtoja korvataan maakaapeleilla. Hänen mukaansa kaapeloinnin kokonaishinta laskee merkittävästi, jos osa keskijänniteverkosta korvataan pienjänniteverkolla. ”Näin voidaan toimia, koska tasasähköllä saavutetaan vaihtosähköä suurempi tehonsiirtokyky pienjännitteisessä sähkönjakelussa. Tasasähköverkkoon on myös edullisempaa ja helpompaa kytkeä hajautettua tuotantoa ja akkuja”, Kaipia toteaa.

Kaipian mukaan tasasähkö sopii vaihtosähköä paremmin myös kyläyhteisön omaan mikroverkkoon, siis sähköverkon osaan, jonka voi tarvittaessa erottaa julkisesta verkosta saarekkeeksi. Mikroverkossa oma tuotanto ja omat akut voivat tarjota sähköä jopa useiden tuntien ajan esimerkiksi silloin, kun myrsky on lamauttanut laajemman sähköverkon. ”Tuloksena sähkönkäyttäjien kokemat sähkökatkot vähenevät ja tarve maakaapeloida keskijänniteverkkoa pienenee.” Tutkimusohjelmassa kehitettyä tasasähköjärjestelmää voi Kaipian mukaan käyttää

monipuolisesti myös taajamien jakeluverkoissa sekä erityiskohteissa, kuten tievalaistuksessa, sähköajoneuvojen latausjärjestelmissä ja jopa kiinteistöjen sisällä.

Koska pienjännitteinen tasasähköverkko johtaa useimmiten asiakkaan kotiin asti, kodissa tarvitaan suuntaaja, joka vaihtaa sähkön takaisin vaihtosähköksi, jotta kodinkoneet ja pistorasiat toimisivat.

Samalla suuntaaja siivoaa sähköstä pois häiriöt, kuten jännitetasovaihtelut ja räpsyt eli pienet sähkökatkot.

Kaipia odottaakin tasasähköverkon kohentavan sähkön laatua sen lisäksi, että se laskee kustannuksia. ”Modernin suuntaajatekniikan avulla sähkön laatua voidaan hallita paikallisesti tavalla, joka ei aiemmin ole ollut mahdollista”, Kaipia sanoo. Hän korostaa, että asiakkaalle asennettava suuntaaja ei ole ylimääräinen laite, vaan sillä voi korvata etäluettavan sähkömittarin siinä vaiheessa, kun mittari vaatisi muutenkin päivitystä.

SGEM-ohjelmassa kehitettiin tasasähköverkkoon optimoitua laiteteknologiaa sekä työkaluja verkkojen suunnittelijoille ja rakentajille. Teknologian toimintaa tutkittiin jakeluverkoissa muutaman asiakkaan alueilla. Testiverkkoja rakensivat Suur-Savon Sähkö Oy Lappeenrannan teknillisen yliopiston kanssa sekä Elenia Oy ABB Oy:n kanssa. Elenian suunnitteluinsinööri Tomi Hakala odottaa testiverkon tarjoavan pitkän aikavälin käyttökokemuksia, jotka ovat hänen mukaansa ensiarvoisen tärkeitä, kun uuden tekniikan laajamittaista käyttöönottoa suunnitellaan. ”Koekäyttö on tähän mennessä sujunut hyvin.

Seuraava askel on se, että yritykset kehittävät ja tuovat markkinoille tuotteistettuja laitteistoja, joita tasasähkönjakelun laajamittainen hyödyntäminen edellyttää”, Kaipia sanoo.

K E S K I J Ä N N I T E V E R K KO ( VA I H TO S Ä H KÖ ) 2 0 K V

TA S A S U U N TA A J A

Tutkimuksemme mukaan tasasähkö on järkevä vaihtoehto erityisesti harvaan asutun alueen jakeluverkoissa.

TERO K AIPIA Tutkija, Lappeenrannan teknillinen yliopisto

M I K R O V E R KO N V O I I R R OT TA A M U U S TA V E R KO S TA S A A R E K K E E K S I

M I K R O V E R K KO ( TA S A S Ä H KÖ ) ± 75 0 V

P I E N J Ä N N I T T E I S E N TA S A S Ä H KÖ N J A K E L U V E R KO N J Ä N N I T E O N ± 75 0 V ( v r t. p i e n j ä n n i t t e i s e n v a i h t o s ä h k ö verkon jännite on 400 V)

14

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

Sähköautot sujuvasti sähköverkkoon Kun käytössä on suuri määrä sähköautoja, niiden hallitsematon lataaminen voi sekoittaa sähköverkon tasapainon. Parhaimmillaan sähköautot voivat kuitenkin tasoittaa verkon kuormitusta.

Kun sähköautojen käyttö lisääntyy, vaikutus tuntuu sähköverkossa. Sen lisäksi, että sähköautot vaativat energiaa, niiden lataaminen kuormittaa sähköverkkoa epätasaisesti. Sähkötekniikan professori Jarmo Partanen Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta pitää selvänä, että energiantarpeesta selvitään mutta epätasaiseen kuormitukseen on puututtava ennen kuin sähköautot yleistyvät. Aihe otettiin myös osaksi SGEM-tutkimusohjelmaa.

Jos suuri joukko sähköauton käyttäjiä lataisi autonsa palattuaan illansuussa kotiin, lataaminen kuormittaisi sähköverkkoa huomattavasti ja edellyttäisi Partasen mukaan merkittäviä investointeja verkkoon. Kun Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimusryhmä simuloi verkon kuormitusta, tuli ilmi, että lataamista ohjaamalla lisäkustannukset jäisivät lähes huomaamattomiksi. ”Jos autonomistajalle riittää, että akku on aamulla täynnä, lataamisen voi ajoittaa mihin tahansa hetkeen sitä ennen, ja kustannukset olisivat aivan marginaalisia.”

Parhaimmillaan sähköautojen akut voivat jopa tasoittaa verkon kuormitusta toimimalla hajautetun tuotannon energiavarastoina.

”Katolla oleva aurinkopaneeli tuottaa päivällä sähköä, joka menee autoon, tai jos auto ei ole paikalla, sähkö varastoituu kellarissa sijaitsevaan akkuun ja lorahtaa sitten illalla autoon – tai jopa verkkoon”, Partanen visioi. Verkkoyhtiöt säästäisivät investoinneissa ja sitä kautta myös kuluttajat siirtomaksuissa. VTT osoitti lisäksi simuloimalla, että sähköautojen tarjoama jousto tekisi hajautetun tuotannon hyödyntämisestä nykyistä helpompaa ja kannattavampaa ja voisi siten vähentää hiilidioksidipäästöjä koko sähköjärjestelmässä.

Tällä hetkellä sähköautojen latausjärjestelmät eivät tue älykästä lataamista, mutta lataamista koskeva standardi tarjoaa siihen jo mahdollisuuden. Elektrobit on hyödyntänyt mahdollisuutta ensimmäisten joukossa ja kehittänyt lataamiseen protokollaohjelmiston, joka ottaa huomioon verkon tilan sekä käyttäjän tarpeet, jotka liittyvät muun muassa lataamisen ajankohtaan ja sähkön hintaan. ”Kun sähköautojen määrä lisääntyy, niiden liittäminen verkkoon älykkäällä tavalla on edellytys verkon kuormituksen hallinnalle”, toteaa johtaja Hannu Hakalahti Elektrobitiltä.

TEHO MW

10 9 8 7 6 5 4

S U O R A YÖ L ATA U S

3

P O R R A S T E T T U YÖ L ATA U S Y H D I S T E T T Y T YÖ PA I K K A - J A KOT I L ATA U S

2

O P T I M O I T U L ATA U S N Y K Y I N E N T E H O N TA R V E I L M A N S Ä H KÖ A U TOJ A

1

0

2

4

6

8

10

12

14

K E L LO N A I K A

Parhaimmillaan sähköautojen akut voivat jopa tasoittaa verkon kuormitusta toimimalla hajautetun tuotannon energiavarastoina.

J A R M O PA R TA N E N Professori, Lappeenrannan teknillinen yliopisto

16

18

20

22

SGEM-ohjelman avulla pystymme mallintamaan tulevaisuuden ympäristöä kokonaisvaltaisesti yhdessä. Yksin sitä ei voisi tehdä kukaan.

J A N S E G E R S TA M Kehitysjohtaja, Empower IM Oy

MWh/h

S Ä H KÖ N K U L U T U S S U O M E S S A Y H D E N TA LV I V I I KO N A I K A N A 16 000

E S I M E R K I K S I L Ä M M I T Y S TÄ O H J A A M A L L A KOT I TA LO U D E T K I N V O I VAT TA S O I T TA A K U L U T U K S E N PIIKKEJÄ .

14 000

12 000

J O S S Ä H KÖ N K U L U T TA J A H I N TA P E R U S T U I S I S Ä H KÖ N H A N K I N TA H I N TA A N K U L U T U K S E N H E T K E L L Ä , S E V O I S I M OT I V O I DA K U L U T TA J I A J O U S TA M A A N K U L U T U K S E S S A T U OTA N N O N HEIL AHTELUJEN MUK A AN.

10 000

8 000

MA

TI

KE

TO

PE

LA

SU

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

17

Sähkön kysynnästä joustavaa – ja joustosta kannattavaa Aurinko- ja tuulienergian tuotanto ei jousta, joten sähkön kulutuksen on joustettava. Jotta kuluttajan kannattaisi joustaa, on uusittava sähköverkkojen ja -markkinoiden rakenteita.

Sähköjärjestelmän perusta on säilynyt ennallaan sähkönjakelun alusta alkaen. Tuotannon ja kulutuksen on oltava tasapainossa, jotta sähkön laatu säilyy hyvänä ja verkko kunnossa. Tuotantoa on perinteisesti säädetty kulutuksen mukaan, mutta aurinko- ja tuulienergia ovat sekoittamassa käytäntöjä. Niiden tuotanto ei jousta, ja sitä on vaikea ennakoida. ”Tuotannon rajoittaminen on vaihtoehto, mutta se sotii uusiutuvan energian käytön periaatteita vastaan.

Onkin yhä tärkeämpää, että sähkön kysyntä joustaa”, toteaa kehitysjohtaja Jan Segerstam Empower IM Oy:stä. Hänen mukaansa markkinoiden ja sähköverkkojen rakenteet eivät tue joustoja erityisen hyvin pienissä hajautuneissa kohteissa, kuten kotitalouksissa. Mitä rakenteille olisi sitten tehtävä, oli yksi tutkimusaihe SGEM-ohjelmassa.

Vapailla sähkömarkkinoilla rakenteiden uudistaminen edellyttää lukuisten eri osapuolien yhteistyötä ja ristiriitaisten tavoitteiden sovittamista yhteen. Energian tuottajille ja käyttäjille kysynnän jousto tuo parhaimmillaan taloudellisia etuja. Sen sijaan sähköverkon haltijoille jousto merkitsee nykytilanteessa ennen kaikkea kustannuksia. Jousto vaatii verkolta älyä, ja äly maksaa. Parhaimmillaan jousto kuitenkin auttaa verkkoyhtiöitä välttämään tai ainakin siirtämään investointeja, jotka liittyvät verkkoinfrastruktuurin vahvistamiseen. ”SGEM-ohjelman avulla pystyimme mallintamaan tulevaisuuden ympäristöä kokonaisvaltaisesti yhdessä.

Yksin sitä ei voisi tehdä kukaan”, Segerstam toteaa. Hän pitää Suomen kehittyneitä sähkömarkkinoita poikkeuksellisen hyvänä kehitysympäristönä. Erinomaisena lähtökohtana toimivat etäluettavat sähkömittarit, jotka on asennettu lähes jokaiseen suomalaiseen

kotiin. Mittareissa on tekniset valmiudet ohjata muun muassa 600 000 kodin sähkölämmitystä.

SGEM-ohjelmassa pohjustettiin joustojen ohjaamista eri menetelmin ja luotiin tarvittavat toimintoketjut joustoihin liittyvään tiedonvaihtoon. Tiedonvaihtoa tutkittiin neljässä eri kaupungissa hieman eri näkökulmista, ja yhdessä tutkimuksessa myös kuluttajat osallistuivat ohjaamisen määrittelyyn. Etäluettavien sähkömittareiden vaihtoehtona käytettiin myös kotiin sijoitettavia ohjausjärjestelmiä, joita voi ohjelmoida vapaasti ja päivittää valvomosta käsin.

Segerstam odottaa tutkimuksen johtavan sähkön myynnin ja jakelun liiketoimintamalliin, jossa kysynnän jousto on otettu huomioon. Hänen mukaansa malli voi olla hyödyksi myös muissa pohjoismaissa sekä Keski-Euroopassa. Hän huomauttaa, että joustoon kannustavan hinnoittelun hyödyntämistä edistäisivät Suomessa myös lainsäädännön muutokset. Tällä hetkellä kuluttaja voi valita aikaperusteisen hinnoittelun ja ohjauksen, joka jakaa sähkön hinnan tavallisesti kiinteisiin tuntihintoihin tai päivä- ja yöhintoihin.

Segerstam uskoo, että joustoihin kannustava kuluttajamarkkina syntyisi, jos sähkömittareiden ohjausmahdollisuus tuotaisiin vapaiden markkinoiden käyttöön laajamittaisesti. ”Kannustavampi hinnoittelu perustuisi sähkön toteutuvaan hankintahintaan kulutuksen hetkellä.

Olisi tärkeää, että hyöty tulee todella niille, jotka joustavat. Pelkkä hinnoittelu ei kuitenkaan riitä. On myös tärkeää, että kaikki asiakkaan toimitusketjuun kuuluvat osapuolet osallistuvat joustojen ohjaukseen.

Näin vältetään jouston aiheuttamat piilokustannukset toimitusketjun eri osissa.”

Silloin, kun kysynnän jousto leikkaa kulutuksen huippuja, se tasoittaa verkon kuormitusta ja siitä hyötyvät myös verkkojen haltijat.

P E R T T I J Ä R V E N TA U S TA Professori, Tampereen teknillinen yliopisto

Tarkkaa tietoa kulutuksesta » kustannukset laskevat » sähkön laatu paranee

Yksityiskohtainen tieto kulutuksesta sekä mahdollisuus kysynnän joustoon ja ennakointiin » kustannukset laskevat

€ S Ä H KÖ M A R K K I N AT

V E R K KO YHTIÖ

Tarkkaa tietoa kulutuksesta ja sähkön laadusta sekä automaattisia ilmoituksia verkkovioista » vianhallinta tehostuu » kuormitusten mallintaminen ja verkon tilan estimointi tarkentuvat » häviöiden kompensointi ja investointien kohdistaminen tehostuvat

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

19

Kaikki hyöty etäluettavasta sähkömittarista Etäluettava sähköenergiamittari on käytössä lähes kaikilla asiakkailla koko Suomessa.

Monipuolisesti hyödynnettynä se luo edellytykset sähköverkon älykkäälle hallinnalle ja sähkömarkkinoiden kehittämiselle.

Etäluettava sähkömittari on oltava Suomessa lain mukaan 80 prosentilla jakeluverkkojen asiakkaista.

Käytännössä mittari on lähes kaikissa suomalaisissa kotitalouksissa. Koko maailman mittakaavassa ratkaisu on harvinainen ja Suomi edelläkävijä. Mittarinlukijat eivät kolkuttele enää ovilla, mutta mitä muuta mittareilla voidaan saavuttaa? Tätä kysymystä käsiteltiin SGEM-ohjelmassa lukuisissa eri yhteyksissä. ”SGEM-ohjelmassa mittareiden hyödyntämistä on voitu tarkastella kokonaisvaltaisesti ottaen huomioon kaikki osapuolet”, toteaa sähkötekniikan professori Pertti Järventausta Tampereen teknillisestä yliopistosta.

Kuluttajan ja sähkön myyjän näkökulmista edut ovat ilmeiset. Mittarin avulla sähkön myyjä voi seurata ja laskuttaa asiakkaan sähkönkulutusta tunnin tarkkuudella, ja kuluttaja voi säästää kohdistamalla sähkönkulutustaan edullisimpiin aikoihin. ”Sähköyhtiö voi myös kehittää palveluita, jotka helpottavat asiakkaita kulutuksen seuraamisessa ja ohjaamisessa.” Silloin, kun kysynnän jousto leikkaa kulutuksen huippuja, se tasoittaa verkon kuormitusta ja siitä hyötyvät myös verkkojen haltijat.

Järventausta korostaa, että on myös muita mahdollisuuksia hyödyntää etäluettavia mittareita tulevaisuuden energiajärjestelmässä. Kun mittarit keräävät

yksityiskohtaista tietoa kunkin asiakkaan kulutuksesta, eri asiakastyyppien kuormat voidaan mallintaa entistä tarkemmin, mikä auttaa verkon suunnittelussa ja häviöiden arvioinneissa.

Verkkoyhtiöt hyödyntävät etäluettavia sähkömittareita myös vianhallinnassa muun verkostoautomaation rinnalla. Valvomoiden tietojärjestelmät keräävät ja analysoivat tietoa verkon eri osista muun muassa vikojen estämiseksi ja tunnistamiseksi. ”Etäluettavat mittarit tarjoavat hyvinkin tarkkaa tietoa muun muassa sähkön laadusta, erityisesti jännitteen osalta”, Järventausta kertoo. Mittarit lähettävät myös automaattisesti ilmoituksen verkkoviasta ja ohjaavat siten huoltoryhmän suoraan vikapaikalle, mikä lyhentää sähkökatkojen kestoa.

Samalla, kun sähkömittareiden hyödyntäminen lisääntyy, mittarit myös kehittyvät. Lisäksi kehitetään koteihin asennettavia ohjausjärjestelmiä, jotka tarjoavat sähkömittareita monipuolisemmin mahdollisuuksia muun muassa kysynnän joustoon. Se, ajavatko nämä järjestelmät toiminnallisuudessa nykymittareiden ohi, ei huolestusta Järventaustaa. ”Mittarin elinkaari on joka tapauksessa maksimissaan 15 vuotta. Edelläkävijät alkavat vaihtaa mittareita jo lähivuosina.”

TOT E U T U N U T

ENNUSTE

SGEM-OHJELMA SSA KEHITETTY MALLI E N N U S TA A T U U L I V O I M A N T U OTA N TO A F I N G R I D I N VA LV O M O S S A .

200

150

NYKYHETKI

Teho [MW]

KO KO M A A

TOTEUTUNUT / 120 MW 2H ENNUSTE 12H ENNUSTE ENNUSTE – ONLINE ENNUSTE – KAIKKI / 230 MW

Varautumisen tarve ennen SGEM-ohjelmassa kehitettyä mallia.

100

95% luottamusväli 50

0 10–28 14:00

10–28 18:00

10–28 22:00

10–29 02:00

10–29 06:00

10–29 10:00

10–29 14:00

10–29 18:00

Tuulivoiman kehittäjät voivat testata simulointiympäristössä tuulivoiman suojausjärjestelmiä simuloimalla erityyppisiä ja -pituisia vikoja.

SEPPO HÄNNINEN Erikoistutkija, Teknologian tutkimuskeskus VTT

10–29 22:00

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

21

Tuulivoima ja sähköverkko haastavat toisensa Tuulivoiman ennustaminen helpottaa sen hyödyntämistä sähköverkossa. Tuulivoiman käyttöä edistää myös suojauksen kehittäminen niin verkossa kuin voimalassakin.

Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid varmistaa, että sähkön tuotannon ja kulutuksen tasapaino säilyy joka hetki. Tehtävää helpottaa se, että sähkön suuret tuottajat ovat velvollisia arvioimaan ja säätämään tuotantoaan. Joukossa on kuitenkin yhä useampia tuottajia, joille tuotannon säätäminen ei ole mielekästä, eikä heitä siihen velvoitetakaan. Esimerkiksi hajautetulle tuotannolle on tyypillistä, että sähköä syntyy, kun tuulee tai aurinko paistaa.

Jotta Fingrid voisi varautua myös tuulivoiman tuotantoon, se ennustaa sitä itse. VTT tutki SGEMohjelmassa ennustamisen tapoja ja kehitti mallin, joka ennustaa seuraavan vuorokauden tuotantoa ja näyttää toteutuneen tuotannon viimeisen puolen vuorokauden ajalta. ”Malli perustuu muun muassa tuuliennusteisiin ja todennäköisyyslaskentaan. Se ottaa myös huomioon, mitä eri voimalaitokset ovat eri tuulilla tuottaneet”, kertoo erikoistutkija Seppo Hänninen VTT:ltä.

Fingridin valvomon operaattorit ovat seuranneet VTT:n tekemää ennustetta noin vuoden ajan. ”Ohjelma on ollut hyvä lisä jo käytössä olevien työkalujen rinnalla, ja sen käyttöliittymä on selkeä, joten harkitsemme ennusteen käyttämistä jatkossakin”, sanoo asiantuntija Markku Piironen Fingridistä.

Tuulivoimaa silmällä pitäen tutkittiin myös sähköjohtojen mitoittamista. Turvallisen sähkönsiirron edellytyksenä on, että johdin ei pääse lämpenemään liikaa.

Lämpenemiseen puolestaan vaikuttaa, paljonko sähköä siirretään johtimen poikkipinta-alaan nähden ja millaisissa olosuhteissa. Johtojen jäähdytys paranee esimerkiksi kovassa tuulessa.

SGEM-ohjelmassa tutkittiin sähkömarkkina-, lämpötila- ja siirtokapasiteettitietoja tilanteissa,

joissa johtojen kuormitus muodostuu sähkönsiirron pullonkaulaksi. Hännisen mukaan on mahdollista saavuttaa huomattavia säästöjä kasvattamalla johtojen sallittua kuormitettavuutta ympäristöolosuhteiden sallimissa rajoissa.

Tuulivoimalat koettelevat siis sähköverkkoja, mutta ongelmia voi virrata myös verkkoa pitkin tuulivoimalaan. Onkin tärkeää, että tuulivoimala irtoaa automaattisesti verkosta vakavan verkkovian sattuessa, jotta se ei vaurioituisi. Hännisen mukaan tuulivoimala saattaa kuitenkin irrottautua verkosta turhaan harmittoman ja ohimenevän verkkovian seurauksena.

Tällaisten tilanteiden tutkimiseksi SGEM-ohjelmassa luotiin simulointiympäristö, johon mallinnettiin tuulivoimatuotanto ja sähköverkko käyttäen hyväksi fyysisiä laitteita sekä simulointiohjelmia. ”Tuulivoiman kehittäjät voivat testata siinä tuulivoiman suojausjärjestelmiä simuloimalla erityyppisiä ja -pituisia vikoja.”

Hajautetun tuotannon lisääntyessä edellytykset sähköverkkojen saarekekäytölle paranevat. Saarekekäyttö tarkoittaa tietyn alueen verkon, mikroverkon, erottamista muusta verkosta esimerkiksi verkkovian seurauksena silloin, kun alueen oma sähköntuotanto riittää alueen kulutukseen. SGEM-ohjelmassa tutkimuskohteeksi valittiin mikroverkon ja sen sisäisen sähköntuotannon ohjaus sekä saarekekäytön automaattinen tunnistaminen ja verkon suojaus. ”Tunnistamisen jälkeen verkon suojaus on muutettava tilannetta vastaavaksi. Tämän on tapahduttava nopeasti ja automaattisesti, koska saarekekäyttöön siirtyminen ja takaisin voi tapahtua useita kertoja päivässäkin riippuen saarekkeen oman sähköntuotannon edellytyksistä”, Hänninen toteaa.

Kokemukset ovat olleet myönteisiä, ja lähes kaikki olivat valmiita suosittelemaan paneeleja muillekin.

M E R J A PA K K A N E N Erikoistutkija, Vaasan yliopisto

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

23

Kotitaloudet kasvavat sähköntuottajiksi vähitellen Kotitalouksilla on paikka tulevaisuuden sähköjärjestelmässä sähkön kuluttajina mutta myös pientuottajina. Ovatko suomalaiset valmiita tähän?

Visiot uusiutuvien energialähteiden lisääntymisestä perustuvat pitkälti hajautettuun pientuotantoon.

Yritysten ja kotitalouksien odotetaan tuottavan sähköä esimerkiksi pienen tuulivoimalan tai aurinkopaneelien avulla.

verkkoon. Edullisinta olisi käyttää sähkö itse, mutta aurinkoiset tunnit ja talouden sähkönkulutus eivät välttämättä osu luontevasti yksiin. Pakkasen mukaan moni pientuottaja oli järjestelmällisesti siirtänyt kulutustaan aurinkoisiin tunteihin, mutta kaikilla ei ollut siihen kiinnostusta tai aikaa.

SGEM-ohjelmassa selvitettiin suomalaisten kotitalouksien halukkuutta aurinkosähkön pientuotantoon.

Tutkimuksen ensimmäisessä osassa 20 energia-alan asiantuntijaa ja 17 aurinkopaneelien omistajaa kertoivat näkemyksensä aiheesta.

Haastateltujen pientuottajien keski-ikä, 59 vuotta, vastasi haastateltujen asiantuntijoiden arviota, jonka mukaan potentiaalisimmat sähkön pientuottajat ovat yli 50-vuotiaita.

Tutkimuksen mukaan suurin syy pientuotannon vähäiseen suosioon on laitteistoinvestoinnin pitkä takaisinmaksuaika, joka on monesti jopa 25 vuotta. ”Asiantuntijat uskovat, että investoinnin takaisinmaksuajan pitäisi painua alle 10 vuoteen, jotta kuluttajat innostuisivat laajamittaisesti omasta sähköntuotannosta”, sanoo energiamarkkinoiden tutkija Merja Pakkanen Vaasan yliopistosta. Hänen mukaansa takaisinmaksuaikaa piti liian pitkänä valtaosa niistäkin, jotka olivat asentaneet aurinkopaneelit.

”Nuorilla voi olla suurikin halu uusiutuvan energian hajautettuun tuotantoon, mutta heillä saattaa olla myös pian edessä muutto toiseen kiinteistöön.

Olisikin tärkeää nähdä aurinkopaneelit sijoituksena, joka nostaa kiinteistön arvoa heti ja tuottaa pidemmällä aikavälillä”, toteaa tutkimuksen asiantuntijahaastatteluun osallistunut tuotepäällikkö Olli Raatikainen Fortumista. Hänen mukaansa tutkimus toi havainnollisesti esille hajautetun tuotannon suosiota sekä sen leviämisen edellytyksiä.

”Samat ihmiset saattoivat kuitenkin perustella hankintaansa sillä, että paneelit tuottavat ilmaista sähköä”, Pakkanen huomauttaa. Moni perusteli investointiaan myös ympäristöarvoilla, ja osaa sähköntuottaminen kiinnosti teknisesti, vaikka tuotepaketti ei edellyttänytkään teknistä osaamista.

Tutkimuksen toisessa osassa tutkijat selvittivät nettikyselynä niiden kuluttajien näkemyksiä, jotka eivät ole hankkineet aurinkopaneeleja. Tutkimukseen osallistui 198 omakotitaloasukasta. Näistä 74 % piti sähkölaskun merkitystä suurena ja sähkölämmittäjistä vielä useampi.

Ennen aurinkopaneelien hankintaa omakotitalon omistajia oli kiinnostanut turvallisuus liittyen talon kattoon.

Tuuli- ja aurinkovoimasta kuluttajilla oli niin myönteisiä kuin kielteisiäkin näkemyksiä, mutta pääosin niiden lisäämistä kannatettiin. Kotitalouksien omasta sähköntuotannosta suurin osa tiesi vain vähän tai ei mitään. Aurinkopaneelien sopivana investointikustannuksena vastaajat pitivät noin 4 000 euroa ja takaisinmaksuaikana kahdeksaa vuotta.

”Kokemukset ovat olleet myönteisiä, ja lähes kaikki olivat valmiita suosittelemaan paneeleja muillekin.”

Jokaisella haastatellulla pientuottajalla on mahdollisuus käyttää tuottamansa sähkö itse tai syöttää sitä

24

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

Älykäs sähköverkko vaatii uutta teknologiaa Sähköverkon etähallinta edellyttää edistyksellisiä laitteita sekä luotettavia tietoliikenneyhteyksiä.

Olemassa oleva teknologia auttaa osin.

Sähköverkkojen etähallinta on lisääntynyt Suomessa voimakkaasti viime vuosina. Verkkoviat saadaan paikannettua yhä nopeammin ja vika-alueet rajattua siten, että yhä harvempi asiakas kärsii sähkökatkosta ja yhä harvempi verkkolaite vaurioituu vikavirrasta. ”Kehittynyt etähallinta on myös ehto hajautetun sähköntuotannon luotettavaan hallintaan.

Esimerkiksi tuulivoimala on irrotettava vioittuneesta verkosta nopeasti vaaratilanteen välttämiseksi”, toteaa tutkimuspäällikkö Jani Valtari ABB:ltä.

SGEM-ohjelmassa tutkittiin teknologioita, jotka mahdollistavat yhä älykkäämmän verkonhallinnan.

Esimerkiksi VTT:n kehittämä vianilmaisin voidaan liittää suoraan keskijänniteverkon johtoon, josta se lähettää viestin langattomasti esimerkiksi tuulivoimalaan tai sähköasemalle. Sähköasemalla ABB:n tutkima keskitetty automaatiojärjestelmä kerää ja analysoi kaikki verkon suojaukseen liittyvät viestit. ”On helpompaa ja halvempaa päivittää keskitettyä automaatiojärjestelmää kuin erikseen sähköaseman jokaista suojarelettä”, Valtari toteaa.

Hänen mukaansa keskitetty tietojenkäsittely auttaa myös huomaamaan verkossa muhivia vikoja ennen kuin ne äityvät vakaviksi. Ennakointia tukee myös Mikesin kehittämä analysaattori, joka tarjoaa entistä tarkempia mittaustuloksia.

Valtari pitää tärkeänä, että teknologioita päästiin tutkimaan ja kehittämään käytössä olevissa sähköverkoissa. Hän uskoo, että suomalaisvoimin kehitetyt teknologiat voivat kasvaa kaupallisesti merkittäviksi tuotteiksi ja menestyä myös vientimarkkinoilla.

Verkon äly vaatii laitteiden ohella nopeaa tiedonsiirtoa. ”Olemme päässeet langattomissa 3G- ja 4G-verkoissa 40 millisekuntiin. Siinä ajassa viesti välittyy esimerkiksi sähköasemalta tuotantolaitokseen, ja luotettavuus on verkkoyhtiöiden vaatimalla tasolla”, Valtari sanoo.

VTT selvitti lisäksi kaupallisten tietoliikenneverkkojen luotettavuutta ja kustannustehokkuutta.

Rajatun maaseutualueen sähkö- ja tietoliikenneverkkoja ja niiden toimintaa mallinnettiin mittausten ja kasvillisuustietojen avulla. ”Aiheutimme malliin tyypillisiä sähköverkkojen vikatilanteita ja katsoimme, miten ne vaikuttavat tietoliikenneverkkoon sekä sähköverkon langattomaan etäohjaukseen”, kertoo johtava tutkija Seppo Horsmanheimo VTT:ltä. Koska tietoliikenneverkkojen tukiasemat tarvitsevat sähköä, pitkäkestoinen sähkökatko vaikuttaa tietoliikenneyhteyksiin ja sitä kautta sähköverkon etäohjattaviin laitteisiin sekä verkkoa kentällä korjaavien henkilöiden matkapuhelimiin. Tämä tuli selvästi esille, kun tutkimuksessa analysoitiin dataa Tapani- ja Hannu-myrskyistä. ”Datan avulla pystyimme mallintamaan tarkasti, miten myrskyt vaikuttivat sähkö- ja tietoliikenneverkkoihin ja miten verkot palautuivat niistä”, Horsmanheimo sanoo.

Osa tutkimuksesta keskittyi kaupunkiympäristöön, jossa rakennukset asettavat uusia haasteita langattoman verkon kuuluvuudelle ja viiveelle. ”Teimme mittaukset ympäristössä ja simuloimme verkkojen toimintaa niiden perusteella”, Horsmanheimo kertoo.

Hänen mukaansa rajatuilla alueilla tehdyt tutkimukset tarjoavat hyvän perustan eri alueiden analysointiin Suomessa ja ulkomailla. Hän uskoo, että mallinnus kiinnostaa ensisijaisesti sähköverkon haltijoita, joiden on valittava, missä ja mihin langattomia verkkoja kannattaa käyttää. Toisaalta, tulokset kiinnostavat todennäköisesti teleoperaattoreita, jotka haluavat kehittää toimintaansa.

Tutkimus on jo pitkälti osoittanut, että kaupalliset tietoliikenneverkot soveltuvat Suomessa älyverkon tiedonsiirtoon, kunhan verkkoyhtiöt ja teleoperaattorit tuntevat langattomien verkkojen mahdollisuudet ja rajoitukset ja ottavat huomioon verkkojen keskinäisen riippuvuuden.

SUURJÄNNITE 110 KV

Suomalaisvoimin kehitetyt teknologiat voivat kasvaa kaupallisesti merkittäviksi tuotteiksi ja menestyä myös vientimarkkinoilla.

KESKIJÄNNITE 20 KV

Ä LY K Ä S S Ä H KÖ ASEMA

J A N I VA LTA R I Tutkimuspäällikkö, ABB

NOPEA T I E D O N S I I R TO

VIANILMAISIN

VIANILMAISIN

V E R K KO K AT K A I S I J A A L U E , J O LTA V I K A A E T S I T TÄVÄ I L M A N V I A N I L M A I S I N TA (N. 50 KM)

!

A L U E , J O LTA V I K A A E T S I T TÄVÄ VIANILMAISIMELLA ( 1 -2 K M )

Tavoitteena on kattava ja älykäs vianhallinta. Kaupunkialueella verkon vikojen automaattinen paikantaminen ja erottaminen nopeuttavat oleellisesti vianhallintaa.

O S M O S I I R TO Yksikönpäällikkö, Helen sähköverkko

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

27

Älykäs sähköverkko korjaa itse vikansa Sähköverkon vikoja ei voida kokonaan estää.

Sähkökatkojen määrää ja pituutta on kuitenkin helppo leikata niin maalla kuin kaupungissakin lisäämällä verkkoon älyä. Uusia ratkaisuja on jo koekäytössä.

SGEM-ohjelman alussa verkkoviat johtivat Helsingissä keskimäärin lähes tunnin sähkökatkoihin. Helen Sähköverkko Oy:ssä arvioitiin, että sähkönjakelun häiriöt maksoivat asiakkaille noin kaksi miljoonaa euroa vuodessa. Verkkoyhtiössä arvioitiin myös, että kustannukset kutistuisivat erittäin pieniksi, jos sähkökatkot lyhenisivät minuuttiin. ”Viiden tai kymmenen vuoden päästä voimme parhaimmillaan puhua jo muutamista minuuteista. Jo nyt olemme päässeet keskimäärin noin 40 minuuttiin.

Olemme ottaneet käyttöön uutta teknologiaa, perehtyneet hyviin käytäntöihin ulkomailla ja laatineet omia optimointimalleja”, kertoo yksikönpäällikkö Osmo Siirto Helen Sähköverkosta. Hän korostaa, että optimointimalleja voi hyödyntää myös muissa sähköverkoissa niin Suomessa kuin ulkomaillakin.

kytkentöjä”, Siirto toteaa. Hän luonnehtii tulevaisuuden verkkoja itsestään korjautuviksi, ja samaa termiä käyttää älyverkkoprojektin päällikkö Oleg Gulich Carunasta. Käytännössä kyse ei ole korjaamisesta, vaan pitkälti siitä, että vian sattuessa sähkönjakelulle löytyy automaattisesti uusi reitti.

Caruna kehitti SGEM-ohjelmassa vianhallintaa maaseutuympäristön keskijänniteverkoissa ja tutki ABB:n kanssa automaatioratkaisuja Kirkkonummen Masalassa, jossa avojohdot ovat alttiita voimakkaille tuulille eivätkä kalliot houkuttele maakaapeleiden asentamiseen. Tutkimusohjelmassa käynnistettiin myös laajempi koekäyttö Pusulassa. Tiedonhallintaa keskitettiin sähköasemille uusin välinein, ja verkkoon lisättiin vianilmaisimia.

Helen Sähköverkon tekniset parannukset liittyvät pitkälti etäkäytön ja -valvonnan hyödyntämiseen vian paikantamisessa ja vika-alueen erottamisessa.

SGEM-ohjelmassa määriteltiin vianhallinnan logiikkaa sekä edullisia kaupunkiverkkoon soveltuvia vianilmaisimia, joita voidaan asentaa tiheästi koko verkkoon.

Avojohtoverkkoa haastavat muun muassa johtojen päälle kaatuneet puut ja katkenneet oksat. Oksat voivat johtaa sähköä johdosta toiseen tai maahan ja aiheuttaa siten oikosulkuja tai maasulkuja.

Perinteisessä sähköverkossa vikapaikkaa joudutaan etsimään jopa 50 kilometrin säteellä, kun taas Masalassa ja Pusulassa vika löytyy 1–2 kilometrin tarkkuudella.

”Tavoitteena on kattava ja älykäs vianhallinta.

Kaupunkialueella verkon vikojen automaattinen paikantaminen ja erottaminen nopeuttavat oleellisesti vianhallintaa. Tällöin voidaan välttää kenttätyöhön liittyviä hankaluuksia, kuten hidasta liikkumista muun liikenteen joukossa sekä vaikeuksia päästä kiinteistöihin ja muuntamoihin tekemään

”Sähkökatkot on saatu lyhenemään puoleen”, Gulich kertoo. Hän korostaa, että älykäs verkko pystyy parhaimmillaan jopa estämään lyhyitä sähkökatkoja, räpsyjä, joita aiheuttavat muun muassa sähköjohtoja ohimennen sipaisevat oksat.

K ÄY T TÄ J Ä R Y H M ÄT

S Ä H KÖ V E R K KOY H T I Ö

K U N TA

P E L A S T U S TO I M I

A S I A K K A AT

A U TO M A AT T I N E N T I E TO TO I M I J O I D E N J Ä R J E S T E L M I S TÄ

S Ä H KÖ V E R K KOY H T I ÖT

K A R T TA P O H J A I N E N K ÄY T TÖ L I I T T Y M Ä

P E L A S T U S TO I M I

SÄ ÄENNUSTEET

L I I K E N N E T I E D OT T E E T

MANUA ALISESTI PÄ I V I T E T TÄVÄ S TA AT T I N E N T I E TO

K R I I T T I S T E N KO H T E I D E N M Ä Ä R I T TÄ M I N E N

Kehitimme tilannekuvajärjestelmää, johon voivat syöttää tietoja myös viranomaiset ja ne sähkön käyttäjät, joille sähkön saatavuus on kriittistä.

PEKKA VERHO Professori, Tampereen teknillinen yliopisto

SMART GRIDS AND ENERGY MARKE TS

29

Nopea tiedonkulku helpottaa vikatilanteissa Kun puu kaatuu avojohdolle, älykäs sähköverkko huomaa vian ennen kuin siitä aiheutuu vaaraa tai laajaa sähkökatkoa. Vikatilanteissa helpottaa myös sujuva tiedonkulku verkonhaltijan, viranomaisten ja asiakkaiden välillä.

Keskijänniteverkon avojohtoja on Suomessa edelleen runsaasti, ja ne ovat alttiita häiriöille. Tyypillinen häiriö on maasulku, joka syntyy tavallisesti silloin, kun oksa tai kaatunut puu koskettaa johtoon. Jos puu johtaa sähkön sujuvasti maahan, sähköaseman suojarele havaitsee vian heti virran ja jännitteen muutoksista. Sen sijaan silloin, kun puu ja maa ovat jäässä tai maaperä on kallioista, ne johtavat sähköä heikommin, eikä suojarele välttämättä reagoi. ”Myös tällainen suuri-impedanssinen vika kehittyy tavallisesti vaarallisemmaksi ja haitallisemmaksi”, toteaa tutkijatohtori Ari Nikander Tampereen teknillisestä yliopistosta. Maasulku voi aiheuttaa lähistöllä liikkuvalle sähköiskun, ja verkossa se voi johtaa laajaan sähkökatkoon. On siis tärkeä havaita orastavakin vika ajoissa.

SGEM-ohjelmassa tätä tarkoitusta varten kehitettiin keskitettyä suojausmenetelmää. Kun perinteinen suojarele päättelee tilanteen siinä johtolähdössä, johon se on sijoitettu, uusi menetelmä hyödyntää kaikkien johtolähtöjen ja niiden suojareleiden tietoja sähköaseman keskitetyssä tietokoneessa.

Menetelmän kehittämistä varten mallinnettiin sähköverkko ja sähköasema fyysisine laitteineen, ja

suuri-impedanssisia vikoja tunnistettiin menestyksekkäästi tässä ympäristössä.

Häiriötilanteilta ei voi kuitenkaan välttyä kokonaan etenkään avojohtoverkossa. Siksi SGEM-ohjelmassa kehitettiin myös sähköverkkoyhtiöiden, viranomaisten ja asiakkaiden välistä tiedonkulkua. ”Kehitimme tilannekuvajärjestelmää, johon voidaan koota olennaiset tiedot esimerkiksi sähkökatkon laajuudesta. Järjestelmään voivat syöttää tietoja myös viranomaiset ja ne sähkön käyttäjät, joille sähkön saatavuus on kriittistä, kuten sairaalat”, sähkötekniikan professori Pekka Verho Tampereen teknillisestä yliopistosta kertoo. Esimerkiksi tuhoisan myrskyn aikana järjestelmän tarkoituksena on auttaa verkkoyhtiöitä korjaustöiden priorisoinnissa ja viranomaisia, kuten palo- ja pelastustointa, oman toimintansa suunnittelussa. Se voi lähettää myös automaattisia varoituksia osapuolten välillä.

Järjestelmää kehitettiin yhteistyössä viranomaisten kanssa, ja käsillä on nyt nettiselaimessa toimiva demonstraatio järjestelmän perusperiaatteista.

J A N I VA LTA R I SGEM ohjelmapäällikkö, CLEEN Oy jani.valtari@cleen.fi / +358 50 335 2730 J AT TA J U S S I L A -S U O K A S Teknologiajohtaja, CLEEN Oy jatta.jussila@cleen.fi / +358 40 825 6500 TO M M Y J A CO B S O N Toimitusjohtaja, CLEEN Oy tommy.jacobson@cleen.fi / +358 40 828 2711