Sähköajoneuvojen latauksen kuormanhallinta ja kysyntäjousto

Sähköisessä liikenteessä on monia mielenkiintoisia hyödyntämismahdollisuuksia, sillä sähköajoneuvoja voi ajatella eräänlaisina liikkuvina energiavarastoina. Näiden energiavarastojen lataus on kuitenkin sulautettava nykyiseen sähköverkkoon hyvin, sillä oikein hyödynnettynä niiden positiiviset vaikutukset ovat huomattavat verkon yleisen toiminnan kannalta. Sähkötekniikan insinööriopiskelija (amk) Teemu Iivari toteutti tutkimustyön Sweco Talotekniikka Oy:lle.

Sähköajoneuvojen yleistyessä myös latauspisteiden kysyntä on kasvanut räjähdysmäisesti. Sähköajoneuvojen yleistymistä ovat nopeuttaneet huomattavasti nykyinen maailmantilanne ja ilmastopolitiikka, joka pyrkii pääsemään fossiilisista polttoaineista eroon mahdollisimman nopeasti hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Erityisesti liikenteen sähköistymistä viime aikoina ovat nopeuttaneet polttoaineiden hinnannousu ja valtion antamat latausinfra-avustukset. (1, s. 8.)

Sähköajoneuvojen lataus

Sähköajoneuvojen latauksella tarkoitetaan ulkoisella teholähteellä tapahtuvaa lataustapahtumaa. Yksinkertaisimmillaan ajoneuvo liitetään pistotulpalla latauspisteen ja lataus alkaa. Latauspisteen teho ja tyyppi vaihtelevat lataustavan mukaan. Suomessa käytetään neljää eri lataustapaa, joista yleisimpiä ovat lataustavat 3 ja 4. Tämäntyyppisiä latauspisteitä on yleisimmin taloyhtiöiden pysäköintialueilla ja julkisilla alueilla. Asuinrakennusten yhteyteen asennettavat mode 3 -latauspisteet toimivat vaihtovirralla, ja julkisille latauspisteille asennetaan yleensä suurempitehoisia mode 4 -DC-pikalatausasemia.

Kuva 1. Suomessa ensirekisteröidyt henkilöautot käyttövoimittain aikavälillä tammi-elokuu 2022 (2)

Vakuutusyhtiö Ifin toukokuussa 2022 tuottaman kyselyn mukaan jopa 45 % suomalaisista valitsisi jonkin sähköistä voimalinjaa käyttävän ajoneuvon perinteisen polttomoottoriauton sijaan. Valtaosa sähköauton valinneista harkitsee myös seuraavaksi autokseen sähköautoa polttomoottoriauton sijaan. Sähköauton hankintaa varjostaa kuitenkin edelleen niiden kova hankintahinta, jonka vuoksi 53 % kyselyyn vastanneista jättää sähköajoneuvon toistaiseksi ostamatta. Muita hankintaa varjostavia tekijöitä ovat Suomen maantieverkon suuret etäisyydet ja siitä aiheutuva latausasemien riittämättömyys. Teknologian kehittyessä hankintahinnat kuitenkin tulevat laskemaan ja luotto sähköajoneuvoihin kasvaa. (3.)

Jopa 45 % suomalaisista valitsisi jonkin sähköistä voimalinjaa käyttävän ajoneuvon perinteisen polttomoottoriauton sijaan.

Erityisesti taloyhtiöt ovat alkaneet asentaa latauspisteitä remonttien yhteydessä lakiuudistuksen myötä. Maaliskuussa 2021 eduskunnan hyväksymä laki 733 § rakennusten varustamisesta latauspisteillä ja latauspistevalmiuksilla velvoittaa taloyhtiön, joka remontoi hallinta-aluettaan laajamittaisesti, asentamaan vähintään latauspistevalmiudet laissa esitettyjen määrävaatimusten mukaisesti. Vuoden 2021 jälkeen myös kaikkiin uudisrakennuksiin tulee rakentaa latauspistevalmiudet. Käytännössä latauspistevalmiuden rakentaminen tarkoittaa kaapelireittien asentamista pysäköintialueille tulevia latauspisteitä varten, mutta ennen tätä taloyhtiön tulee teettää alkukartoitus. (4.)

Latauspisteiden alkukartoituksessa taloyhtiölle tehdään selvitys latauspisteiden toteutuksesta. Kartoituksessa käydään läpi nykyisen sähköjärjestelmän kunto ja kuormitus, jotta latauspisteet voidaan mitoittaa nykyiseen sähköjärjestelmään. Suurimpiin latausjärjestelmiin suositellaan käytettäväksi kuormanhallintaa, jolla voidaan välttää muun sähköjärjestelmän ylikuormitustilanteet tai jopa kokonaan nykyisen sähköliittymäkoon kasvattaminen.

Kuormanhallinnalla hallitaan sähköajoneuvon latauksen aikana syntyviä kuormia. Kuormanhallinnan voi toteuttaa joko perinteisesti jakamalla latausteho samaksi kaikkien pysäköintialueen latauspisteiden kesken tai dynaamisella kuormanhallintajärjestelmällä. Älyllä toteutettava dynaaminen kuormanhallinta ohjaa latausjärjestelmää tiedonsiirtoväylän kautta, joka voidaan toteuttaa joko langallisesti tai langattomasti.

Älykkäitä kuormanhallintajärjestelmiä käytetään erityisesti tilanteissa, joissa muun sähköjärjestelmän kuorma on suurta tai joissa on suuria eroja vuorokauden eri ajankohtina. Asuinrakennuksissa lataus tapahtuu yleensä öisin, mutta esimerkiksi kauppakeskusten pysäköintialueilla lataustapahtumat keskittyvät päivälle, jolloin älykäs hallinta tulee tarpeeseen.

Dynaaminen kuormanhallinta koostuu energiamittareista, tiedonsiirtokaapeloinnista ja taustajärjestelmästä. Järjestelmä mittaa reaaliaikaisesti sähköjärjestelmän eri kuormia ja tarvittaessa kasvattaa tai laskee latausvirtoja. Dynaamiselle kuormanhallinnalle voidaan asettaa raja-arvot, joilla lataus tapahtuu.

alhaiselle teholle kiinteistön ollessa tyhjillään, jolloin sähköä säästyy. Samaa teknologiaa hyödynnetään myös isoissa kokonaisuuksissa kuten sairaaloissa ja tehtaissa.

Kysyntäjoustoa tarvitaan myös sähköautojen latauspisteillä varsinkin latauskuormien kasvaessa. Kysyntäjoustolla ajoneuvon lataus voidaan ajoittaa edullisimmille sähköntuotannon tunneille, jolloin lataustehojen kuormitus näkyy sähköverkossa huomattavasti vähemmän kuin esimerkiksi verkon vikatilanteessa, jolloin sähköä tarvitaan enemmän sähkön jakelun kriittisten osien toiminnan takaamiseksi.

Kysyntäjoustoa voidaan tuoda latauspisteille esimerkiksi älykkäillä ohjausjärjestelmillä ja kaksisuuntaisilla latausjärjestelmillä. Kaksisuuntaisella latauksella tarkoitetaan sähkön syöttämistä latausasemalle liitetyn ajoneuvon akustosta takaisin verkkoon päin. Näin voitaisiin toimia esimerkiksi verkon vikatilanteissa, jolloin sähköautoista saatu sähköenergia tasaisi kuormitusta.

Kaksisuuntaiset latausasemat ovat kuitenkin vielä tuotekehitysasteella, eivätkä monet autovalmistajat vielä varusta ajoneuvojaan kaksisuuntaisilla latausasemilla. Teknologian tulevaisuus näyttää kuitenkin valosalta, sillä esimerkiksi Nissan varustaa kaikki uudet Leaf-täyssähköautonsa tukemaan tätä teknologiaa. Yhtiö on myös kertonut laajentavansa V2X-teknologiaa yhtiön muihinkin sähköautomalleihin.

Kuva 2. Dynaaminen kuormanhallinta jakaa 100 A:n lataustehon kolmelle latausasemalle. Asemien latausteho laskee, jos neljännelle latausasemalle liitetään ajoneuvo. (3.)

Kysyntäjousto osana sähköautoilua

Kysyntäjoustolla tarkoitetaan sähkönkäytön lisäämistä tai vähentämistä sähkön kysynnän mukaan. Kysyntäjousto on noussut yhä enemmän ihmisten tietoisuuteen sähkön hinnannousun myötä, ja sähkönkäyttöä onkin alettu ajoittaa entistä enemmän korkean sähköntuotannon tunneille, jolloin sähkö on muuta halvempaa.

Kuluttaja voi hallita asuintalonsa sähkönkulutusta helposti kotiautomaatiojärjestelmän avulla. Esimerkiksi suuret sähkökuormat kuten lämmitykset voidaan asettaa automaattisesti mahdollisimman

Kuva 3. Kaksisuuntaisella latausteknologialla ajoneuvoon ladattua sähköenergiaa voidaan syöttää takaisin verkkoon. (4.)

Sähköverkon kysyntäjousto tulee olemaan keskeisessä asemassa verkon toiminnan kannalta. Kirjoitushetkellä maailmantilanteen takia kärsitään osittain energiapulasta, jota pitää pystyä paikkaamaan vaihtoehtoisilla energianlähteillä ja älykkään sähköverkon toimivalla hallinnalla. Myös sähköajoneuvojen latausasemat ovat tärkeässä asemassa. Nykyteknologialla täyteen ladatulla sähköautolla voi antaa tarpeeksi virtaa koko päiväksi yhden kotitalouden tarpeisiin, ja tulevaisuudessa tätä teknologiaa voidaan hyödyntää entistä laajemmin.

Lähteet

1.Iivari, Teemu 2022. Sähköajoneuvojen latauksen kuormanhallinta ja kysyntäjousto. Oulun ammattikorkeakoulu. opinnäytetyö. Sähkö- ja automaatiotekniikan tutkinto-ohjelma. Sähkötekniikka. Hakupäivä 10.5.2023. https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/788178/Iivari_Teemu.pdf?sequence=2&isAllowed=y

2.Traficom 2022. Vaihtoehtoisten käyttövoimien osuus tieliikenteen ajoneuvoista. Hakupäivä 10.5.2023 https://tieto.traficom.fi/fi/tilastot/vaihtoehtoisten-kayttovoimien-osuus-tieliikenteen-ajoneuvoista

3.Vakuutusyhtiö If 2022. Sähköauto, hybridi vai pysyttely bensassa? Hakupäivä 10.5.2023. https://www.if.fi/henkiloasiakkaat/vakuutukset/autovakuutus/auton-vaihto/auton-osto2020-luvulla

4. Finlex. 733/2020. Laki rakennusten varustamisesta sähköajoneuvojen latauspisteillä ja latauspistevalmiuksilla sekä automaatio- ja ohjausjärjestelmillä Hakupäivä 10.5.2023. https://www.finlex.fi/fi/laki/alkup/2020/20200733

5. Ensto 2021. Suunnittelijan Opas. Sähköautojen latausjärjestelmien huomioiminen kiinteistöjen sähkösuunnittelussa 2021. Hakupäivä 10.5.2023. https://www.ensto.com/globalassets/whitepapers/suunnittelijan-opas-sahkoautojen-latausjarjestelmat.pdf

6. Jeff Wandell. Nissan approves first bi-directional charger for use with Nissan LEAF in the U.S. Hakupäivä 10.5.2023. https://usa.nissannews.com/en-US/releases/nissan-approves-first-bi-directional-charger-for-use-with-nissan-leaf-inthe-us#

Kirjoittajat: insinööriopiskelija (AMK) Tuomas Lukkari ja Tekniikan ja luonnonvara-alan yksikkö yliopettaja Ensio Sieppi Oulun ammattikorkeakoulu Kuvat: Lähteet